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

Нечувствительность к инсулину убеждает организм в том, что пища драгоценна, что мы голодаем, даже когда это не так (аналогия с сенсорной депривацией у нематод). И переключатель срабатывает так же — от размножения к долгожительству. Если человек с «бережливым генотипом» питается углеводами, уровень глюкозы в крови может контролироваться только путем дополнительного повышения уровня инсулина. В результате через несколько лет отказывает поджелудочная железа. Образуется меньше инсулина. А снижение секреции инсулина в сочетании с нечувствительностью к инсулину приводят к тому, что уровень глюкозы в крови уже не контролируется. Так развивается диабет II типа. Все ужасные осложнения заболевания вторичны по отношению к потере контроля над уровнем глюкозы и липидов.

У европейцев диабет II типа распространен в меньшей степени, чем у людей, чьи непосредственные предки были охотниками и собирателями. По-видимому, предки европейцев каким-то образом избежали самого строгого отбора «бережливого генотипа». Причины не до конца ясны, но могут быть связаны с развитием сельского хозяйства и особенно с производством молока. В молоке много лактозы — ценного источника глюкозы. Под действием фермента лактазы лактоза распадается с высвобождением глюкозы. Все младенцы, которых кормят грудным молоком, имеют лактазу, но часто во взрослом возрасте фермент перестает вырабатываться. Потеря фермента является причиной непереносимости лактозы; из-за этого многие люди не могут переваривать сыр и другие молочные продукты. Большинство европейцев и азиатов адаптировались к употреблению молока, поскольку издавна использовали молоко одомашненных коров, но другие народы, в том числе американские аборигены и жители тихоокеанских островов, никогда не приручали молочный скот и в большинстве своем не переваривают лактозу. Таким образом, они лишены самого важного сельскохозяйственного источника сахара. Мы не знаем, свидетельствует ли способность переваривать лактозу об отсутствии «бережливого генотипа» у европейцев, но нам известно, что все группы населения, переваривающие лактозу, меньше подвержены диабету. Напротив, все группы населения с непереносимостью лактозы в значительной степени страдают от диабета.

Дело тут не в самой лактозе. Когда высокий уровень сахара в крови становится нормой, естественный отбор наказывает носителей «бережливого генотипа». Именно это и произошло с жителями Науру. Рацион питания и образ жизни этих людей не изменились с 1980-х гг., когда распространенность диабета достигла максимума, но теперь эти показатели начинают снижаться. Причина заключается в том, что генетическая нечувствительность к инсулину («бережливый генотип») сейчас наблюдается лишь у 9% молодых людей, что на две трети меньше, чем в конце 1980-х гг. Сокращение числа случаев диабета отражает работу естественного отбора: среди людей с диабетом показатели смертности превышали показатели рождаемости.

Таким образом, результатом нечувствительности к инсулину в современных условиях, когда мы не голодаем, является не долгожительство, а диабет. Однако механизм, противопоставляющий воспроизведение и продолжительность жизни, сохранился и у нематод, и у людей. Инсулин давит на генетический переключатель, который готовит организм к воспроизведению. Это позволяет объяснить частое возникновение проблемы бесплодия у диабетиков: диабет — слабая попытка организма выжить путем подавления размножения. Нечувствительность к инсулину заставляет организм запасать пищу и приготовиться к выживанию в тяжелые времена. Адаптация к тяжелым временам включает в себя устойчивость к стрессу и подавление метаболизма на уровне отдельных клеток, другими словами, перераспределение энергии, сопровождающееся сном и увеличением массы тела, как у нематод. Однако, в отличие от нематод, переходящих в состояние спящей личинки, люди просто продолжают есть. Тем не менее изучение диабета у человека и генетический анализ нематод указывают на центральную роль метаболических изменений и стрессовых реакций в процессах старения. Вот так мы с вами подошли к теме многолетних эмпирических исследований связи между кислородом и скоростью жизни. В следующей главе мы поговорим о том, почему быстрый метаболизм в сочетании с низкой устойчивостью к стрессу укорачивают жизнь, а медленный метаболизм и высокая устойчивость к стрессу оказывают обратное действие. Мы также рассмотрим возможности сочетания быстрого метаболизма и высокой устойчивости к стрессу.

Глава тринадцатая. Изобретение полов. Скорость жизни и система двух полов

Знаменитый биолог Раймонд Перл из Университета Джона Хопкинса в значительной степени повлиял на развитие биологии начала ХХ в. Этот очень высокий, надменный и яркий человек заметно выделялся среди своих коллег. Он написал более 700 научных статей и 17 книг, не говоря о многочисленных газетных публикациях. Он был одним из отцов-основателей биометрии (статистических методов в биологии и медицине), но сегодня его прежде всего вспоминают в связи с теорией старения, которую он назвал «теорией скорости жизни». Он изучал влияние температуры на развитие дрозофил: чем выше температура, тем меньше живут дрозофилы. Связь между температурой и продолжительностью жизни напоминает связь между температурой и скоростью химической реакции. Это говорит о том, что метаболические реакции тоже ускоряются при увеличении температуры. Повышение температуры окружающей среды от 18 до 23 °С вдвое снижало продолжительность жизни дрозофил и вдвое увеличивало скорость их метаболизма, так что в единицу времени они потребляли вдвое больше кислорода. Перл обратил внимание, что малая продолжительность жизни трясущихся мутантных дрозофил тоже связана с высокой скоростью метаболизма. Его вывод был таков: будешь жить быстро — умрешь молодым. Эту идею он изложил в статье «Почему ленивые люди живут дольше», опубликованной в газете Baltimore Sun в 1927 г.

Теория Перла основана на эмпирическом наблюдении, заключающемся в том, что длительность жизни животных определяется фиксированным числом сердцебиений. Измерив частоту сердечных сокращений мыши и умножив ее на продолжительность жизни мыши, можно получить значение, которое примерно одинаково для большинства млекопитающих, будь то лошадь, корова, кошка, собака или морская свинка. То же самое относится к таким показателям, как общий объем прокачиваемой крови, количество сжигаемой глюкозы или общая масса синтезированных белков. Все эти показатели связаны со скоростью метаболизма, которую принято измерять в единицах количества кислорода, потребляемого за один час. Обычно чем меньше размер животного, тем выше скорость метаболизма, что объясняется необходимостью поддерживать постоянную температуру тела. Сопоставляя скорость метаболизма и продолжительность жизни разных животных, можно получить удивительную зависимость. Максимальная продолжительность жизни лошади составляет 35 лет при скорости основного метаболизма 0,2 л кислорода на килограмм массы тела в час. За всю жизнь лошадь потребляет около 60 тыс. л кислорода на килограмм массы. Белка живет не более семи лет при скорости метаболизма около 1 л кислорода на килограмм в час. За всю жизнь она тоже потребляет около 60 тыс. л кислорода на килограмм. Это соотношение соблюдается практически для всех видов животных. Коэффициент корреляции данной зависимости называют энергетическим потенциалом продолжительности жизни (LEP, от lifetime energy potential).

Сначала об этом потенциале рассуждали в терминах скоростей химических реакций. Но потом была выявлена связь между скоростью метаболизма и скоростью образования свободных радикалов. Дело в том, что какая-то часть кислорода (несколько процентов), расходуемого на метаболические нужды клетки, покидает митохондрии в форме супероксидных радикалов (см. главу 6). За всю жизнь в результате постоянной утечки выделяется весьма значительное количество супероксидных радикалов, возможно, до 2000 л/кг. Если фиксированная доля вдыхаемого кислорода превращается в свободные радикалы, значит, чем выше потребление кислорода, тем больше свободных радикалов образуется в организме. Таким образом, мелкие животные, которые живут быстро и умирают молодыми, теоретически производят больше свободных радикалов. По-видимому, это общее правило. Среди широкого спектра млекопитающих существует строгая обратная зависимость между скоростью образования свободных радикалов и продолжительностью жизни: чем больше радикалов, тем короче жизнь[69].

Впервые о возможной связи между свободными радикалами и старением в 1956 г. заявил молодой химик Денам Харман из Калифорнийского университета в Беркли. До обучения биологии в Стэнфорде Харман семь лет проработал в компании Shell Oil, где изучал химические свойства свободных радикалов. Он быстро понял, что аналогичные процессы могут происходить и в биологических системах. Еще в 1956 г. он настолько четко выразил свою идею, что его формулировка актуальна до сих пор:

Более 50 лет ученые занимаются анализом повреждений клеточных мембран, белков и ДНК под действием свободных радикалов. Никто не сомневается, что свободные радикалы образуются и что наносимые ими повреждения пропорциональны скорости их выделения. Проблема в том, что изначально свободнорадикальная теория старения не учитывала причинно-следственных связей. В быстро стареющих организмах образуется больше свободных радикалов, но означает ли это, что свободные радикалы вызывают старение, являются продуктами старения или представляют собой посторонний фактор, не имеющий прямого отношения к старению? Наилучший способ проверки причинно-следственной связи состоит в изменении параметров, например в увеличении продолжительности жизни с помощью антиоксидантов. Первые эксперименты Хартмана показали, что антиоксиданты могут замедлять старение мышей, но последующие работы этого не подтвердили[70]. Как мы обсуждали в главе 9, пока мы не уверены в том, что пищевые добавки антиоксидантов могут увеличивать продолжительность жизни. А вот сбалансированная диета, по-видимому, корректирует недостаточность витаминов, которая может сократить жизнь. Все эти наблюдения заставили многих исследователей отказаться от идеи о важной роли свободных радикалов в организме.

Однако теория скорости жизни имеет недостаток более общего плана: она не является универсальной даже для теплокровных позвоночных животных. Вот почему выше я говорил о «большинстве млекопитающих». Птицы и летучие мыши меньше подвержены нападениям хищников, поскольку умеют летать, и их продолжительность жизни и скорость метаболизма не укладываются в общую корреляцию. Летучие мыши живут до 20 лет, хотя их скорость метаболизма сравнима с таковой у обычных мышей, живущих не более четырех лет. Скорость метаболизма голубей сравнима с таковой у крыс, но живут они 35 лет — в десять раз дольше несчастных крыс. Самый удивительный пример — колибри. Частота сердечных сокращений у этих птиц составляет от 300 до 1000 ударов в минуту, и, чтобы не впасть в кому от голода, они вынуждены облетать тысячи цветов за день. При таком метаболизме «по правилам» они должны жить год или два, а они живут до десяти лет и более, потребляя за все это время 500 тыс. л кислорода на килограмм массы тела. В целом, если мы умножим объем потребляемого птицами кислорода на их продолжительность жизни, мы придем к выводу, что они подвергаются в десять раз более интенсивному воздействию свободных радикалов, чем короткоживущие млекопитающие, такие как крысы, и в два раза более интенсивному, чем человек. Тот факт, что птицы живут долго при такой высокой скорости метаболизма, часто считают доказательством несостоятельности теории скорости жизни. Однако это суждение справедливо только в том случае, если мы соглашаемся, что всем живым существам отпущено фиксированное число сердцебиений. На самом деле, исключения только подтверждают правило — или хотя бы его модифицированную версию.

Птицы — идеальный объект для проверки гипотезы о связи продолжительности жизни с выделением свободных радикалов, а не с какими-то другими аспектами метаболизма. Если продолжительность жизни связана с метаболизмом в целом, следует ожидать, что скорость образования свободных радикалов различна при разной скорости метаболизма, что мы и наблюдаем в случае большинства млекопитающих. Но если свободные радикалы вызывают старение, а птицы, как мы знаем, расходуют очень много кислорода, это означает, что у птиц есть очень эффективный механизм блокировки выделения свободных радикалов. Другими словами, если свободнорадикальная теория старения справедлива, птицы должны производить меньше свободных радикалов, чем млекопитающие, хотя поглощают гораздо больше кислорода.

Густаво Барха из Университета Комплутенсе в Мадриде занимался этим вопросом на протяжении 1990-х гг., постепенно совершенствуя методы измерения пероксида водорода, выделяющегося из митохондрий птиц и млекопитающих, а также анализируя повреждения митохондриальной и ядерной ДНК. Он обнаружил, что изолированные митохондрии голубей потребляют в три раза больше кислорода, чем митохондрии крыс, выделенные из эквивалентных тканей. Но несмотря на активное поглощение кислорода, митохондрии голубей выделяют в три раза меньше пероксида водорода. Барха заключил, что доля кислорода, превращающегося в свободные радикалы, в организме голубей в 10 раз ниже, чем в организме крысы, что объясняет почти десятикратное различие в продолжительности жизни этих животных. Он получил аналогичные данные для мышей, канареек и длиннохвостыx попугаев. Если это не формальное доказательство, значит, невероятное совпадение (рис. 11).

Почему митохондрии птиц столь совершенны? Возможно, способность летать требует высочайшей эффективности энергетического метаболизма, вне зависимости от продолжительности жизни (необходимое для полета отношение силы мышц к массе тела требует эффективного энергетического метаболизма). Млекопитающие в этом смысле остались далеко позади. Барха обнаружил, что митохондрии птиц лучше удерживают кислород и почти не выделяют свободных радикалов, так что практически весь потребленный кислород превращается в воду. В результате птицам требуется меньше антиоксидантов для поимки ускользнувших радикалов. Это объясняет одну старую загадку — плохую корреляцию между содержанием антиоксидантов и продолжительностью жизни птиц и млекопитающих. Предположение, что птицам для долгой жизни требуется больше антиоксидантов, оказалось неверным, поскольку их митохондрии выделяют гораздо меньше свободных радикалов. С антропоцентрической точки зрения это настоящий удар: гораздо труднее заменить «протекающие» митохондрии, чем принимать «правильные» антиоксиданты. Но есть в этом и позитивная сторона. Даже если пример птиц нам не подходит, эксперименты Бархи подтверждают гипотезу, что свободные радикалы укорачивают жизнь. Мы не можем брать пример с птиц, но, возможно, можем бороться со свободными радикалами?

Мы видели, что продолжительность жизни нематоды можно увеличить. И не нужно отбирать наиболее эффективные митохондрии на протяжении нескольких поколений: следует активировать всего несколько контролирующих генов, таких как daf-16, которые, в свою очередь, контролируют экспрессию многих вспомогательных генов. Многие из них еще не идентифицированы, однако хорошим навигатором на этом пути является устойчивость к стрессу. Не дожидаясь систематической идентификации всех генов, контролируемых геном daf-16, некоторые исследователи занялись измерением уровня экспрессии известных стрессовых белков (так полиция проверяет уже известных преступников до подробного осмотра места преступления). Например, можно предположить, что при стрессе нематоды синтезируют больше супероксиддисмутазы (COP). И это справедливо: в 1999 г. группа японских ученых сообщила об обнаружении долгоживущих мутантных нематод, вырабатывающих значительно больше митохондриальной СОД (см. главу 10), чем нормальные взрослые черви. Мутации гена daf-16 блокировали выработку СОД, следовательно, ген митохондриальной СОД относится к числу генов, контролируемых геном daf-16.Аналогичным образом, в 2001 г. группа ученых из Университета Манчестера сообщала, что у устойчивых к стрессу нематод экспрессия металлотинеина (еще одного индуцируемого стрессом белка, о котором мы упоминали в главе 10) в семь раз превышает нормальный уровень экспрессии.

Это дает основания предположить, что повышение устойчивости к окислительному стрессу служит общим механизмом замедления старения у всех животных, хотя это не всегда проявляется так очевидно, как у нематод. Я хочу выделить три группы взаимосвязанных факторов: во-первых, COД и каталаза, во-вторых, ферменты репарации ДНК, в-третьих, ограничение калорийности питания.

В 1994 г. Уильям Орр и Раджиндер Сохал из Южного методистского университета Далласа опубликовали в журнале Science первые прямые доказательства замедления старения при повышении уровня антиоксидантов в организме. Генно-инженерным путем они создали трансгенных дрозофил, способных синтезировать больше СОД и каталазы. Продолжительность жизни этих дрозофил была примерно на треть больше нормы. Важно заметить, что по отдельности эти ферменты не оказывали никакого влияния на продолжительность жизни: они работали только сообща, и их синтез был координирован. В результате совместного действия ферментов увеличивалась как средняя, так и максимальная продолжительность жизни насекомых, что связывали с их меньшей чувствительностью к ионизирующему излучению и менее выраженному окислительному повреждению ДНК и белков. Кроме того, трансгенные дрозофилы были более активными в пожилом возрасте, что связано примерно с 30%-ным повышением их энергетического потенциала продолжительности жизни (LEP; что эквивалентно увеличению числа сердцебиений за время жизни). Таким образом, повышение уровня СОД и каталазы не просто связано со снижением «скорости жизни»: трансгенные дрозофилы жили с той же скоростью, что и нормальные дрозофилы, но дольше. Более поздние исследования с применением новых генно-инженерных технологий позволили увеличить продолжительность жизни дрозофил на 50%[71].

Необходимость совместного действия СОД и каталазы связана со сложной структурой сети антиоксидантов; конечно же, СОД и каталаза работают не в одиночестве. Устойчивость к стрессу является результатом действия многофакторной системы, включающей в себя эффективный оборот белков и репарацию ДНК — наш второй фактор.

Важнейшую роль репарации ДНК в клетках человека можно проиллюстрировать на примере болезни, при которой эта система не работает. Синдром Вернера — редкое генетическое заболевание, в результате его люди очень быстро стареют. Рано седеют волосы, проявляются другие симптомы старения, включая катаракту, атрофию мышц, уменьшение костной массы, диабет, атеросклероз и рак. Больные обычно умирают в возрасте около 40 лет от сердечно-сосудистых заболеваний и рака. Изучая этот неизлечимый синдром, ученые надеялись больше узнать о процессе старения в целом и помочь всему человечеству. Но спектр симптомов заболевания не является полным отражением нормального старения, так что в конечном итоге ученые сочли синдром Вернера «карикатурой на старение». Однако в 1997 г. было сделано важное открытие — выделен ген, ответственный за развитие синдрома. Этот ген кодирует необычный бифункциональный фермент: одна активность фермента связана с раскручиванием спирали ДНК (геликазная активность), а другая — с вырезанием и заменой неправильных оснований ДНК (экзонуклеазная активность). Таким образом, фермент отвечает за исправление ошибок в ДНК, возникающих в процессе репликации и рекомбинации или в результате спонтанных мутаций, многие из которых возникают под действием свободных радикалов кислорода.

У большинства больных с синдромом Вернера обнаружена мутация геликазной части фермента, поэтому в их клетках невозможна нормальная репарация ДНК. Среди прочего, эта мутация повышает чувствительность клеток к ультрафиолетовому излучению, повреждающему ДНК. Это состояние кардинальным образом отличается от состояния устойчивости к стрессу, которое характеризуется способностью переносить более высокие дозы ультрафиолетового излучения. Таким образом, можно предположить, что ферменты репарации ДНК относятся к числу ферментов, синтез которых усиливается в долгоживущих мутантных организмах, таких как нематоды с мутантным геном daf-2. Хотя это не показано напрямую, мы знаем, что устойчивость к стрессу и долгожительство связаны с более эффективной системой репарации ДНК. Выращивая в культуре клетки животных с разной продолжительностью жизни и облучая их ультрафиолетовым светом или подвергая какому-то другому стрессовому воздействию (например, обработке пероксидом водорода), можно измерить эффективность репарации ДHK. Обычно такие исследования демонстрируют положительную корреляцию между максимальной продолжительностью жизни клеток и их способностью исправлять ошибки в ДНК.

Эти два примера подтверждают, что продолжительность жизни зависит от устойчивости к стрессу, которая (как минимум отчасти) связана с уровнем экспрессии индуцируемых стрессом белков, таких как СОД, каталаза, металлотионеин и ферменты репарации ДНК. На примере переключателя daf-16 показано, что в организме примитивных животных экспрессия этих генов регулируется. Влияние третьего фактора, заключающегося в ограничении калорийности питания, показывает, что даже в организме сложных животных реакция на стресс может регулироваться сравнительно простыми переключателями. Однако эти реакции могут отличаться от реакций в примитивных организмах.

Мы только начинаем понимать, какие механизмы связывают ограничение потребления калорий с продолжительностью жизни. Речь идет об общем количестве калорий, а не об употреблении каких-то определенных продуктов, таких как жиры или углеводы. Низкокалорийная диета подразумевает снижение потребления калорий на 30 — 40% при сохранении сбалансированного потребления разных продуктов. Таким образом, это не то же самое, что недостаточность питания или голод (под которыми обычно понимают снижение калорийности рациона питания на 50 или 60%).

Впервые о влиянии ограничения калорийности питания заговорили в 1930-х гг., и с самого начала эти результаты интерпретировали в рамках теории «скорости жизни»: если меньше есть, снижается скорость метаболизма и потребление кислорода. В таком ключе ограничение калорийности питания казалось делом бессмысленным, хотя продолжительность жизни практически всех животных возрастала на 30 или 50%. Кто захочет жить в полтора раза дольше, если за это нужно платить не только серьезным ограничением рациона питания, но и двукратным снижением уровня жизненной энергии? Даже самый ленивый человек, возможно, предпочтет быть энергичнее и умереть молодым. Но оказалось, что ограничение калорийности питания сказывается гораздо более интересным образом. Для начала, оно совсем не обязательно вызывает снижение скорости метаболизма. Скорость метаболизма, измеренная как потребление кислорода на килограмм мышечной массы, даже возрастает. Таким образом, ограничение калорийности питания может повышать энергетический потенциал продолжительности жизни — организм получает право на дополнительное число сердцебиений. В экспериментах с самцами крыс увеличение продолжительности жизни достигало 50%. Эффект ограничения калорийности питания опосредован согласованными изменениями экспрессии генов. И преимущества для организма весьма существенны. У всех изученных до сих пор животных ограничение калорийности питания замедляет старение, а не только отдаляет наступление смерти. Для грызунов это справедливо в отношении как минимум 80% из 300 симптомов старения, включая физическую активность, поведение, обучение, иммунные реакции, активность ферментов, экспрессию генов, гормональный статус, синтез белков и переносимость глюкозы.

Суммарный эффект ограничения калорийности питания заключается в повышении сопротивляемости стрессу. Снижается уровень глюкозы в крови, что приводит к уменьшению уровня инсулина. Метаболизм переключается от размножения на сохранение здоровья организма. Снижается чувствительность к окислительному стрессу, особенно в тканях с наиболее активным метаболизмом, таких как головной мозг, сердце и скелетные мышцы. Пока мы точно не знаем, как все это происходит. Еще ничего не известно о согласованных изменениях антиоксидантных ферментов. Можно предположить, что имеет место активация ряда генов, ответственных за устойчивость к стрессу, включая гены СОД, каталазы, металлотионеина и ферментов репарации ДНК, но это не совсем так[72]. Казалось бы, какая разница, если такое изменение образа жизни благотворно скажется на состоянии человека. Но выводы делать рано. Любые прямые испытания будут длиться несколько десятилетий.

В 1987 г. Национальный институт старения в Балтиморе (Мэриленд) и Центр по изучению приматов в Мэдисоне (Висконсин) начали два типа испытаний на приматах, в которых было задействовано 200 макак резус и беличьих обезьян. В 2001 г. группа ученых из Висконсина под руководством Ричарда Вейндруха опубликовала предварительный отчет о влиянии низкокалорийного питания на экспрессию генов в организме макак резус. Ученые определяли, какие из 7000 анализируемых генов были включены, а какие выключены у животных, находящихся на низкокалорийной диете, по сравнению с нормально питавшимися животными того же возраста. Выводы оказались неожиданными и интригующими. Как и ожидалось, устойчивость к стрессу в группе животных с ограничением калорийности питания возрастала, но никаких заметных различий в уровне синтеза индуцируемых стрессом белков в двух группах животных обнаружено не было. Однако ограничение калорийности питания приводило к трем выраженным эффектам. Во-первых, усиливалась внутренняя структура клеток: скорость синтеза практически всех структурных белков увеличивалась более чем вдвое. Во-вторых, ослабевал синтез белков, вызывающих воспаление, таких как фактор некроза опухолей (ФНО-α) и фермент NО-синтаза. В-третьих, замедлялся синтез белков дыхательной цепи, особенно цитохрома с (в 23 раза по отношению к норме!). Этот последний эффект соответствовал снижению скорости метаболизма: живи медленно — умрешь старым[73].

Изменение экспрессии генов обезьян, находящихся на низкокалорийной диете, по-видимому, не направлено на преодоление стресса. Экспрессия индуцируемых стрессом белков у них скорее ослабевает, чем усиливается. Объяснить это можно следующим образом. Человек живет примерно вдвое дольше шимпанзе, которые, в свою очередь, живут дольше макак резус. Механизм нашего долгожительства, по всей видимости, связан с более эффективной сопротивляемостью стрессу. Как мы увидим в следующей главе, при возрастных заболеваниях тоже происходят стрессовые реакции, часто связанные с теми же генами и их продуктами. Например, с возрастом у макак резус активируется синтез как минимум 18 стрессовых белков, включая металлотионеин и различные ферменты, участвующие в репарации ДНК. Если только низкокалорийную диету не вводить с самых ранних лет жизни, трудно понять, как наложение одного стрессового ответа на другой может дополнительно продлить нашу жизнь. Однако в эксперименте с макаками резус изменение экспрессии генов, связанное с переходом на низкокалорийную диету в середине жизни, по-видимому, снижает метаболический стресс в организме. Другими словами, важным параметром является не устойчивость к стрессу как таковая, а степень стресса. Она может быть понижена путем усовершенствования стрессового ответа или посредством ослабления стресса.

Пришло время остановиться и подвести некоторые итоги. Гипотеза одноразовой сомы гласит, что продолжительность жизни определяется равновесием между ресурсами организма, направленными на размножение и на поддержание сохранности организма. Поддержание сохранности организма реализуется двумя путями — прежде всего за счет предотвращения повреждений, а также путем исправления повреждений. Эффективность предотвращения повреждений в значительной степени зависит от скорости образования и удаления свободных радикалов. Эффективность репарации обусловлена скоростью обновления поврежденных молекул ДНК, мембран и белков. Система репарации работает эффективно, если сама не подверглась повреждениям. Свободные радикалы действуют на любые молекулы, так что они способны повреждать систему репарации и кодирующие ее гены в той же степени, что и все другие молекулы. В результате недостаточная эффективность предотвращения свободнорадикальных процессов приводит к недостаточной эффективности репарации.

Скорость старения зависит от количества ресурсов организма, направленных на предотвращение и репарацию повреждений. Эти ресурсы запрограммированы на генетическом уровне, но на их распределение влияют внешние факторы, такие как количество пищи или вероятность размножения. Механизм переключения между размножением и продолжительной жизнью в общих чертах один и тот же у нематоды, дрозофилы, крысы и человека, однако реакции на переключение разные. У нематод увеличение продолжительности жизни, по-видимому, достигается путем усиления синтеза индуцируемых стрессом белков, у макак резус — подавлением метаболизма кислорода и снижением скорости метаболизма. Учитывая роль естественного отбора, ответ всегда определяется соотношением затрат и поэтому зависит от уже существующего в системе уровня стресса. Нематоды в норме вырабатывают несколько стрессовых белков в небольшой концентрации, так что могут активизировать их синтез. Напротив, макаки резус вырабатывают гораздо больше разных стрессовых белков в гораздо более высокой концентрации. Для них гораздо более эффективный путь состоит не в дополнительном повышении концентрации индуцируемых стрессом белков, а в подавлении метаболизма. Но вне зависимости от механизма результат в любом случае сводится к ослаблению стресса в системе, что позволяет животным пережить тяжелые времена и начать размножаться при нормализации условий. Таким образом, стресс можно преодолеть либо за счет активации синтеза стрессовых белков, либо за счет снижения скорости дыхания и интенсивности воспалительных реакций. В любом случае секрет долгой жизни заключается в снижении метаболического стресса.

По-видимому, аналогичные механизмы влияли на эволюцию продолжительности жизни организмов, не испытывающих давления хищников или голода. Продолжительность жизни отражает скорость накопления повреждений, которая зависит от скорости метаболизма, образования и устранения свободных радикалов и эффективности систем репарации. В таком ракурсе скорость метаболизма можно рассматривать в качестве фактора, влиявшего на эволюцию гигантизма (см. главу 5). Увеличение размера позволяет снижать скорость метаболизма и, следовательно, повышать продолжительность жизни. Высокий уровень кислорода ограничивает продолжительность жизни современных животных. Возможно, гигантизм животных каменноугольного периода позволил снизить скорость метаболизма в условиях повышения концентрации кислорода в атмосфере. В любом случае увеличение продолжительности жизни зависит от эффективности предотвращения и репарации повреждений, вызванных свободными радикалами. Поэтому логично заключить, что свободные радикалы кислорода являются одной из важнейших причин старения и что теоретически старение можно замедлить путем изменения экспрессии генов, отвечающих за поддержание сохранности тела.

[69] К свободным радикалам в данном случае я отношу и такие молекулы, как пероксид водорода, хотя, строго говоря, он не является радикалом (см. главу 6).

[70] В эксперименте Xартмана мыши из контрольной группы (не получавшие дополнительных антиоксидантов) жили недостаточно долго. Возможно, они умирали раньше срока из-за недостатка антиоксидантов в стандартном рационе питания, и Хартман просто ввел в расчеты поправку. Это действительно вполне вepоятно, поскольку мы до сих пор не знаем, каков оптимальный пищевой рацион большинства животных в дикой природе и в неволе.

[71] Во всех этих исследованиях увеличивали концентрацию цитозольной, а не митохондриальной формы СОД. И это важно. Митохондриальная форма СОД защищает от супероксидных радикалов как митохондрии, так и окружающий их цитозоль, поскольку бóльшая часть супероксидных радикалов выходит за пределы митохондрий. А цитозольная форма обеспечивает только частичную защиту цитоплазмы. Насколько мне известно, трансгенные дрозофилы с повышенным уровнем экспрессии митохондриальной СОД и каталазы еще не созданы. Думаю, продолжительность их жизни будет еще больше.

[72] Хотя ограничение калорий не вызывает стрессового ответа у крыс, экспериментальные животные демонстрируют более эффективные стрессовые реакции на нагрузку на сердце (крыс на короткое время подвергали воздействию высокой температуры), чем нормально стареющие крысы. Другими словами, при нормальном старении стрессовые реакции на утечку свободных радикалов из митохондрий притупляют острый ответ на внезапный стресс (такой как тепловой шок), тогда как ограничение калорийности питания ослабляет хронический стрессовый ответ и усиливает ответ на внезапный стресс.

[73] Существует и другая возможность. Высвобождение цитохрома с из митохондрий запускает программированную клеточную смерть — апоптоз. Можно себе представить, что снижение уровня цитохрома с в клетках уменьшает количество клеток, погибающих от апоптоза в стареющих органах. В результате функция opганов реализуется дольше. Это исключительно предположение, но, я думаю, Ричард Вейндрух рассмотрит эту возможность. (Результаты, полученные учеными из Национального института старения, оказались несколько иными. Продолжительность жизни животных в двух группах была одинаковой, но животные, потреблявшие меньше калорий, меньше болели (см. Mattison J. А. et al. Impact of caloric restriction on health and survival in rhesus monkeys from the NIA study // Nature. 2012. № 489. Р. 318 — 321). — Примеч. nep.)