Джон М. Макнамара

1 Училище по математика, Университет в Бристол, University Walk, Бристол, BS8 1TW, Великобритания,

Alasdair I. Хюстън

2 Училище за биологични науки, сграда на науките за живота, Университет в Бристол, 24 Tyndall Avenue, Бристол, BS8 1TQ, Великобритания,

Андрю Д. Хигинсън

2 Училище за биологични науки, сграда на науките за живота, Университет в Бристол, 24 Tyndall Avenue, Бристол, BS8 1TQ, Великобритания,

3 Колеж по науки за живота и околната среда, Университет в Ексетър, Ексетър, EX4 4QG, Великобритания,

Замислил и проектирал експериментите: JMM. Извършва експериментите: JMM ADH. Анализирани данни: ADH. Написа хартията: JMM ADH AIH.

Свързани данни

Всички съответни данни са в хартията.

Резюме

Въведение

Затлъстяването е основен и нарастващ медицински и социален проблем при хората, домашните и животните в плен [1,2], тъй като прекомерното съхранение на мазнини води до влошаване на здравето и смъртност чрез няколко физиологични въздействия върху функционирането на тялото [3–7]. Интервенциите, които помагат на хората да отслабнат, имат ограничен успех, тъй като телесното тегло има тенденция да бъде устойчиво на промени [8–10] поради причини, които не са добре разбрани [11]. Напредъкът в разбирането на съхранението на мазнини често е последван от изследвания върху адаптивното използване на енергийните резерви от животни [12-17]. Докато различните рискове за здравето предполагат, че затлъстяването не е адаптивно, дезадаптивното поведение може да възникне от поведенчески стратегии, които са адаптивни в естествена среда [18,19]. По този начин е вероятно да бъде полезно да се разбере как селекцията в естествена среда е довела до стратегии за хранене, които сега насърчават постоянното затлъстяване [17,20–22]. Тоест, трябва да идентифицираме предизвикателствата за околната среда, които са довели до фенотип, който поддържа нездравословно ниво на енергийните резерви.

Обикновено изследователите предполагат, че важното екологично предизвикателство са случайните случаи на недостиг на храна [23]. Пестеливата хипотеза на генотипа за затлъстяването предполага, че съхраняването на мазнини подготвя индивида за глад, който в съвременната среда никога не настъпва [20,24,25]. Предполага се, че рискът от глад [25], катаболизъм на важни протеини [26] и намалена имунна функция [17], когато поднорменото тегло е избрано за увеличаване на теглото, когато има храна. Следването на тази стратегия в съвременната западна среда, която е оприличена на „непрекъснат пир“ [27,28], може да доведе до наднормено тегло и затлъстяване. Въпреки това, в предмодерната среда е малко вероятно недостигът на храна да е достатъчно често срещан, за да предотврати наднорменото тегло на животните, нито е случаят, че наличността на храна е едва достатъчна, за да поддържа енергийния баланс през останалото време. Освен това не е ясно защо животните са развили желанието си да съхраняват излишните мазнини, но не и да избегнат разходите за заболеваемост от наднормено тегло или затлъстяване, защото ако животните ще наддават на голямо тегло, когато е възможно, бихме очаквали, че естественият подбор би са намалили или премахнали здравните разходи при наднормено тегло.

Моделът

Смятаме, че естественият подбор върху животното (напр. Хората, които събират ловци от палеолита) е довел до стратегия за съхранение на мазнини, която свежда до минимум общата смъртност [29,39]. Стратегията се определя от две целеви нива на мазнини: количеството мазнини, което трябва да се съхранява при нормални условия (F N) и нивото на мазнините, които трябва да се натрупат по време на пренасищането (F G). Помислете за животното при нормални условия. Да предположим, че животното се редува между хранене и почивка, за да поддържа запасите си от мазнини на ниво х. Животното ще бъде обект на три източника на смъртност; риск от хищничество при търсене на храна, риск от глад в случай на недостиг на храна и смъртност поради нивото на пренасяните мазнини. Нека A (x) означава средната смъртност на това животно. Тогава за интервал от време с дължина T вероятността животното да не умре е

По този начин за всяко T вероятността да оцелее през времевия интервал се увеличава, като се избере x, за да се минимизира A (x). Ние обозначаваме нивото на мастните резерви x, при което този минимум се постига с F N * .

Сега да предположим, че животното поддържа запаси при F N *, когато се появи рядко пренасищане с храна. Предполагаме, че по време на пренасищане животното може да натрупа толкова много мазнини, колкото харесва, много бързо и че през това време скоростта на хищничество е незначителна в сравнение с изходното ниво. До края на това време условията се нормализираха. Натрупването на мазнини по време на пренасищане дава възможност на животното да се откаже от търсенето на храна за времето, необходимо на нивата на мазнини да спаднат от F G до F N, и така да се избегне рискът от хищничество през това време. Въпреки това, смъртността, свързана със затлъстяването, се увеличава с F G, което ограничава ползата от мазнини и води до компромис между свързаната със затлъстяването смъртност и смъртността от хищничество (Фигура 1).

разходите

Двете илюстрирани стратегии имат една и съща цел при нормални условия (F N), но различни стойности на F G. По-високият F G означава, че когато настъпи пренасищане, резервите се увеличават с по-голямо количество, което позволява на животното да избягва храна за дълго време, преди резервите да намалеят до F N. Въпреки това, при толкова високи резерви смъртността от затлъстяване е по-висока. По-ниският F G избягва периода на много високи резерви (обозначен като „допълнителни разходи за затлъстяване“), но достига F N по-рано и така води до допълнителна смъртност от хищничество („допълнително време, изложено на хищничество“).

Процент на смъртност при оптимална стратегия

Тук показваме, че животното трябва да натрупа резерви по време на пренасищане до нивото, при което общата смъртност при почивка е равна на общата смъртност при нормални условия. Ние обозначаваме критичните нива на F N и F G, които минимизират общата смъртност съответно с F N * и F G *. Тъй като глутатите са рядкост, F N * не се влияе от това, което се случва по време на глутатусите и просто свежда до минимум общата смъртност при нормални условия. Да предположим, че по време на пренасищането животното изгражда запасите си от мазнини до ниво y и това натрупване е по същество моментално и се постига без допълнителен риск от хищничество. След това животното почива, докато мастните запаси отново не паднат до F N *. Да предположим, че това отнема време τ (y). След като запасите от мазнини спаднат до F N *, животното поддържа запасите си на това ниво. Тогава вероятността животното да е все още живо време T след пренасищането (където T> τ (y)) е

където R (x) е степента на смъртност, докато почива на ниво резерв x, а x (t) е мастните запаси на животното в момент t. Пренаписваме тази вероятност за оцеляване като

Тъй като вторият интеграл не зависи от y, оцеляването се максимизира (за всички T> τ (y)) чрез минимизиране

Промяната на интеграла на единица по x, а не t (използвайки факта, че x (0) = y и x (τ (y)) = F N *) дава

Диференцирайки се по отношение на y получаваме

Имайте предвид, че тъй като резервите намаляват по време на почивка, имаме - d t d x (x)> 0 за всички резерви x.

Тъй като почивката води до по-ниска смъртност от активната храна, имаме R (FN *) A (FN *), така че I ′ (FN *) R (y)> A (FN *) за всички достатъчно големи y, така че I ′ (Y)> 0 за всички достатъчно големи y. Тогава I (y) има минимална стойност при някаква стойност y = F G *, която удовлетворява I ′ (F G *) = 0. От уравнение (1) следва, че

Тоест, оптималният F G е нивото на резервите, при което общата смъртност, когато не се търси храна (т.е. поради глад и затлъстяване, но не и хищничество), е равна на общата смъртност при нормални условия при поддържане на нивата на мазнини при F N *. За да разберете този резултат, припомнете си, че натрупването на мазнини по време на пренасищане позволява на животното да си почине известно време от хищници. Колкото повече мазнини се поставят, толкова по-дълъг е периодът на почивка. Ако приемем, че в началото на периода на почивка нивото на мазнини е по-високо от нормалното, а смъртността по време на почивка е по-малка от нормалната смъртност, струва си да се сложи повече мазнина, за да се удължи още повече периода на почивка.

Последици за затлъстяването

В много съвременни човешки общества и изкуствената среда, в която се отглеждат домашни животни, храната винаги е в изобилие (т.е. пренасищането е обичайното състояние). Ако не е имало достатъчно време, за да може естественият подбор да действа върху предмодерните адаптации, тогава животните все още спазват правилото, което е подходящо за естествената среда, в която глутусите са рядкост и нивото на мазнините им винаги ще бъде F G *. От нашия резултат следва, че смъртността (от глад и свързано със затлъстяването заболяване) в настоящата среда, свободна от хищници, трябва да се равнява на средната смъртност в средата, в която са еволюирали животните (включително хората). Тъй като степента на глад вероятно ще бъде малка, когато човекът има големи запаси от мазнини, заключаваме, че смъртността, свързана със затлъстяването, при постоянни условия на пренасищане трябва да бъде приблизително равна на средната обща смъртност в предмодерната среда.

Фигура 2 илюстрира този резултат за някои примерни форми и параметри на функциите на смъртност (вж. Приложението). За тези функции по-голямата част от смъртността при нормални условия се дължи на хищничество, в съответствие с много наблюдения на диви животни (напр. [40,41–44]), а смъртността, свързана със затлъстяването, е рядка, но налична, в съответствие с наблюдението, че хората със затлъстяване страдат, но по-рядко страдат от заболявания, свързани със затлъстяването [3–6]. В резултат на това резултатът ни означава, че сегашната смъртност, свързана със затлъстяването, е приблизително равна на смъртността от хищничество в естествената среда.

Смъртността от глад (m S, зелена линия) бързо намалява с увеличаване на запасите от мазнини x и е значителна само при ниски резерви. Смъртността от затлъстяване (m B, синя линия) е малка при ниски резерви и нараства с ускоряваща се скорост. Смъртността поради хищничество по време на търсене на храна (m P, червена линия) се увеличава с резерви. Оптималното нормално ниво на мазнини F N * е най-малкото от сумата на смъртността при нормални условия (m S + m B + αm P). По време на пренасищане животното трябва да се храни до ниво на резерви F G *, където смъртността от затлъстяване причинява общата смъртност (без m P, което е нула, докато си почива) да се равнява на тази при F N * (пунктирани линии). След това може да си почине, избягвайки риска от хищничество, докато запасите му паднат до F N *, след което трябва да започне отново да се храни, преди да претърпи голямо увеличение на смъртността поради ниските резерви. Стойности на параметрите: γ = 10, ψ = 3, μ = 0,005, ϕ = 2, β = 3, κ = 0,01, ρ = 0,0001.

Тъй като рискът от хищничество се увеличава, животните трябва да са с по-малко мазнини при нормални условия, за да се намали рискът от хищничество, и да се хранят повече в глута, за да се осигури по-дълъг период на почивка (Фигура 3А) Следователно смъртността в глутатите ще се увеличи с риск от естествено хищничество (Фигура 3В). Тъй като цената на затлъстяването (κ) намалява, увеличаването на теглото по време на корема се увеличава (фиг. 3В), смъртността при нормални условия намалява, докато смъртността при постоянни условия на пренасищане може дори да се увеличи (фиг. 3D). Това означава, че намаляването на цената на наднорменото тегло може да не намали прогнозираната степен на смъртност, зависима от затлъстяване по време на постоянен пренасищане и дори може да го увеличи, тъй като по-ниските разходи водят до по-голямо съхранение на мазнини в пренасищането (т.е. Вече можем да отговорим на следния въпрос: Ако носенето на големи натоварвания с мазнини е имало здравословни разходи, защо естественият подбор не е повлиял на нашата физиология, за да намали тези разходи? В контекста на нашия модел, пагубните ефекти от високите нива на мазнини най-вече биха действали в кратък период след редки проблеми. Това предполага, че селективният натиск върху животните за промяна на физиологията им е нисък. Освен това, всеки подбор, който действа, за да намали присъщите здравни разходи при затлъстяването, би могъл да доведе до контраинтуитивно увеличаване на затлъстяването (и смъртността, свързана със затлъстяването) при условия на постоянна засищане.

Имайте предвид, че смъртността от затлъстяване при нормални условия винаги е много малка и че при ниска κ смъртността при постоянни условия на пренасищане се увеличава (до малка степен) с намаляване на κ. Стойности на базовите параметри: γ = 10, ψ = 3, μ = 0,005, ϕ = 2, β = 3, κ = 0,01, ρ = 0,0001.

Дискусия

Нашият опростен еволюционен модел предлага нова хипотеза за функционалните причини за затлъстяването при домашни животни (напр. Хора, домашни любимци и лабораторни субекти) в променена среда, към която те все още не са адаптирани, където храната е в изобилие и храненето не носи риск от хищничество. Хората с наднормено тегло не наддават безкрайно, но поддържат дадено, високо ниво на мастни резерви [10,45]. Всяко обяснение за затлъстяването трябва да съдържа причини, поради които подборът не е довел до система за контрол на теглото, която избягва да съхранява неадаптивно ниво на мазнини, защо системата изглежда защитава твърде високо ниво на мазнини и как наднорменото тегло все още може да бъде нездравословно, ако адаптивните стратегии за съхранение на мазнини водят до появата му. Нашият модел предполага, че всичко това са последици от изкуствена среда, която предизвиква адаптивна реакция. Тоест, селективният натиск от рисковано хранене и променливото предлагане на храна благоприятстват стратегията за хранене, която се опитва да натрупа резерви от мазнини до вредно, фиксирано ниво, когато храната е в изобилие.

Нашите резултати относно ролята на хищничеството (Фиг. 3А и 3С) ни позволяват да спекулираме относно възможна причина за вариабилност между отделните индивиди в количеството енергийни резерви, които хората съхраняват. Променливостта на количеството мазнини, съхранявани от индивидите, може да се дължи на променливост в подсъзнателното възприемане на риска, което може да обясни наблюдаваните корелации между затлъстяването и тревожността [2,56]. Освен това, при тази гледна точка не бихме очаквали, че всеки отделен ген ще има силни ефекти върху телесното тегло, тъй като склонността към ядене ще бъде обект на редица генетични и екологични влияния, които всички влияят върху реакцията на риска и ползите. Нашата перспектива ни дава възможност да дадем обяснение, вкоренено в еволюционната теория, защо не всички индивиди стават затлъстели и защо дори популациите в най-богатите общества поддържат много широк диапазон от телесно тегло.

Настоящите усилия за намаляване на честотата на затлъстяване са съсредоточени до голяма степен върху влиянието върху поведението на индивидите, за които се смята, че имат заболяване. Нашите резултати показват, че различна перспектива може да доведе до по-успешни медицински интервенции. В нашия модел хората с наднормено тегло се разглеждат просто като следване на стратегии за хранене, които са били адаптивни при хората от предците, но не и в съвременните условия с постоянен пренасищане. Подобна фундаментална вродена стратегия за осигуряване на оцеляване вероятно ще бъде устойчива на съзнателен контрол и затова не би трябвало да е изненадващо, че лечението на затлъстяването е неефективно [2]. Докато бихме очаквали хората да се адаптират към условията на постоянен пренасищане, това ще се случи само през еволюционното време, отнемащо много поколения. Усилията за намаляване на честотата на затлъстяване, които са фокусирани върху промяна на индивидуалното поведение, ще бъдат неефективни, докато променената хранителна среда задейства по-рано адаптивни поведенчески реакции. Следователно бъдещите изследователски усилия трябва да бъдат фокусирани върху разбирането точно кои аспекти от съвременната среда предизвикват тези естествено подбрани поведенчески реакции.

Приложение: Прилагане на конкретен модел

Тук предоставяме пълно описание на конкретно изпълнение на модела и извеждане на резултатите. Предполагаме, че величините на степента на смъртност от глад (m S), хищничество (m P) и затлъстяване (m B) се контролират съответно от скаларите ρ, μ и κ.

Предполагаме, че при нормални условия животното трябва да определи скоростта на подхранване, за да поддържа енергийния баланс. При скорост на търсене α и разходи за дейност спрямо почивка ψ, степента на използване на енергия е αψ + (1 - α). Наличността на храна е γ и така степента на енергийна печалба е γα, а животното поддържа постоянно ниво на енергийни резерви, така че пренареждането на уравнението на енергийния баланс дава скорост на търсене