En biologie évolutive du vieillissement, une image simple a longtemps régné : après la maturité sexuelle, la mortalité augmente et la fécondité diminue. Or les données des dernières décennies montrent que chez de nombreuses espèces à croissance illimitée, comme le requin du Groenland ou le mollusque océanique Arctica islandica, la mortalité peut diminuer avec l'âge et la fécondité augmenter. On appelle ce phénomène la sénescence négative. Les modèles classiques, y compris la théorie du soma jetable, s'attachent à expliquer le vieillissement lui-même et n'examinent presque pas les conditions dans lesquelles les indicateurs vitaux s'améliorent avec l'âge. Ce travail fait figure de cas à part : dans les archives, il côtoie des études sur la généalogie des tumeurs, sur le vieillissement comme perte de régulation et sur les paysages cellulaires de méthylation, mais il n'a presque aucun voisin direct sur son sujet. Il comble le vide entre les théories de la croissance et les théories du vieillissement, qui se sont développées jusqu'ici séparément.
Les auteurs construisent un modèle mathématique du cycle de vie dans lequel un individu répartit à chaque instant son énergie entre trois postes : la reproduction, la croissance corporelle et la réparation des dommages accumulés. Les dommages s'accumulent avec le temps et augmentent la mortalité, tandis que la croissance corporelle, à l'inverse, la fait baisser. Le destin évolutif d'une stratégie est déterminé par l'analyse de l'invasion d'un mutant rare dans une population de résidents : si le mutant ne parvient pas à évincer le résident, la stratégie du résident est considérée comme imbattable. Pour trouver la répartition optimale de l'énergie, ils utilisent le principe du maximum de Pontryagin, et les solutions numériques sont obtenues avec le logiciel GPOPS-II. Le paramètre clé du modèle est la forme des courbes de rendement des investissements : un rendement linéaire signifie que chaque unité d'énergie supplémentaire apporte un gain identique, tandis qu'un rendement décroissant signifie que le gain ralentit.
Le modèle reproduit deux scénarios contrastés. Si le rendement des investissements dans la croissance et la reproduction est linéaire, l'individu investit d'abord tout dans la croissance, puis bascule vers la reproduction après la maturité. La mortalité prend alors une forme en U, avec un minimum au moment de la maturité, ce qui correspond au vieillissement classique. En revanche, si le rendement des investissements dans la croissance ou la reproduction est décroissant, l'évolution choisit une stratégie de croissance illimitée : l'individu continue de croître après la maturité, et la mortalité commence par diminuer avec l'âge. Cette période de sénescence négative apparaît parce que la croissance fait baisser la mortalité plus vite que l'accumulation des dommages ne la fait monter. Un rendement décroissant de la reproduction prolonge la période de sénescence négative, en maintenant les investissements dans la croissance à un niveau élevé. La réparation du corps n'apparaît dans la stratégie optimale que si son rendement est décroissant, ou si le rendement de la croissance et de la reproduction est décroissant en même temps. Dans les exemples numériques, la mortalité pendant la période de sénescence négative chute d'environ 20–30 % par rapport à sa valeur maximale.
Ce travail montre que la sénescence négative n'est pas une exception exotique, mais qu'elle découle naturellement du compromis évolutif entre croissance, reproduction et réparation du corps. Contrairement aux travaux voisins, qui envisagent le vieillissement comme une perte de régulation ou une accumulation d'erreurs épigénétiques, ce modèle place au premier plan le budget énergétique et la forme des courbes de rendement. Il relie deux phénomènes jusque-là disjoints : la croissance illimitée et l'amélioration des indicateurs vitaux avec l'âge. La principale différence avec la théorie classique du soma jetable, c'est que la réparation du corps n'est pas ici le seul moyen de lutter contre le vieillissement : la croissance en elle-même peut faire baisser la mortalité si les individus plus grands ont un avantage.
Le modèle peut être étendu au cas de la reproduction sexuée et aux différences de répartition de l'énergie entre les sexes. Une autre direction consiste à prendre en compte la saisonnalité et l'instabilité du milieu, qui influencent la croissance optimale. Il serait également intéressant de vérifier comment les prédictions changent si la mortalité dépend non seulement de la taille, mais aussi de la vitesse de croissance. À terme, le modèle pourrait être paramétré avec les données d'observations à long terme de certaines espèces à croissance illimitée, afin de prédire quantitativement la forme des courbes de mortalité.
Les résultats sont importants pour la biologie évolutive du vieillissement, la démographie et la biologie comparée des cycles de vie. Ils fournissent une base théorique pour interpréter les données sur les espèces à sénescence négative et pour en découvrir de nouvelles.
La prochaine étape consiste à recueillir des données sur la forme des courbes de rendement des investissements dans la croissance et la reproduction chez les espèces à croissance illimitée. On pourra ensuite vérifier si les espèces dont le rendement décroissant est plus marqué présentent réellement une période de sénescence négative plus longue.
Ce travail est directement lié à un problème non résolu de la biologie évolutive : pourquoi certaines espèces vieillissent et d'autres non. Il propose un mécanisme susceptible d'expliquer la diversité observée des schémas de vieillissement dans la nature. Reste ouverte la question de savoir dans quelle mesure le lien entre la forme des courbes de rendement et le type de vieillissement est universel en dehors des conditions examinées dans le modèle.
Le requin du Groenland peut vivre plus de 400 ans, et sa mortalité ne semble pas augmenter avec l'âge. Le modèle prédit que chez ces espèces, le rendement des investissements dans la croissance ou la reproduction doit être plus fortement décroissant que chez les espèces à vieillissement classique.
Non publié sur arXiv. Voici sa page, le PDF et la formalisation : vous pouvez vérifier vous-même, pas seulement lire notre analyse.