Кислород. Молекула, изменившая мир: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Справедливость гипотезы зависит от ее предсказательной способности. Если для выживания и воспроизведения требуется энергия или ресурсы, источник которых ограничен, должно существовать какое-то оптимальное равновесие, когда на одной чаше весов находится поддержание сохранности тела, а на другой — успешность воспроизведения. Это оптимальное равновесие должно быть разным для разных видов организмов в зависимости от среды обитания, конкуренции, фертильности и других факторов. В таком случае должна существовать общая зависимость между продолжительностью жизни вида и его плодовитостью (количеством детенышей за репродуктивный период). Более того, факторы, увеличивающие продолжительность жизни, должны снижать плодовитость, и наоборот. Существуют ли такие закономерности в природе?

Несмотря на все сложности определения максимальной продолжительности жизни и репродуктивного потенциала животных в дикой природе и даже в зоопарках, ответ на этот вопрос однозначно положительный. За некоторыми исключениями, обычно связанными с особенностями существования, наблюдается строгая обратная зависимость между максимальной продолжительностью жизни и плодовитостью вида. Например, мыши начинают размножаться в возрасте шести недель от роду, приносят ежегодно несколько приплодов и живут всего около трех лет. Домашние кошки первый раз приносят котят примерно в год, дают два или три приплода в год и живут 15 — 20 лет. Травоядные животные обычно производят детенышей один раз в год и живут 30 — 40 лет. Вывод такой, что за высокую плодовитость приходится расплачиваться малой продолжительностью жизни, а при большой продолжительности жизни наблюдается низкая плодовитость.

А верно ли, что факторы, повышающие продолжительность жизни, снижают плодовитость? Целый ряд данных подтверждает эту идею. Например, при ограничении калорийности питания, когда животных переводят на сбалансированную, но низкокалорийную диету, продолжительность жизни возрастает на 30 — 50%, но плодовитость в этот период снижается. В главе 13 мы обсудим молекулярные основы этой закономерности, которые только начинают вырисовываться, хотя впервые эта идея была высказана в 1930-х гг. Тем не менее суть этой закономерности в дикой природе ясна: при недостатке пищи неограниченное воспроизведение угрожает жизни и родителей, и потомства. Модель ограничения калорийности питания отражает картину умеренного голода и усиления общего стрессового ответа организма. Когда голодные времена позади, животные вновь начинают нормально размножаться. Но если цель стрессового ответа заключается в том, чтобы сохранить животным жизнь до наступления лучших времен, мы действительно должны наблюдать обратную зависимость между выживаемостью и плодовитостью. Известны ли примеры менее экстремальных ситуаций?

Иногда в дикой природе можно наблюдать отбор долгожителей. В начале 1990-х гг. зоолог Стивен Аустад, работавший в Гарварде, изучал продолжительность жизни, старение и плодовитость виргинского опоссума — единственного сумчатого животного североамериканского континента. Опоссума считают одним из самых глупых животных; отношение размера головного мозга к общему размеру тела у него меньше, чем у большинства млекопитающих. Опоссумы являются легкой добычей для хищников. Их излюбленный способ защиты — притворяться мертвыми, со всеми печальными и предсказуемыми последствиями. В горах Виргинии опоссумы редко живут дольше 18 месяцев (более половины становятся добычей хищников, а те, кого не съедают, очень быстро стареют). Но благодаря невероятной плодовитости они до сих пор не вымерли и даже распространились. В среднем за один сезон самка приносит два приплода по 8 — 10 детенышей в каждом.

Аустад решил узнать, как изменяется продолжительность жизни и плодовитость опоссумов, если им не угрожают хищники. Подходящим местом для эксперимента оказался остров Сапело у берегов Джорджии, где опоссумы, по-видимому, живут уже на протяжении 4000 или 5000 лет. Условия эксперимента позволяют проверить теорию одноразовой сомы. В соответствии с теорией эволюции в среде, где нет хищников, опоссумы стареют медленнее. Животные с большей продолжительностью жизни дольше приносят потомство, и, следовательно, естественный отбор благоприятствует их выживанию по сравнению с короткоживущими особями. Однако существует два варианта развития событий, и это позволяет пролить свет на механизм старения. Если старение — просто результат накопления повреждений, замедление этого процесса должно увеличивать продолжительность жизни, но не влиять на плодовитость в более молодом возрасте. Напротив, если цена здоровой старости — снижение плодовитости, мы должны наблюдать иную картину: увеличение продолжительности жизни достигается за счет снижения плодовитости в ранние годы.

В эксперименте с опоссумами наблюдалась вторая ситуация. Аустад наблюдал за 70 опоссумами в горах Виргинии и на острове Сапело. Он подтвердил, что материковые опоссумы после 18 месяцев очень быстро старели, так что в их жизни был лишь один сезон размножения. Только 8% особей доживали до второго сезона размножения, и никто не доживал до третьего. В среднем самки приносили по восемь детенышей за один сезон. Напротив, островные животные старели значительно медленнее. Примерно половина самок доживала до второго сезона размножения, и 9% — до третьего. Биохимические параметры старения (образование перекрестных сшивок коллагена в хвосте животных — тот же самый процесс, с которым связано появление морщин у нас на коже) показали, что островные животные стареют примерно в два раза медленнее своих материковых сородичей. Но важно, что в каждом помете островных животных было не восемь детенышей, а пять или шесть. Количество детенышей в первом и втором помете было одинаковым, и это означает, что плодовитость не снижается с возрастом, а перераспределяется в зависимости от продолжительности жизни.

Аналогичные наблюдения были сделаны и в отношении других животных, обитающих даже в менее изолированной среде. Например, продолжительность жизни и плодовитость рыбок гуппи (пресноводных южноамериканских рыбок, названных по имени священника Р. Дж. Л. Гуппи, который прислал первые образцы рыбок из Тринидада в Музей естественной истории в Лондоне) зависят от количества обитающих в водоеме хищников. При большом числе хищников и высоком уровне смертности наблюдаются быстрое старение и сжатый репродуктивный период. Рыбы, живущие дольше, отличаются сниженной плодовитостью (точнее говоря, более растянутым репродуктивным периодом). Такая же картина наблюдается и для некоторых птиц. Ларс Густавсон сообщал об обратной зависимости между размером выводка и продолжительностью жизни мухоловок на шведском острове Готланд. Птицам приходится расплачиваться за раннее наступление репродуктивного периода: самки, откладывающие больше яиц в начале жизни, позднее приносят меньший приплод по сравнению с теми, у которых первые кладки были небольшими.

Верно ли, что при угрозе выживанию животные начинают воспроизводиться быстрее? Такое явление было бы экологически эквивалентным более быстрой репликации бактерий в условиях облучения или, возможно, нашим собственным попыткам срочно найти полового партнера при прекращении опасности ядерной войны. Безусловно, есть данные в пользу справедливости теории одноразовой сомы, но считать ее окончательно доказанной пока нельзя. Можно ли имитировать эту связь в лабораторном эксперименте, не прибегая к помощи хищников или других факторов, укорачивающих продолжительность жизни?

Примером может служить один классический эксперимент. Дажe в лабораторных условиях за увеличение продолжительности жизни плодовые мушки (дрозофилы) расплачиваются снижением плодовитости. Такой вывод сделал эволюционный биолог Майкл Роуз и его коллеги из Университета Калифорнии в Ирвине. Роуз предположил, что дрозофилы, которые быстрее других достигают половой зрелости, являются cамыми плодовитыми и, следовательно, живут меньше остальных. Напротив, медленно взрослеющие насекомые менее плодовиты, но живут дольше. Для проверки этой гипотезы он поддерживал размножение двух популяций дрозофил. В первой популяции в каждом поколении Роуз собирал первые отложенные яйца и использовал их для выведения следующего поколения. Во второй популяции для выведения следующего поколения он каждый раз брал последнюю кладку. Оказалось, что за 10 поколений продолжительность жизни особей во второй популяции выросла более чем в два раза. Общее количество яиц, отложенных за всю жизнь самками из двух популяций, было примерно одинаковым, однако долгоживущие дрозофилы в отличие от короткоживущих дрозофил приносили меньше потомства в молодом возрасте и больше — в более позднем. Таким образом, даже при отсутствии хищников или каких-то других опасностей имеет место компромисс между продолжительностью жизни и плодовитостью, и за долгожительство приходится платить снижением плодовитости в молодом возрасте.

Может показаться, что компромисс между половым размножением и смертью является самым худшим исходом в худшем из миров. Непорочность в обмен на долгую жизнь? Неужели это подтверждает мрачное высказывание Аристотеля о том, что секс укорачивает жизнь? На самом деле все наоборот. Этот компромисс освобождает нас от догмы о том, что старение неизбежно. Занятия сексом напрямую не связаны с продолжительностью жизни, конечно, если они не противопоказаны по состоянию здоровья. Связь заключается в том, что ресурсы, которые наш вид за время эволюции направлял на воспроизведение, могли быть направлены на поддержание сохранности организма. За миллионы лет эволюции человека установилось равновесие, но теоретически это равновесие можно сдвигать. Всегда считалось, что мы извлекали максимум пользы из имевшихся ресурсов, отпущенных на теоретически вероятный период жизни в дикой природе. Но сегодня никакие из этих условий (ограниченность ресурсов, смерть от зубов хищника, инфекции, травмы) не соответствуют тому, что определяло жизнь наших самых древних предков.

При условии, что гипотеза одноразовой сомы справедлива, можно сделать два предсказания, основанные на перечисленных выше фактах. Во-первых, установившееся оптимальное значение продолжительности жизни можно сдвинуть путем изменения параметров. Изменения продолжительности жизни, о которых мы говорили, происходили на протяжении многих поколений. Если мы хотим увеличить продолжительность нашей собственной жизни за одно поколение, нужно пересмотреть условия договора — гены или биохимические механизмы, определяющие продолжительность жизни. Во-вторых, мы можем в полной мере воспользоваться долгой жизнью, не оставаясь бездетными. Природа предлагает нам иной путь — отсрочить половое созревание.

В следующих главах мы изучим условия этого компромисса и возможность внести в него какие-либо изменения. Однако сначала следует задуматься о нас самих. Можно ли доказать, что продолжительность жизни людей оптимальным образом связана с плодовитостью? Ведь из каждого правила существуют исключения, особенно в биологии. Не является ли исключением человек? Решить этот вопрос напрямую трудно, поскольку мы живем долго и для непосредственных измерений понадобятся десятилетия. Но наблюдения двух типов показывают, что мы не являемся исключением из общего правила.

Первое наблюдение заключается в том, что продолжительность жизни человека намного больше, чем всех других приматов. Плодовитость человекообразных обезьян практически не изменилась за время эволюции. Самки шимпанзе, горилл, орангутанов, как и женщины, рожают примерно одинаковое количество детенышей через каждые два или три года. Но при этом люди живут вдвое дольше, чем гориллы или шимпанзе. Объяснить это различие легко: долгожительство приматов куплено ценой отсроченного полового созревания — долгим периодом взросления. Люди живут вдвое дольше горилл, но период взросления у них длится на одну треть дольше.

Особенно наглядно эта тенденция проявляется в западном обществе. Женщины все позже и позже рожают первого ребенка. По данным Бюро информации по вопросам народонаселения США, лишь 10% европейских женщин рожают первого ребенка до достижения двадцатилетнего возраста, тогда как в развивающихся странах в целом этот показатель составляет около 33%, а в странах Западной Африки — 55%. Среди 15 млн молодых женщин, рожающих ребенка в возрасте от 15 до 19 лет, 13 млн проживают в наименее развитых странах. Пока еще рано говорить о том, идет ли в Европе активный отбор долгожителей, но это вполне вероятно. Мне кажется, вклад данной тенденции окажется более весомым, чем предсказуемые достижения медицины.

Второе наблюдение вытекает из генеалогических изысканий Тома Кирквуда и эпидемиолога Руди Вестендорпа из Университета Лейдена в Голландии. Кирквуд и Вестендорп рассудили, что подробные летописи рождений, смертей и браков британской аристократии могут пролить свет на связь между плодовитостью и продолжительностью жизни. Даже с учетом общей исторической тенденции уменьшения размера семей и увеличения продолжительности жизни они обнаружили, что «в среднем наиболее долго жившие аристократы чаще сталкивались с проблемой бесплодия». Ученые пришли к выводу, что предрасположенность к сравнительно долгой жизни связана со сравнительно низкой плодовитостью.

Мне нравится, что идея одноразовой сомы вполне справедлива для человека. Это хорошая новость в том смысле, что устаревший и выполнивший свою функцию оптимум продолжительности жизни теоретически может быть сдвинут в соответствии с новыми целями и задачами — устранить беды старческого возраста. Гипотеза одноразовой сомы предполагает, что скорость старения определяется количеством ресурсов, отведенных на поддержание сохранности организма. Теперь нам следует рассмотреть вопрос, почему эти ресурсы по мере старения используются менее эффективно. Мы прекрасно чувствуем себя в молодости, когда наша сексуальная энергия высока, почему же потом наступает упадок?

В рамках гипотезы одноразовой сомы нет различий между механистическими теориями старения — теориями программированного или стохастического старения. Может быть, мы запрограммированы затрачивать максимум ресурсов на поддержание организма вплоть до достижения половой зрелости, но затем переключаем ресурсы на воспроизведение и начинаем дряхлеть? Этот процесс легко наблюдать по гормональным изменениям, контролирующим развитие, пубертатный период и климакс. Может быть, так же контролируется и процесс старения? Или,напротив, старение — вовсе не запрограммированный процесс, а постепенное накопление повреждений. Тогда почему мы не начинаем стареть прямо с детства? Почему мы не «чувствуем», что стареем, пока не достигнем среднего возраста? Обо всем этом мы поговорим в следующих главах.

Глава двенадцатая. Ешь или будешь жить вечно! Пища, половое размножение и продолжительность жизни

Немецкий биолог XIX в. Август Вейсман первым обратил внимание на различие между бессмертными зародышевыми клетками и смертными клетками тела. Он также первым задумался о проблеме старения в свете теории Дарвина. Вейсман считал, что в условиях ограничения ресурсов родители не должны конкурировать с потомством. Он утверждал, что старение — это способ очистить популяцию от уже ненужных особей и освободить место потомству, но не слишком быстро, чтобы не потерять социальные связи и опыт. Кроме того, смена особей в популяции имеет генетические преимущества. Дело в том, что генетически застывшая популяция — прекрасная мишень для патогенов и хищников. Ведь гораздо легче ограбить банк, если известны все привычки охраны. При смене поколений старые гены составляют новую комбинацию и поэтому в меньшей степени чувствительны к атакам патогенов. Вейсман и его последователи считали, что старение — это адаптация, позволяющая использовать преимущества жизни в обществе и одновременно освобождать пространство для новых индивидов, тем самым поддерживая генетическую подвижность вида.

Большинство современных эволюционных биологов не признают доводы Вейсмана, поскольку он делал акцент на так называемый групповой отбор, а не на индивидуальный. Если старение запрограммировано таким же образом, как, скажем, эмбриональное развитие, пользу получает общество в целом, а не отдельный человек. При обсуждении полового размножения мы видели, что теория происхождения того или иного признака должна оперировать терминами индивидуального отбора. Но даже если групповой отбор не объясняет происхождение старения, возможно, он поддерживает уже возникший его механизм. Эта идея по-прежнему не покидает ученых и, вообще говоря, является концептуальной основой большинства теорий программируемого старения. Какие же факты подтверждают, что групповой отбор поддерживает программу старения?

Учитывая, что животные и растения имеют определенную продолжительность жизни, долгожительство, очевидно, записано на уровне генов. Но это не означает, что существует какая-то формальная генетическая программа, как не существует программы, определяющей, что автомобиль должен выйти из строя через 20 лет. Детали автомобиля изначально конструируют таким образом, чтобы они могли прослужить определенный срок, и тот факт, что они изнашиваются одновременно, не указывает на наличие какой-то скрытой программы. Рассказывают, что однажды Генри Форд посетил свалку старых автомобилей «Форд-ТS» и поинтересовался, есть ли на этих машинах неизношенные детали. Ему ответили, что у всех машин исправна рулевая колонка. Тогда Форд велел ведущему инженеру переделать рулевые колонки — раз они не ломаются, вероятно, они обходятся фирме слишком дорого.

Естественный отбор действует аналогичным образом. Когда какой-то орган работает достаточно хорошо, так что его недостатки не оказывают негативного влияния на функционирование системы в целом, естественный отбор не имеет возможности исправить эти недостатки. Напротив, когда в некоторых случаях орган работает лучше, чем требуется, накопление случайных мутаций на протяжении нескольких поколений постепенно снизит эффективность его работы до допустимого уровня, на котором его будет поддерживать естественный отбор. По этой причине те животные, недавно (в эволюционном плане) адаптировавшиеся к жизни в постоянной темноте в пещерах или на дне океана, часто имеют рудиментарные глаза, которые уже не выполняют своей функции. Деградация до общего знаменателя вполне может объяснить наблюдаемое синхронное возрастное изнашивание органов и систем. Как заметил Джон Мейнард Смит, «синхронный коллапс не означает, что существует какой-то единый механизм старения».

Наиболее отчетливое впечатление о запрограммированном характере старения создается при изучении животных, развивающихся по сценарию «катастрофического старения». Самый известный пример — тихоокеанский лосось, но есть и другие, такие как бабочки-подёнки, сумчатые мыши Antechinus и осьминог Octopus hummelincki. Тихоокеанский лосось выводится в небольших пресноводных ручьях, откуда мигрирует в океан. Взрослые особи проделывают длиннейший путь, возвращаясь к месту своего рождения, где мечут большое количество икры и спермы. После этого всего за несколько недель они стареют и умирают, а их разлагающиеся тела обогащают местную пищевую цепь — в конечном итоге благоприятствуя развитию их же потомства. Эти процессы направляются гормонами и способствуют развитию популяции (потомства в целом), а не отдельных особей (родителей). Разве это не пример группового отбора, приводящий к программированному старению, о котором говорил Вейсман? Данный процесс получил название феноптоза, или программированного разрушения фенотипа, по аналогии с апоптозом — программированной гибелью клетки.

Необходимо отметить, что даже в примере с лососем есть исключения из правила. Так, атлантический лосось мигрирует на более короткие расстояния и способен размножаться несколько сезонов; он не вписывается в сценарий «катастрофического старения». И мы ошибемся, если станем рассматривать ситуацию с тихоокеанским лососем как модель человеческого старения. Тем не менее мы не сможем полностью отказаться от идеи программированного старения, пока не объясним особенностей тихоокеанского лосося. Впрочем, за ответом далеко ходить не надо. Причина подобного поведения заключается в способе размножения: тихоокеанский лосось, подёнки, сумчатая мышь и О. hummelincki являются семельпарными организмами — они размножаются всего один раз в жизни. Итеропарные организмы, которые размножаются несколько раз, обычно стареют медленнее.

Вспомним о гипотезе одноразовой сомы и о компромиссе между половым размножением и выживанием. Если существо спаривается всего один раз и не выращивает свое потомство, его выживание после размножения никак не влияет на генетическое содержание следующих поколений. Все селективное давление реализуется в сжатые сроки в начале жизненного пути — во время репродуктивного периода. Чтобы понять, почему это важно, представьте себе, что какие-то особи спариваются интенсивнее остальных, возможно, поскольку производят чуть больше тестостерона или эстрогена. Результатом этих усилий является более многочисленное потомство, но цена — выживаемость родителей. Если бы такой родитель занимался воспитанием потомства, естественный отбор замечал бы разницу и противодействовал бы ей, но в случае семельпарного лосося, не имеющего контакта с потомством, слепой часовщик остается безразличным. В популяции начинают преобладать наиболее плодовитые короткоживущие лососи. Почти случайно отбор благоприятствует интенсивному выделению половых гормонов, что обеспечивает максимальную эффективность размножения. Если бы мы измеряли гормональные изменения в организме тихоокеанского лосося, мы, совершенно очевидно, наблюдали бы картину программируемого старения, однако, на самом деле, гормональные изменения почти наверняка вторичны по отношению к необходимости размножения. И не они запускают механизм старения. Таким образом, «катастрофическое старение» тихоокеанского лосося объясняется в рамках идеи одноразовой сомы: все ресурсы организма направляются на размножение при полном безразличии к генам, отвечающим за продолжительность жизни.

Такой же аргумент справедлив и для итеропарных организмов. В данном случае важным параметром является не единственная возможность спаривания, а репродуктивный возраст, ограниченный вероятностью смерти. Вспомните, что долгоживущие животные размножаются медленнее. Если они попадают в зубы хищнику, они оставляют менее многочисленное потомство. Поэтому в популяции тоже преобладают короткоживущие, способные к воспроизведению особи, а долгожители устраняются естественным отбором. Именно это происходит с животными, которые в наибольшей степени страдают от нападений хищников, как опоссумы. Но, когда угроза нападения хищников ослабевает, отбор благоприятствует долгожителям — хотя бы по той причине, что чем меньше детенышей в помете, тем выше их шанс на выживание. В дикой природе организмы с низким уровнем смертности живут дольше, поскольку их не наказывают за медленное размножение. Такая ситуация наблюдается в случае островных опоссумов, а также птиц, летучих мышей, черепах, общественных насекомых и людей. Они живут долго, поскольку защищены от хищников способностью летать, твердым панцирем, социальной организацией или разумом.

Естественный отбор благоприятствует долгожительству еще и при условии, что родители обеспечивают выживание потомства. Если воспитание ребенка повышает его шансы на выживание, происходит отбор генов долгожительства. Это не подарок матери-природы, не проявление духа альтруизма, а действие механизма, противоположного механизму «катастрофического старения». В популяции особей с обычным распределением генов долгожительства родители, живущие дольше, обеспечивают большую поддержку своим детям, и эти дети с большей вероятностью доживут до взрослого возраста. Они, конечно же, унаследуют от родителей часть генов долгожительства, так что их собственные дети тоже получат от этого выгоду. Так происходит отбор долгоживущих особей (при условии, что фактор «случайной» смерти незначителен).

Том Кирквуд и Стивен Аустад утверждали, что климакс — одно из проявлений этого механизма. Для женщин старшего возраста равновесие между размножением и выживанием самопроизвольно смещается в сторону выживания. Пожилые женщины приносят больше пользы в биологическом плане за счет того, что выращивают, а не рожают детей. Беременность в пожилом возрасте сопряжена с высоким уровнем риска, тогда как долгая жизнь помогает вырастить детей или внуков — вот в чем смысл климакса. К мужчинам это не относится, они не рожают детей, не переживают климакс и в среднем умирают раньше. В эволюционном плане продолжительность жизни отцов не связана с количеством детей.

Во всех рассмотренных примерах преимущества длинной или короткой жизни определяются на индивидуальном уровне. Мы замкнули круг. Эта точка зрения полностью противоположна теории Вейсмана, о которой мы говорили в начале главы. Вейсман утверждал, что запрограммированное на индивидуальном уровне старение служит на благо вида в целом. На самом деле, даже «катастрофическое старение» гораздо лучше объясняется в терминах гипотезы одноразовой сомы и эгоистического индивидуального отбора: если жизнь коротка, организмы успевают передать больше собственных генов, если быстро размножаются. Затраты на размножение снижают вероятность выживания, поскольку подпитываются из того же источника. Поэтому продолжительность жизни и скорость размножения приходят к оптимальному равновесию. Если времени достаточно, отбор благоприятствует более долгоживущим организмам, особенно когда родители участвуют в воспитании потомства.

Во всех перечисленных случаях генетическое равновесие переустанавливается самопроизвольно за счет механизма отбора. Нет необходимости программировать старение, и нет никаких доказательств существования такой программы. Но даже безо всякой программы возрастные изменения, безусловно, записаны на генетическом уровне. К счастью, люди не следуют сценарию «катастрофического старения» после рождения детей, скорее, потихоньку «засыпают». Но если старение связано с генами, но не запрограммировано, каков же его механизм?