Старение является неотъемлемым атрибутом человеческого существования, формирующим наше мышление, культуру и цивилизацию на протяжении многих тысяч лет. Поэтому, прежде чем перейти к делу, важно проанализировать, как наш опыт и воспитание могут влиять на восприятие старения и бессмертия.

Размышления о старении впервые встречаются в одной из ранних песен о Гильгамеше (~2800 год до н. э.), где герой оплакивает себя, предчувствуя приближающуюся смерть. Боги говорят Гильгамешу, что законы мироздания не позволяют человеку жить вечно, и утешают его обещаниями загробной жизни и посмертной памяти потомков. Эти формулировки прекрасно всем знакомы: они присутствуют как в христианстве, так и в других религиях.

Попытки избежать старения часто встречаются в индийских мифах. Как правило, герой встает на путь радикальной аскезы, тем самым меняя мировой баланс и вынуждая богов даровать ему вечную жизнь. Однако индийские боги обычно используют лазейки в соглашениях, заключенных с героями, чтобы убить или, по крайней мере, наказать незадачливых имморталистов 2.

В некоторых мифах бессмертие само по себе считается наказанием. Легенда об Агасфере, Вечном Жиде, рассказывает о человеке, который был наказан вечной жизнью в теле немощного старика за то, что не позволил Иисусу Христу отдохнуть во время его пути на Голгофу. Похожую идею можно найти у Джонатана Свифта в «Путешествиях Гулливера». Некоторые представители народа Лаггнегга, называемые струльдбругами, не умирают, достигнув дряхлости, но продолжают бесконечно жить — больные и несчастные. Эти примеры показывают, что смерть от старости считалась неизбежным, а иногда даже благим явлением, в то время как попытки избежать смерти — восстанием против правил Вселенной, за которым неизбежно следует мучительная расплата.

В Ветхом Завете записано, что продолжительность жизни предопределена свыше: «… Пусть будут дни их сто двадцать лет» (Быт., 6:3). Тем не менее человек способен продлить свою жизнь в рамках этого допустимого интервала: «Почитай отца твоего и мать твою, чтобы продлились дни твои на земле…»(Исх., 20:12). Важно отметить, что, с точки зрения автора, писавшего библейский текст, долгая жизнь является не проклятием, а, напротив, вознаграждением. И действительно, во многих других источниках мы находим, что здоровое долголетие рассматривается как позитивная и весьма желательная участь.

Это противоречие между стремлением к долголетию и отказом от борьбы со старением может быть объяснено только попытками самоуспокоения перед лицом неизбежной старости и неминуемой смерти. Их гораздо легче принять, если бессмертие теоретически невозможно или сопряжено с неприятными побочными эффектами. Похожим образом лисица из басни Эзопа пытается убедить себя, что виноград, который она не может достать, незрел, а следовательно, ей не нужен.

Удивительно, но в наши дни подобные аргументы можно иногда услышать не только во время богословских диспутов, но и на геронтологических конференциях. Кажется, что тысячелетия самовнушения повлияли в том числе и на людей, посвятивших свою жизнь и карьеру борьбе со старением. Даже среди них находятся те, кто предпочитает повторять убаюкивающие аргументы вместо того, чтобы взглянуть в лицо пугающей реальности.

Доводы, обесценивающие поиски лекарства от старения, выдвигаются с самых разных сторон — от геополитики до психологии. Чтобы лучше понять некоторые из них, читатель может ознакомиться с последней главой выдающейся книги Венки Рамакришнана «Почему мы умираем», опубликованной в начале 2024 года [5]. Автор утверждает, что рост продолжительности жизни нарушит работу систем социального обеспечения, увеличив относительную долю пожилых людей. Он выражает свои опасения по поводу еще более резкого разрыва между богатыми и бедными в свете растущего неравенства в сфере здравоохранения, которое может только усилиться, если когда-нибудь будет разработано лекарство от старения. Также он рассуждает о том, приведет ли снижение смертности к перенаселению и увеличению огромного бремени, которое человечество уже накладывает на экологию планеты.

Кроме того, Рамакришнан опасается, что антистарение может замедлить интеллектуальный прогресс человечества. Действительно, социальные, технологические и культурные прорывы часто совершаются молодыми людьми, в то время как пожилые и в прошлом очень успешные люди могут отнимать возможности у растущих талантов, занимая ключевые посты и расходуя ресурсы на устаревшие проекты.

Поскольку область моей компетенции не охватывает вышеперечисленные темы, я не могу делать научно обоснованные суждения об этих социальных проблемах. Тем не менее хотел бы выразить свой скептицизм в отношении этих аргументов. Очевидно, что предсказуемые пределы продолжительности жизни человека во многом определяют нашу нынешнюю культуру, экономику и функционирование общества. Устранение этого фундаментального фактора может привести к переменам такого масштаба, который трудно даже вообразить. Как и в случае с любым серьезным изменением, мы можем оказаться не в состоянии предвидеть потенциальные положительные и отрицательные последствия. Но если брать шире, то каков будет главный итог нашего успеха в избавлении от старения?

Я глубоко убежден, что цена человеческой жизни и ее восприятие людьми значительно возрастет. На этом месте кто-то из читателей может возмущенно возразить, что каждая человеческая жизнь и так бесценна. Но так ли это на самом деле? Во время пандемии COVID-19, когда больницы многих стран были переполнены умирающими людьми, широкая общественность познакомилась с идеей медицинского триажа — процесса, когда медицинские работники распределяют дефицитные ресурсы между пациентами, чья численность превосходит возможности госпиталя. Если одна и та же койка в больнице может спасти жизнь десятилетнему ребенку или восьмидесятилетнему старику, какой выбор должен сделать врач? И если жизнь одного пациента может быть ценнее жизни другого, то эта ценность, очевидно, не может быть бесконечной, а те, кто утверждает обратное, лицемерят.

Количество оставшихся лет и здоровье — две основные переменные, определяющие то, как люди оценивают ценность своего существования, как они заботятся о себе и как вообще живут. Обе эти величины зависят почти исключительно от возраста и старения. Если мы говорим о долгосрочной перспективе, что может пойти не так, если ценность жизни вырастет, поскольку каждый человек ожидает впереди долгие годы здоровой жизни?

Очевидно, что сохранение здоровья пожилых людей крайне важно, ведь превращение в хрупкого бессмертного струльдбруга — не самая приятная участь. Вероятно, эта свифтианская идея является причиной страха перед социальным коллапсом. Однако можно ли отменить старение, не улучшив здоровье пациентов?

Старение является одним из основных факторов риска почти всех заболеваний, как неинфекционных, так и инфекционных. Если мы научимся «лечить» старение, люди станут намного здоровее, а расходы на медицину резко сократятся.

Более того, увеличение длительности продуктивной работы изменит принцип выхода на пенсию. Если бы проблема старения была полностью решена, человек перестал бы работать, накопив достаточно средств, чтобы жить только на проценты, не используя базовые накопления. Это может сделать общество гораздо более эффективным и экономически процветающим, вопреки высказанным опасениям. Мне кажется очень маловероятным, что затраты на антивозрастную терапию превзойдут те огромные расходы на медицинское и социальное обеспечение, которые мы несем из-за старения.

Далее, если мы посмотрим на страны, где люди живут дольше всего благодаря лучшему здравоохранению и социальным условиям, мы обнаружим, что этим странам совершенно не угрожает перенаселение. Там, напротив, наблюдается снижение рождаемости. Население планеты продолжает расти благодаря сельским жителям, для которых дети — это своего рода пенсионный фонд. В экономически развитых странах рождаемость находится ниже уровня воспроизводства и продолжает падать. Избавление от старения и устранение возрастных пределов деторождения могут стать стабилизирующими факторами, которые позволят гармонизировать семейную жизнь, развитие карьеры и финансовую стабильность семей.

Проблема замедления прогресса, о которой говорит Рамакришнан, скорее всего, более серьезная, чем те, о которых говорилось выше. В самом деле, еще Макс Планк писал:

«Новая научная истина торжествует не потому, что убеждает своих оппонентов и заставляет их „прозреть свет“, а скорее потому, что ее оппоненты в конце концов умирают и вырастает новое поколение, которое с ней знакомо… Важная научная инновация редко прокладывает себе путь, постепенно побеждая и обращая своих оппонентов: редко случается, что Савл становится Павлом. Что на самом деле происходит, так это то, что оппоненты постепенно вымирают, а подрастающее поколение уже с самого начала знакомо с [новыми] идеями: это еще один пример того факта, что будущее за молодежью».

Эту проблему можно лишь отчасти объяснить возрастным снижением когнитивных способностей и изменениями характера: даже молодые люди или люди среднего возраста могут быть очень упрямы, защищая те догмы, с которыми они выросли. Как указывал Планк, ознакомление с идеями с самого начала является необходимым условием прогресса. Хотя у меня нет решения этой проблемы, хочу указать, что мы уже сталкиваемся с ней, поскольку продолжительность жизни резко возросла в течение последнего столетия.

Однако, несмотря на увеличение продолжительности жизни, прогресс человечества, похоже, не замедлился. Более того, современные футуристы предвидят серьезные изменения на рынке труда, вызванные стремительным развитием искусственного интеллекта. По их прогнозам, профессионалам придется переобучаться на протяжении всей жизни, поскольку их навыки будут устаревать гораздо быстрее, чем раньше. В динамичном современном мире давать даже очень талантливому человеку шанс состариться, сохраняя его на высокой должности, — это большой риск. Именно поэтому многие успешные технологические компании и научные учреждения уже ввели обязательную ротацию руководящего состава.

Не приведет ли радикальное увеличение продолжительности жизни человека только к расширению и ускорению этой уже существующей тенденции? Если люди перестанут стареть, отсутствие ротации по «естественным причинам» сделает очевидной необходимость принудительной ротации. Пожизненные контракты и профессорские позиции, вероятно, больше не будут возможны, но неужели это изменение может обесценить победу над смертью?

Мало того, иногда накопленные знания забываются, а прогресс обращается вспять, однако мы очень мало думаем о том, сколько теряем из-за старения. Я хочу рассказать о своем дедушке, Викторе Борисовиче Лидском, страстном велосипедисте, бадминтонисте, шахматисте и известном математике, который более сорока лет посвятил исследованиям и преподаванию в Московском физико-техническом институте. В конце жизни его острый научный ум стал угасать настолько, что он даже путал имена своих восьми внуков. Это побудило его разработать новый стиль ведения диалогов, который не требовал использования имен. Принесла ли эта унизительная дезинтеграция личности пользу прогрессу науки? Я уверен, что нет. Виктор Борисович все еще мог быть продуктивен и как ученый, и как преподаватель. Должен существовать какой-то другой способ дать зеленый свет новым идеям, при этом не требующий мучительной смерти их оппонентов.

Во время похорон деда у меня состоялся знаменательный разговор с его второй женой и мачехой моего отца Инной Максимовной Бернштейн. Она была известным переводчиком, сделавшим доступными для русского читателя многие классические произведения английских и американских писателей. Хотя главным ее трудом был русский перевод «Моби Дика» Германа Мелвилла, ее жизнерадостный характер часто заставлял ее обращаться к произведениям английских сатириков, таких как Джером К. Джером или Уильям Теккерей. В тот день она сказала мне со своей обычной мягкой улыбкой, в данном случае горькой: «Видишь, Петя, жизнь — такая странная штука. Вроде бы только начал жить, а смотришь — уже все, конец». Знали бы вы, как мне сейчас стыдно! В той ситуации я не нашел ничего лучшего, как прибегнуть к тем самым аргументам, с которыми я только что так энергично боролся, пробормотав что-то вроде: «Может, так даже лучше». Она улыбнулась в ответ: «Ты так думаешь?», а в ее глазах читалось: «Ты сам скоро узнаешь». Всего через несколько месяцев у нее случился инсульт, от которого ей не удалось оправиться. Перевод одного из романов Пелама Вудхауса о Дживсе и Вустере, над которым она работала, так и остался незаконченным. До сих пор краснею, вспоминая тот день.

Подводя итоги: я не согласен с идеей, что старение несет какую-то пользу. Считаю, что аргументы в пользу социальных преимуществ старения — это просто психологические обезболивающие, которые продолжают традицию, заложенную еще в «Эпосе о Гильгамеше».

В то же время мне бы не хотелось обвинять кого-то в недостатке мужества. Старение — глубоко личная, интимная тема для каждого человека, которую трудно отделить от тысячелетних культурных наслоений, насквозь пропитанных трансцендентальными страхами, беспомощностью и попытками самоуспокоения. Быть нейтральным по отношению к старению так же трудно, как оставаться отчужденным наблюдателем, находясь внутри действия, или быть хирургом, оперирующим самого себя.

Однако в интересах прогресса необходимо избегать искажений восприятия и исследовать как старение, так и стратегии борьбы с ним с научной беспристрастностью — и мы попытаемся это сделать. Прежде всего, мы должны договориться об определении старения.

2 Иммортализм — система взглядов, основанная на стремлении избежать смерти.

Организмы считаются стареющими, если вероятность их смерти увеличивается с возрастом. Напротив, смертность нестареющих организмов от возраста не зависит. Следует подчеркнуть, что при этом смертность нестареющих организмов не является нулевой. Например, если у некоторого вида животных вероятность умереть составляет 5 % в год, но этот процент остается неизменным для однолетнего, десятилетнего, столетнего и так далее животного, такой организм считается нестареющим.

Мы должны разделять биологическое бессмертие, определяемое как отсутствие старения, и словарное определение бессмертия, которое относится к бесконечной жизни и отсутствию смерти от любых причин.

В отличие от мифологических бессмертных существ, биологически бессмертные организмы могут умереть из-за нападения хищников, холода, голода или инфекции, просто вероятность их смерти не зависит от возраста. Таким образом, общепринятое определение старения — это рост вероятности смерти с возрастом.

Является ли такое определение достаточным для плодотворного исследования старения? Мне так не кажется. Это определение основано на важном наблюдении, но оно не содержит информации о причинах и механизмах снижения физических характеристик организма и увеличении вероятности смерти.

Чтобы пояснить мою мысль, предлагаю сравнить два типа определений — первое, основанное на наблюдениях, и второе, научно обоснованное, — применительно к другой медицинской проблеме, полиомиелиту.

Определение, основанное на наблюдениях: «Полиомиелит — заболевание, приводящее к пожизненному параличу конечностей или смерти». Эта модель не описывает причину или механизм и не предлагает никакого подхода к лечению. Мало того, на основе этого определения полиомиелит следует отнести к классу ортопедических заболеваний, а следовательно, в качестве приоритетного направления предлагается рассматривать, например, разработку протезов или костылей, которые позволят улучшить качество жизни парализованных больных.

Напротив, точное научное определение: «Полиомиелит — инфекционное заболевание, вызываемое полиовирусом, который в некоторых случаях поражает центральную нервную систему, что приводит к пожизненному параличу конечностей или смерти». Здесь полиомиелит классифицируется как инфекционное вирусное заболевание, проведена четкая причинно-следственная связь между агентом, вызывающим болезнь, и наблюдаемыми симптомами. В этом случае ключом к борьбе с полиомиелитом должны стать вакцинация, противовирусные препараты и эпидемиологические меры контроля.

Давайте представим себе, что мы воспользовались машиной времени и вернулись на несколько веков назад, в средневековый город, пораженный эпидемией полиомиелита. Предположим, что мы не удосужились объяснить местным врачам теорию микробного происхождения болезней, а сразу предложили им делать микроскопы, собирать ткани больных, заражать этим материалом обезьян, а затем использовать полученный материал для создания вакцины. Даже если нас не сожгут как еретиков, то наверняка отвергнут наши предложения. Средневековым врачам будет совершенно непонятно, каким образом микроскопы и обезьяны могут помочь в создании деревянных протезов, способных заменить парализованные конечности.

Этот пример показывает, что хорошее определение прокладывает путь к эффективным терапевтическим стратегиям, а плохое направляет исследования в неверном направлении и тормозит прогресс. Подходы, основанные исключительно на наблюдениях, могут оказаться неэффективными, а попытки лечить очевидные патологии без понимания причин их возникновения — привести к потере времени и сил. При помощи вакцинации человечество уже практически искоренило полиомиелит, в то время как протезы, которые могли бы полностью компенсировать вызванный полиовирусом паралич, все еще не созданы.

Увеличение смертности с возрастом — это определение, основанное на наблюдениях и относящееся к тому же классу, что и определение полиомиелита через паралич конечностей. Каково же научное определение старения? Удивительно, но если опросить специалистов, то они дадут нам совершенно разные определения 3. Отсутствие общей парадигмы делает наши попытки победить старение бессистемными и неэффективными.

Современное состояние дел в геронтологии можно сравнить с тем, что происходило в биологии инфекционных болезней до открытий Луи Пастера: объект исследования достаточно хорошо описан как феномен, но не имеет точного научного определения. Разумеется, ученые исследуют старение, и многие из них получают интересные результаты. Однако точно так же изучались инфекционные заболевания до того, как Пастер доказал микробную теорию болезней. Например, вакцина от оспы была создана до открытия патогенов. Однако без теоретической базы это единичное достижение не привело к разработке вакцин от других инфекций.

Микробная теория изменила парадигму; наука об инфекционных заболеваниях была переименована в микробиологию и фактически «перезапущена», а большая часть накопленных ранее знаний утратила актуальность. Однако в результате были созданы вакцины против сибирской язвы, бешенства, а потом и многих других болезней. Проекты по разработке вакцин стали биоинженерными задачами с четко сформулированными этапами и прогнозируемыми сроками. Следует ли ожидать того же в исследованиях старения? Может ли случиться так, что геронтология будет полностью переосмыслена? Как может выглядеть новая парадигма старения и каким критериям она должна соответствовать?

Прежде чем пытаться найти ответ на эти вопросы и рассматривать различные взгляды на природу старения, давайте ответим на практический вопрос: с теоретической точки зрения можно ли вылечить старение?

3 Скептически настроенный читатель может обратиться к статье Алана Коэна [6] и более поздней работе того же рода, написанной под руководством Вадима Гладышева [7].

Мы постоянно видим, что со временем вещи портятся. Заброшенные дома разрушаются, старые автомобили ломаются, древесина гниет, а металл ржавеет. Почему люди и животные должны быть исключением из этого правила? Старение живой материи, как может показаться, просто следует тем же правилам, что и разрушение неодушевленных объектов. Этот вывод выглядит логичным, но с научной точки зрения он неверен.

Термин «энтропия» в науке означает беспорядок или хаос. Высокая энтропия в системе подразумевает большую степень беспорядка, а низкая энтропия — упорядоченность и сложность.

В замкнутой системе, которая не получает энергии извне, энтропия растет согласно правилу, называемому вторым законом термодинамики. Объект, оставленный в герметично закрытой емкости, со временем, как ожидается, будет распадаться, а сложность содержимого этой емкости — снижаться, поскольку оно будет становиться более однородным. Например, капелька краски в стакане воды сначала образует причудливые узоры, но потом растворяется, и содержимое стакана приобретает равномерную окраску.

Сперва энтропия низкая, поскольку молекулы воды и молекулы краски отделены друг от друга, однако по мере того как молекулы перемешиваются и раствор становится однородным 4, энтропия, то есть мера хаоса, растет. Чтобы вернуть систему в состояние низкой энтропии, нужно отделить воду от краски, а для этого требуется приложить энергию, например, нагреть раствор и выпарить воду. Если же не прикладывать энергию, то энтропия может только расти.

То же самое должно быть верно для всей Вселенной, поскольку она также может считаться замкнутой системой. Действительно, астрофизики предсказывают, что через несколько триллионов лет звезды сгорят и наша Вселенная приблизится к своему энтропическому максимуму, предусматривающему относительно высокий уровень хаоса и однородности.

Можем ли мы использовать второй закон термодинамики для объяснения старения? Очевидно, что не можем. Живые организмы не существуют в герметически замкнутых емкостях. Они взаимодействуют с окружающей средой и получают энергию из внешних источников. Жизнь на Земле использует солнечную энергию для своего поддержания, воспроизводства и развития. Строение живого показывает, что невероятная сложность, а следовательно, высокая упорядоченность и низкая энтропия могут возникнуть при наличии лишней энергии. Жизнь — это удивительный пример флуктуации 5 энтропии, которую создает энергия Солнца, прежде чем рассеяться в пространстве Вселенной согласно второму закону термодинамики.

Поэтому теории, основанные на энтропии, плохо применимы к биологическим системам. Конечно, энтропия является важным фактором для изучения биохимических реакций в закупоренных пробирках. Однако энтропия как концепция может оказаться бесполезной, если мы переходим на более высокие уровни биологических процессов, организмов или целых экосистем, поскольку они не являются замкнутыми. Растения получают энергию от Солнца, а животные — из пищи, с ее помощью они могут устранять повреждения, регенерировать органы и продлевать свою жизнь, не вступая в противоречие со вторым законом термодинамики.

Аналогичным образом, вовремя отремонтированные дома сохраняются в течение очень длительного срока — значительно большего, чем предполагала их изначальная конструкция. Машины (в широком смысле этого слова) при надлежащем обслуживании и замене изношенных деталей также могут служить очень долго 6.

Таким образом, проведение аналогий между старением живых организмов и разложением неодушевленных объектов неверно. Животные получают энергию из внешней среды и могут использовать ее, чтобы регенерировать ткани и органы, и поэтому энтропические повреждения не могут объяснить старение.

Теперь давайте рассмотрим биологические аргументы. Есть ли животные, которые не стареют? Да, есть. Например, одноклеточные организмы, которые делятся симметрично, не должны стареть вообще. Если две дочерние клетки идентичны друг другу, то информация об их возрасте (например, повреждения) распределяется симметрично. Следовательно, обе дочерние клетки будут иметь одинаковый биологический возраст. Старение приведет к смерти обеих клеток, делая существование такого вида невозможным.

Действительно, многие одноклеточные организмы, такие как делящиеся дрожжи (или схизосахаромицеты), при оптимальных условиях культивации не стареют. Раковые клетки млекопитающих в лабораторных условиях могут делиться бесконечно без каких-либо признаков старения. Таким образом, одна клетка может жить не старея. А как обстоят дела с многоклеточными организмами? Может ли целый организм быть биологически бессмертным? Ответ — да, по крайней мере, для относительно простых беспозвоночных.

Большинство медуз начинают свой жизненный цикл как крошечные личинки, затем превращаются в полип и только потом — во взрослую свободно плавающую медузу. Однако бессмертная медуза (Turritopsis dohrnii) может вернуться из взрослой стадии обратно в стадию полипа, тем самым достигая биологического бессмертия [8]. Гидра (Hydra vulgaris), небольшой пресноводный полип и дальняя родственница медуз, также обладает биологическим бессмертием [9]. То же касается плоских червей, планарий (Schmidtea mediterranea) [10]. И гидры, и планарии размножаются бесполым образом, и, мало того, представители обоих видов обладают огромной регенеративной способностью и могут воссоздать все свое тело из крошечных кусочков. Следует еще раз подчеркнуть, что эти организмы не живут вечно, но их вероятность умереть не увеличивается со временем, поэтому мы можем утверждать, что они не стареют.

Таким образом, по крайней мере, простые беспозвоночные могут быть биологически бессмертными. Существуют ли нестареющие млекопитающие? Среди наших ближайших родственников нет биологически бессмертных животных, однако один известный нам вид в ходе эволюции приобрел настолько медленное старение, что им можно пренебречь. Это голый землекоп (Heterocephalus glaber) — небольшой безволосый грызун размером с мышь, эндемик стран Африканского Рога (Сомали, Джибути, Эфиопии, Эритреи) [11]. Ниже мы рассмотрим это удивительное животное более подробно, но пока нужно знать лишь то, что вероятность смерти у голых землекопов не увеличивается с возрастом. Исследователи могут найти некоторые маркеры старения, которые изменяются со временем в организме голых землекопов, однако не влияют на их смертность.

Это не значит, что землекопы бессмертны. Они умирают от болезней и гибнут от иных внешних причин — например, в драках со своими сородичами, в желудках змей, которые на них охотятся, или во время попыток расселения на новые территории [12]. Однако то, что вероятность их смерти не увеличивается с возрастом, позволяет говорить о биологическом бессмертии этих животных. На сегодняшний день рекорд продолжительности жизни голого землекопа в лабораторных условиях превышает сорок лет, что является беспрецедентным, учитывая их крошечный размер. Эта цифра, скорее всего, тоже не предел: просто первые лабораторные колонии голых землекопов были созданы около сорока лет назад; кроме того, мы не можем создать для землекопов идеальные условия, исключающие воздействие всех внешних факторов, способных привести к их гибели. Если соотнести этот возраст с размерами тела и пересчитать потенциальную продолжительность жизни человека, который старел бы со скоростью голого землекопа, то мы получим невероятные 400–500 лет. Таким образом, наша продолжительность жизни, по-видимому, не является теоретически возможным пределом.

Итак, мы обнаружили, что физические законы не противоречат биологическому бессмертию. Более того, некоторым видам удалось значительно снизить темпы старения. Если эволюция способна отменить или радикально замедлить старение, то и мы можем сделать то же самое с помощью биотехнологий. Если биологическое бессмертие теоретически достижимо, то правомерен и вопрос о том, как именно его можно достигнуть. Поэтому мы возвращаемся к обсуждению научной парадигмы старения и способам ее построения.

4 Может возникнуть иллюзия, связанная со словом «однородность». Кажется, что однородность как раз говорит о низком хаосе. Но на самом деле однородность означает лишь то, что молекулы разных веществ максимально перемешаны, не упорядочены и, следовательно, находятся в состоянии большего хаоса.

5 Флуктуация (от лат. fluctuatio — колебание) — случайное отклонение наблюдаемых физических величин от их средних значений.

6 Например, первый в мире паровой автомобиль, телега Кюньо, построенный в 1769 году, до сих пор хранится в парижском Музее искусств и ремесел и в теории может ездить, хотя его не заводят из соображений сохранности. В сравнении живых организмов и машин есть еще одна тонкость. В отношении рукотворных объектов действует так называемый парадокс корабля Тесея: если заменить все без исключения доски, из которых состоит корабль, то остается ли он тем же самым кораблем или же это будет новое судно? Однако для биологии этот парадокс не актуален: идентичность живого организма определяется последовательностью его ДНК, а не отсутствием сменяемости деталей (клеток), поэтому регенерирующий организм будет, безусловно, тем же самым организмом.

Эта глава далась мне с самым большим трудом по сравнению со всеми остальными. Здесь мы попытаемся описать свойства желаемой парадигмы, не имея четкого представления о том, откуда она должна прийти и как выглядеть. Злой царь из детской сказки, стремясь уничтожить главного героя, дает ему задания возрастающей сложности. После того как все окрестные чудовища побеждены, а принцессы и драгоценности из соседних королевств добыты, царь предлагает выполнить самое трудное задание: «Пойди туда — не знаю куда, принеси то — не знаю что».

Поиск парадигмы старения напоминает эту задачу — старение встречается практически повсеместно. Тонкость в том, что в науке мы обычно сравниваем контрольный образец с опытным. Несложно, скажем, сравнить больного диабетом со здоровым человеком. Однако поскольку все люди и почти все животные подвержены старению, довольно сложно найти лишенный старения организм для сравнения. Поэтому то, что встречается повсюду, может оказаться столь же неуловимым, как и то, что встречается очень редко. На протяжении столетий врачи знали, что моча больных диабетом содержит повышенное количество сахара. Это дало нам прямой намек на связь диабета с метаболизмом сахара, предоставив нам основополагающую парадигму. Но как быть со старением? Откуда могут взяться подсказки? Неясно, с чего мы должны начать и что мы ожидаем найти.

Для начала давайте оглянемся на существующие научные парадигмы и попытаемся найти желаемые свойства искомой теории старения, а также черты, потенциально указывающие на ее слабые стороны. При этом надо иметь в виду, что все парадигмы уникальны и мы не рассчитываем найти точный перечень атрибутов. Тем не менее попытаемся сделать полезные наблюдения, которые пригодятся нам в дальнейших поисках.

Успешные парадигмы часто удивительно просты и могут быть сформулированы одним предложением. Вот, например, ключевые положения четырех величайших научных парадигм:

• формула E=mc 2 определяет отношение между энергией и материей во Вселенной;

• утверждение Omnis cellula e cellula(«Каждая клетка происходит от клетки»), сказанное основоположником клеточной теории Рудольфом Вирховом, дало начало клеточной биологии;

• выживание сильнейших и генетическая наследственность являются двумя ключевыми принципами дарвинизма;

• передача генетической информации от ДНК к РНК и белку является центральной догмой молекулярной биологии 7.

Напротив, неверные теории часто очень сложны и внутренне противоречивы. Рассмотрим, например, теорию флогистона — устаревшую концепцию, доминировавшую в химии XVIII века. Некоторые ученые считают эту модель одной из самых вредных идей в истории науки, поскольку время ее расцвета совпало с многолетним застоем в развитии химии 8. Теория флогистона предполагала существование огнеподобного элемента, который содержится в горючих телах и поглощается воздухом во время горения. Она хорошо объясняла, почему древесина, сгорая, становится легче, но не могла объяснить, почему металлы становятся тяжелее при их окислении в огне. В одной из своих последних формулировок, составленной прусским химиком Иоганном-Генрихом Поттом, эта парадигма включала следующие положения.

1. Форма флогистона представляет собой вихреобразное движение вокруг своей оси.

2. Когда флогистон находится вне соединения с другими веществами, он не может быть потреблен или рассеян в огне.

3. Причина, по которой флогистон вызывает расширение в большинстве тел, неизвестна, но не случайна. Она пропорциональна компактности текстуры тел или близости их строения.

4. Увеличение веса при обжиге становится очевидным только через долгое время и происходит либо из-за того, что частицы тела становятся более компактными, уменьшаясь в объеме и таким образом увеличивая плотность, как в случае свинца, или из-за того, что небольшие частицы тяжелого воздуха оседают в веществе, как в случае порошка оксида цинка.

5. Воздух поглощает флогистон тел.

6. Если флогистон приходит в движение, он является основным активным началом всех неживых тел.

7. Это основа цвета.

8. Это главный агент в ферментации.

Можно заметить разительный контраст между этой теорией и успешными парадигмами, рассмотренными выше. Теория флогистона эклектична (то есть сочетает разнородные идеи и постулаты) и бессистемна. Она делает большие предположения для объяснения частных наблюдений. Конечно, нам нужно сделать скидку на то, в какую эпоху была сформулирована эта гипотеза. С другой стороны, элегантные принципы ньютоновской физики были предложены примерно в то же время.

Стремление к простоте в познании было формализовано английским философом Уильямом Оккамом. Согласно предложенному им принципу, называемому «бритвой Оккама», хорошая теория должна быть экономной и не должна вводить ненужные сущности. Например, гипотеза, утверждающая, что Летающий Макаронный Монстр является основной причиной старения, не является экономной. Почему? Потому что существование Макаронного Монстра само по себе является сомнительной гипотезой, которая требует огромных изменений в нашем ви́дении мира. Соответственно, такая гипотеза старения не упрощает, а усложняет модель. Вместо одной неопределенной сущности (старения) мы получили две: Монстра и его гипотетическую связь со старением.

Очевидно, что гипотезы такого типа бесполезны. Тем не менее они периодически встречаются в геронтологической литературе. Ученые иногда пытаются объяснить или переопределить старение через другие, не вполне четко определенные или не объясненные до конца понятия, такие как, например, жизненная энергия или регенеративная способность.

Успешная модель должна быть способна объяснить феномен и (в идеале) те его аспекты, которые другие модели объяснить не могут. Очевидно, она также не должна противоречить доказанным научным фактам. И, что еще важнее, модель должна быть фальсифицируема.

Принцип фальсификации, предложенный австрийским философом науки Карлом Поппером, гласит, что научная теория должна быть принципиально опровержима. Иначе говоря, чтобы теория могла считаться научной, должна существовать физическая возможность доказать ее несостоятельность. Объясним это на примере.

Давайте возьмем известную конспирологическую теорию о том, что к Земле из космоса приближается планета Нибиру, которая столкнется с нашей планетой и уничтожит все живое на ней. Эта модель не противоречит известным фактам — наука не может исключить существование небесного тела, движущегося где-то в космосе. Но есть ли гипотетическая возможность как-то опровергнуть эту теорию? Для этого нужно доказать, что планеты Нибиру нет. Это можно сделать, только изучив все пространство Вселенной и проверив все ее точки без исключения, что невозможно на существующем уровне развития технологий. Иначе говоря, эта теория не подразумевает возможность опровержения, следовательно, она не фальсифицируема, то есть ненаучна.

Теперь возьмем обратную теорию: планеты Нибиру не существует. Чтобы ее опровергнуть, нужно доказать, что планета Нибиру все-таки есть. Это несложно: если Нибиру реально врежется в Землю (или если мы хотя бы увидим ее в телескоп), мы совершенно точно будем знать, что она существует, и теория о несуществовании Нибиру будет опровергнута. Значит, эта теория фальсифицируема, то есть научна.

Такой подход касается и предсказаний. Любые теории — и научные, и ненаучные — умеют прогнозировать эффекты, которые еще не продемонстрированы. Если теория научна (то есть фальсифицируема), эти предсказания можно опровергнуть, а если она псевдонаучна — то нельзя.

Важно понимать, что возможность опровержения не означает необходимость это делать. Если теория соответствует истине, то опровержения не случится. Однако ключевой критерий состоит в том, что опровержение в принципе возможно.

Принцип фальсифицируемости довольно хорошо работает в физике, и поэтому попытки опровергнуть физическую модель считаются более ценными, чем работа над поиском подтверждающих ее фактов. Альберт Эйнштейн говорил о своей теории относительности:

«Никаким количеством экспериментов нельзя доказать теорию; но достаточно одного эксперимента, чтобы ее опровергнуть».

Однако в биологии такой подход следует применять с большей осторожностью. Например, какой эксперимент может доказать, что теория эволюции Дарвина неверна? Согласно этой теории, дети рождаются похожими на своих родителей, и те, кто обладает чертами, подходящими для данной экологической ниши, оставляют больше похожих на себя детей. В то же время эта теория не допускает наследования приобретенных признаков: например, животные, потерявшие хвосты, должны производить на свет детенышей с нормальными хвостами, независимо от того, полезны эти хвосты или нет. И наоборот, в геноме может произойти случайная мутация, нарушающая развитие хвоста. Потомство такого мутанта будет бесхвостым в нескольких поколениях, даже если хвост жизненно необходим для выживания.

Доказательство того, что приобретенные черты передаются по наследству, разрушит теорию эволюции. У животных с хорошо натренированными хвостами рождаются хвостатые детеныши, а у животных, которые ими почти не пользуются, — бесхвостое потомство. Да, это звучит как нонсенс. Однако в научной литературе есть такие примеры! Мыши, которым ученые давали нюхать лисью мочу, передавали эту информацию своему потомству на уровне эпигенетических модификаций ДНК.

Эпигенетические модификации означают, что к нуклеотидам — буквам, составляющим наш геном, — добавляются некоторые химические группы. Они не меняют того, как читаются буквы, но влияют на то, когда и как активируются гены.

Таким образом, стрессовое воздействие запаха лисы не изменяет порядок букв мышиной ДНК, но приводит к добавлению или удалению некоторых химических групп в этих буквах, что меняет экспрессию генов, в частности гена, участвующего в восприятии запаха. Более того, эти изменения передаются по наследству, и потомство мышей, нюхавших лисью мочу, очень чувствительно к этому запаху [13]. Это однозначный пример наследования приобретенных признаков. Опровергает ли это удивительное открытие теорию эволюции? Конечно же нет. Оно лишь демонстрирует сложность биологических систем, которая предполагает большое количество исключений. Однако если эти исключения чрезмерно обобщать, это направит нашу мысль по ложному пути.

Вот почему, когда дело доходит до общих теорий, биологи редко руководствуются принципом фальсифицируемости в его исходной формулировке. Если кто-то из них и обращается к Карлу Попперу в пылу биологической дискуссии, то это, скорее, следует воспринимать как признак интеллектуального отчаяния, а не как реальный аргумент.

Венгерский философ науки Имре Лакатос предложил модифицированный подход к фальсифицируемости, который гораздо лучше подходит для биологии. Согласно его идеям, теория имеет «ядро» и «защитный внешний слой». Если вновь открывшиеся факты противоречат теории, некоторые изменения могут произойти в ее защитном слое, чтобы привести теорию в соответствие с этими новыми фактами и защитить ее ядро. Если же внешний слой не может быть изменен для учета новых фактов, то это значит, что пришло время изменить или отвергнуть основную, базовую часть теории.

На примере мышей, нюхавших мочу лисицы, согласно методу Лакатоса, мы можем предположить, что наследование приобретенных эпигенетических модификаций является редким исключением из общего правила, в то время как в основном приобретенные черты не наследуются. Эта поправка в защитном слое позволяет согласовать новое наблюдение с эволюционной теорией Дарвина без необходимости изменения ее основных постулатов. Если же произойдет невозможное и эпигенетическое наследование приобретенных признаков будет обнаружено повсеместно, то это будет означать разрушение защитного слоя эволюционной теории и необходимость изменения ее ядра.

Слишком частые изменения во внешнем слое или добавление новых объектов, необходимых для объяснения новых наблюдений, которые не вписываются в парадигму, часто являются признаком ошибочности теории. В качестве примера можно привести геоцентрическую модель Вселенной. В начале XVI века астрономические наблюдения становились все более точными, и новые данные о ретроградном движении планет 9 уже не вписывались в геоцентрическую модель. Чтобы согласовать наблюдения с теорией, астрономы вводили эпициклы — дополнительные маленькие орбиты, по которым двигались планеты. Невидимые для астрономов центры этих маленьких орбит, в свою очередь, вращались по большим орбитам вокруг Земли. Перед тем как Коперник поставил Солнце в центр, геоцентрическая модель включала до шестидесяти эпициклов.

Этот пример показывает, как нарастающая сложность может быть признаком скорого отказа внешнего слоя теории и приближающейся смерти парадигмы.

Таким образом, наша желаемая парадигма старения не должна противоречить имеющимся данным и должна быть фальсифицируема в лакатосовском смысле этого принципа, поскольку он больше подходит для сложных биологических моделей.

Рис. 1. Ретроградное движение планет.

При наблюдении с Земли Солнце и Луна равномерно движутся вдоль плоскости эклиптики, в то время как планеты периодически меняют направление движения и смещаются в обратном направлении. В рамках геоцентрической модели Солнечной системы эти движения объясняли при помощи орбитальных эпициклов — небольших орбит, центр которых движется по орбите вокруг Земли. В нижней части рисунка приведена траектория движения Венеры с гравюры XVI века.

Производительность

Хорошая парадигма обычно открывает новые возможности для будущих рутинных исследований. Например, микробная теория Пастера в конечном итоге создала основу для массовой разработки вакцин от многих инфекционных заболеваний. Благодаря ей выделение и изучение патогенов стало обычной процедурой, не требующей больших интеллектуальных усилий. Таким образом, появление правильной парадигмы приводит к ускоренному прогрессу в соответствующей области. Напротив, господство ошибочной парадигмы часто сопровождается застоем. Чтобы оправдать отсутствие прогресса, сторонники ошибочной парадигмы часто утверждают, что прогресс теоретически невозможен, несмотря на то что все уже открыто и на все вопросы уже есть ответы. Такая ситуация обычно знаменует кризис, который предшествует смене парадигмы.

Подобные проявления наблюдаются и в геронтологии. Многие выдающиеся ученые и организаторы науки, занимающиеся проблемами старения, выступают за переход от «продолжительности жизни» (lifespan) к «здоровому долголетию» (healthspan) [14]. Они считают, что вылечить старение практически невозможно. Вместо этого предлагается улучшать здоровье пожилых людей путем борьбы с многочисленными возрастными заболеваниями. Общеизвестно, что старение является основным фактором риска развития многих болезней, таких как рак, сердечно-сосудистые, легочные и почечные заболевания, артрит, деменция, нейродегенеративные состояния всех видов и т. д. Полное решение каждой из этих проблем добавит лишь несколько лет здоровой жизни, потому что другие болезни возьмут свое. Таким образом, чтобы существенно улучшить здоровье пожилых людей, нам необходимо добиться колоссального прогресса в десятке областей.

Почему нужно работать над решением этих многочисленных проблем, а не сосредоточиться на главном факторе риска — старении? Это похоже на то, как если бы кто-то предложил сосредоточиться на кашле, температуре, головной боли и потере обоняния для лечения COVID-19 вместо того, чтобы пытаться изобрести вакцины и противовирусные препараты. Причина в том, что эти ученые уверены: лекарство от старения находится далеко за пределами наших возможностей. В то же время на вопрос: «Что такое старение?» они почти никогда не дадут нам честного ответа: «Мы не знаем». Вместо этого мы скорее всего услышим стандартный набор клише, включающий клеточные и молекулярные повреждения, энтропические процессы и отсутствие эволюционной целесообразности выживания старых организмов. На мой взгляд, такое сочетание уверенности и низкой продуктивности указывает на кризис парадигмы.

Причина или предназначение

Выше, на примере полиомиелита, мы обнаружили, что парадигмы, основанные на наблюдениях, могут быть непродуктивны. Хорошие парадигмы часто включают представление о причинах явления или о его предназначении. Первое известное вычислительное устройство в истории человечества, Антикитерский механизм, датируемый примерно 100 годом до н. э., был найден на затонувшем античном корабле и представлял собой деревянную коробочку, заполненную окислившимися бронзовыми шестеренками.

Поворотным пунктом в реконструкции этого механизма стала гипотеза, что это устройство — календарь, который предсказывал положение планет, солнечные и лунные затмения, а также даты Олимпийских игр. Эта гипотеза позволила археологам понять входные данные и ожидаемые результаты расчетов, выполняемых Антикитерским механизмом. Сейчас механизм полностью реконструирован, включая детали, которые были безвозвратно утрачены.

Альтернативный подход к объяснению Антикитерского механизма, основанный на наблюдениях, заключался бы в том, чтобы смоделировать траектории всех атомов окислившейся бронзы, с помощью этой модели определить их первоначальное положение и понять предназначение устройства, основываясь на реконструкции его структуры. Следуя этому подходу, мы, скорее всего, узнали бы много нового об окислении металлов, включая воздействие морских течений и организмов на этот процесс, но вряд ли выяснили бы предназначение механизма. Таким образом, информация о причине или предназначении явления — это преимущество парадигмы, которое расширяет ее возможности.

Рис. 2. Антикитерский механизм. В верхней части рисунка изображены фрагменты механизма в том виде, в каком они были найдены. Нижняя часть рисунка — современная реконструкция.

Итак, на основе этого краткого сравнительного анализа мы пришли к выводу, что неправильная теория, скорее всего, будет эклектичной, потребует постоянного ввода дополнительных сущностей, не будет объяснять причин или предназначение старения и предлагать четкого плана действий. Напротив, желаемая парадигма должна в идеале быть экономной, фальсифицируемой, непротиворечивой относительно экспериментальных данных и продуктивной, то есть предлагать четкие идеи разработки терапии, а главное, объяснять первичные причины старения.

В дальнейшем мы будем уделять повышенное внимание именно этому последнему свойству парадигмы. И для начала обсудим, почему именно эволюционная биология является ключевым инструментом в наших поисках причин старения.

7 Разумеется, эти предложения понятны только аудитории, знакомой с такими терминами, как ДНК, РНК и белок. Было бы наивно ожидать, что вся дисциплина может уместиться в несколько слов. Однако способность передать суть в краткой формуле — признак зрелости парадигмы и области.

8 Справедливости ради следует отметить, что концепции, предшествовавшие теории флогистона, были еще менее связными и скорее напоминали оккультизм, чем научные модели. Поэтому теорию флогистона можно рассматривать как первую научную теорию в химии, ознаменовавшую уход от алхимического мышления, а потому плодотворную, хотя и неверную.

9 В отличие от Солнца и Луны, планеты иногда меняют направление своего движения по небу навстречу друг другу.

Эволюция сформировала наши тела путем случайных генетических мутаций и последующего естественного отбора. Что такое естественный отбор? Если организм плохо приспособлен к своей экологической нише, если ему трудно найти пищу или конкурировать за внимание полового партнера, он умирает, не оставляя потомства, и его генетический материал теряется. Напротив, более приспособленные генетические варианты оставляют больше потомства, и их генетический материал используется в качестве отправной точки для последующих раундов мутаций и отбора. За миллионы лет эволюция создала организмы невероятных форм и расцветок, наделенные уникальными приспособлениями, которые позволяют им выживать и эффективно размножаться.

«Ничто в биологии не имеет смысла, кроме как в свете эволюции» — эта цитата великого американского эволюционного биолога Феодосия Добржанского одинаково применима ко всем наукам о жизни. В этом отношении биология является уникальной областью естественнонаучного знания, поскольку только здесь мы можем говорить об эволюционной цели того или иного свойства организма. Все физиологические явления можно и нужно рассматривать в свете их роли для выживания и размножения особи, и старение — не исключение.

Как мы узнали из примера с Антикитерским механизмом, представление о цели может быть чрезвычайно продуктивным свойством парадигмы. Однако, как это ни удивительно, эволюционные аргументы редко упоминаются в современном геронтологическом дискурсе. Вместо этого ученые обычно исследуют разные типы биохимических повреждений, не задаваясь вопросом, почему эволюция позволяет этим повреждениям накапливаться и убивать организм.

В 2013 году группа ученых опубликовала известную статью «Ключевые признаки старения» [15], где описаны наблюдения, связанные со старением. Это собрание наблюдений долгое время рассматривалось некоторыми учеными как своего рода парадигма современной геронтологии. В 2023 году эта же группа представила обновленную и дополненную версию — «Ключевые признаки старения: расширяющаяся Вселенная» [16]. В последней редакции статья описывает следующие признаки:

1) нестабильность генома (включая мутации и активацию вирусов, «спящих» в геноме);

2) укорочение теломер (об этом подробнее можно прочесть в главе 50);

3) возрастные эпигенетические изменения;

4) нарушение протеостаза (метаболизма белков);

5) снижение активности макроаутофагии (способности клеток переваривать свои поврежденные компоненты);

6) дерегулирование обмена и рецепции питательных веществ;

7) дисфункция митохондрий (клеточных органелл, производящих энергию);

8) клеточное старение (об этом также можно прочесть в главе 50);

9) истощение стволовых клеток (стволовые клетки отвечают за восполнение возобновляемых тканей, таких как кожа, кишечный эпителий или кровь);

10) изменение межклеточных коммуникаций;

11) хроническое воспаление;

12) дисбиоз (изменение состава кишечной флоры).

Каждый из этих двенадцати признаков — интереснейшая проблема, заслуживающая отдельной главы. К сожалению, погружение в такие тонкие детали выходит за рамки задач этой книги. Мы хотим лишь оценить признаки старения в целом — как общую теорию. Если посмотреть с этой позиции, она — скорее каталог, чем парадигма. Список признаков выглядит еще более эклектичным и бессистемным, чем обсуждавшаяся выше теория флогистона.

Как уже упоминалось, список признаков старения в версии 2023 года был расширен: к нему присоединились хроническое воспаление, дисбиоз и макроавтофагия [16]. Мало того, многие ученые ожидают, что количество признаков будет увеличиваться и в дальнейшем. Каковы критерии включения в список? Во-первых, признак должен изменяться с возрастом, во-вторых, искусственное возвращение признака к его более «молодым» показателям

Рис. 3. «Признаки старения». Диаграмма отображает биологические механизмы, которые, по мнению авторов статьи, имеют отношение к старению (по [16]).

должно продлевать жизнь или, по крайней мере, улучшать здоровье пожилого организма. Этим критериям удовлетворяют, например, ожирение или нарушения сна, которые, вероятно, пополнят список в будущем 10.

Из предыдущей главы мы узнали, что добавление дополнительных сущностей обычно является признаком слабости парадигмы, поэтому неудивительно, что некоторые ученые в настоящее время отходят от списка признаков, приписывая им скорее роль путеводителя для ученых, начинающих работать в области, нежели общей парадигмы [18]. В этой роли «ключевые признаки» остаются полезными, и я тоже использую их при обучении студентов.

Однако мы не должны забывать, что «ключевые признаки» или любое другое описание биохимических аспектов старения на данный момент являются не более чем наблюдениями, подобными парализованным конечностям в случае полиомиелита. Мы не знаем, какие эффекты являются причинами старения, а какие — вторичными последствиями этих причин. Поэтому, несмотря на достоверность наблюдений, не факт, что они обязательно помогут нам решить проблему старения.

Вот еще один исторический пример капитальных описательных исследований, которые быстро устарели, — лечение сифилиса в начале ХХ века. В то время эта болезнь была практически неизлечимой и очень широко распространенной. Обычный врач в ходе своего обучения должен был проштудировать несколько толстых томов обо всех аспектах сифилиса. Изобретение антибиотиков (прорыв, который никак не был связан с этими исследованиями) позволило вылечить сифилис и сделало большую часть этих описательных знаний ненужными. Объем информации, который должен усвоить современный врач о сифилисе, — одна глава в учебнике. Весьма вероятно, что значительный массив накопленных биохимических результатов о старении также станет бесполезным, когда мы найдем научную парадигму.

Тем не менее большинство исследователей в этой области все еще рассматривают проблему старения через призму биохимии:

• атомы собираются в биологические молекулы;

• нуклеотиды ДНК образуют гены;

• РНК и белки, производимые этими генами, собираются в более крупные комплексы, образуя клетки, из которых формируются организмы, существующие в экосистемах.

Биохимики считают, что для того, чтобы разобраться во всем этом, мы должны сначала понять взаимодействия атомов, затем молекул, которые, в свою очередь, дадут понимание функционирования клеток и организмов. А если мы поймем как функционируют организмы, то сможем лечить старение, не разбираясь в экологии и эволюции. Как свидетельство этого подхода, эффекты, касающиеся молекулярных и субклеточных процессов, согласно последней редакции концепции признаков старения, обозначены как «первичные».

В настоящее время существует множество механистических теорий. Большинство из них рассматривают накопление химических повреждений различного типа как причину старения. Здесь можно упомянуть некогда популярную теорию оксидативного стресса, которая утверждала, что окисление биологических макромолекул (белков, липидов и нуклеиновых кислот) является первопричиной старения, а непосредственную механическую роль играют активные формы кислорода.

Другая модель подобного рода считает главной причиной старения эгоистическую эволюцию митохондрий.

Митохондрии — это потомки бактерий, когда-то захваченных нашими одноклеточными предками и приспособившихся к жизни и размножению внутри наших клеток. Ныне митохондрии играют роль электростанций в клетках эукариот (животных, растений и грибов). В одной клетке может содержаться до нескольких тысяч митохондрий.

Они сохранили свой ДНК-геном и способны к самостоятельному размножению и эволюции. Со временем в геномах митохондрий могут накапливаться вредные мутации, повреждающие их способность производить энергию, но способствующие более быстрому размножению по сравнению с нормально работающими митохондриями. Согласно одной из гипотез, такие дефектные митохондрии накапливаются с возрастом, приводя к старению.

Третий пример энтропической модели — гликирование клеточного матрикса. Молекулы белка, организующего межклеточное пространство, коллагена, заменяются очень медленно. Модификация молекул коллагена остатками сахаров называется гликированием и, как считается, может необратимо повреждать ткани.

Другие модели такого типа рассматривают соматические мутации 11, накопление ошибок в сворачивании белков, укорочение теломер 12 и другие биохимические процессы как первопричину старения.

Можем ли мы выбрать лучшие из них, чтобы начать разрабатывать лекарство от старения? К сожалению, это сложно, поскольку наше понимание биологических механизмов еще очень неполно. Этот недостаток знаний приводит к такой свободе воображения, что, в сущности, позволяет построить непротиворечивую теорию старения практически вокруг любого гена в геноме или любого биологического процесса.

Российский геронтолог Жорес Медведев насчитал около 300 различных теорий старения, и большинство из них — это модели накопления повреждений. Однако, не зная, что такое старение, мы не имеем инструментов для проверки этих идей. Допустим, на основе нашей механистической теории разработан препарат, который воздействует на определенный биологический процесс и увеличивает продолжительность жизни на 15 % у мышей. О чем это говорит? Это провал или успех? С одной стороны, мы не устранили старение, с другой — получен статистически значимый результат. Нужно ли вкладывать миллионы в повышение эффективности этого лекарства или, напротив, переключиться на другие проекты? Без основополагающей парадигмы мы не сможем сделать рациональный выбор и, что еще важнее, не можем эффективно проверять механистические гипотезы.

В то же время потенциал эволюционной теории старения еще только предстоит реализовать. Большинство моделей накопления повреждений игнорируют аргументы, которые мы обсуждали в главе 3, и рассматривают старение как проявление энтропии или других физических свойств органической материи. Беспомощность таких представлений может быть легко выявлена при помощи элементарных эволюционных аргументов.

Один из таких простых аргументов заключается в том, что продолжительность жизни животных — разная. Например, крысы обычно живут менее пяти лет, а древесные белки могут доживать и до двадцати [19]. Близкородственные виды мелких летучих мышей, принадлежащих к роду Myotis, могут различаться в два-четыре раза по продолжительности жизни [20]. Значит ли это, что базовые законы физики по-разному влияют на эти виды животных? Конечно нет! Очевидно, что дело не в энтропии как таковой, а в эффективности механизмов борьбы с ней.

Долголетие эволюционировало многократно в разных группах живых организмов, поэтому приобретение более эффективных механизмов контроля энтропии (если мы считаем энтропию основной причиной старения) не представляется особенно сложным. Никто еще не продемонстрировал убедительных доказательств наличия фундаментальных препятствий для эволюции продолжительности жизни.

Почему же тогда короткоживущие виды не эволюционировали по направлению к большей продолжительности жизни? Чем дольше животное живет, тем дольше оно может размножаться, а ключевая идея эволюции — репродуктивный успех. Таким образом, долголетие по определению всегда должно приносить эволюционную выгоду! Почему же, несмотря на это, животные стареют? Почему одни животные живут дольше других?

Очевидно, что ответы на эти вопросы заложены в свойствах экологических ниш, которые занимают животные, и они могут быть найдены с помощью методов экологии и эволюционной биологии. Приведенная выше цитата Феодосия Добржанского — это не сентиментальное высказывание, а прямой призыв к действию. Старение должно рассматриваться как экологический феномен, а не как набор биохимических реакций. Выживание организмов в экосистемах определяет их эволюцию, формируя клетки, гены и молекулы. Первичные причины старения должны быть экологическими и могут быть найдены с помощью эволюционных исследований. Результаты этих исследований должны привести нас к механизмам старения и вдохновить на разработку лекарств.

В качестве первого шага можно использовать сравнение крыс и бе́лок как формальный критерий для отбраковки теорий, которые априори не могут стать основополагающей парадигмой. Назовем этот критерий «беличьим тестом»[3]. Если мы сравним крыс и белок, то обнаружим, что у белок меньше соматических мутаций, они лучше контролируют белковый гомеостаз и медленнее укорачивают теломеры, чем крысы. Однако механистические модели не способоны объяснить причины существования разных скоростей старения родственных видов животных.

Поясним это на примере: если гликирование является основной причиной старения, то почему оно убивает крыс гораздо быстрее, чем белок? Если белки могут контролировать гликирование и жить до двадцати лет, почему аналогичные механизмы не развились у крыс? То же самое относится и ко всем остальным теориям класса накопления повреждений. Перечисленные выше биохимические процессы безусловно могут быть вовлечены в старение. Они даже могут играть решающую механистическую роль, однако не могут быть основой парадигмы старения. Первичная причина старения — это фактор, который диктует, почему гликирование, теломеры и другие молекулярные процессы эволюционировали так, чтобы повреждаться быстро (у крыс), в то время как они могут повреждаться медленнее (у белок).

Но почему так много ученых до сих пор придерживается идей, ориентированных на повреждения? Главная проблема заключается в том, что они игнорируют эволюционные соображения и фокусируются на конкретных биохимических путях и механизмах, пытаясь объяснить долголетие животных, изучая их физиологию. Чтобы объяснить огромную разницу скоростей старения животных, некоторые исследователи утверждают, что продолжительность жизни определяется в результате сложных взаимодействий между:

• процессами, которые приводят к повреждениям разного типа;

• эффективностью работы репарации повреждений организма;

• устойчивостью компонентов тела к повреждениям;

• избыточностью компонентов организма — например, если одна система выходит из строя, другая может заменить ее функцию.

Сочетая эту многофакторную модель с непреодолимой сложностью биологических организмов, очень легко построить гипотезу ad hoc 13, объясняющую долголетие любого вида. Например, долголетие голых землекопов можно объяснить относительно низким уровнем метаболизма и малым производством повреждений, а долголетие птиц (продолжительность жизни которых намного больше по сравнению с млекопитающими сопоставимых размеров) — гипотезой о том, что их чрезвычайно высокий метаболизм потребовал изобретения неких сверхэффективных механизмов репарации, которые, по счастливой случайности, помогают им устранять повреждения, связанные со старением [21]. Концепции, ориентированные на повреждения, не требуют ответа на вопрос, почему эффективные механизмы репарации, продлевающие жизнь, не развились у землероек, которые тоже имеют очень высокий уровень метаболизма, но живут очень недолго. Старение и продолжительность жизни, согласно этим концепциям, эволюционно не важны и объясняются какими-то случайными причинами.

В следующей части мы увидим, что этот подход игнорирует весь объем экологических и эволюционных исследований. Моя позиция заключается в том, что если модель не может объяснить, почему эволюционировали разные скорости старения, то она не может объяснить эволюционную природу старения в целом. В таком случае, мы оказываемся неспособны решить, какие механизмы более важны, а какие менее.

В то же время я не знаю ни одного эксперимента, который бы доказал модель накопления повреждений как исходную причину старения. Действительно, мы можем наблюдать множество типов повреждений в старых организмах и даже можем продемонстрировать скромные результаты по улучшению здоровья и долголетия лабораторных мышей, если устраняем эти повреждения с помощью терапевтических средств или генетических манипуляций. Однако доказывает ли это причинную роль повреждений в старении? Нет. Такие же наблюдения и эксперименты можно провести и при любом другом заболевании: ткани животных, страдающих диабетом или вирусными инфекциями, содержат много повреждений, устранение которых немного улучшит их состояние. Значит ли это, что эти повреждения тканей являются основной причиной диабета или инфекции? Конечно же нет. Согласно этой же логике, у нас нет никаких оснований считать повреждения причиной старения.

В этой книге мы попытаемся создать общую теорию, которая объяснит наблюдения, связанные со старением, в рамках универсальной эволюционной модели.

Мы сосредоточимся на тех немногих эволюционных моделях, которые могут пройти «беличий тест». Почему они относительно малочисленны? Длительное внимание к механистическим аспектам старения создало эволюционным исследованиям репутацию второсортного научного направления, над которым ученые могут работать разве что из любопытства. Многие исследователи старения рассматривают эволюционные теории как «пыльный подвал» геронтологии: неважно, что находится в этом подвале, и, напротив, что бы туда не забросили, очень хорошо там разместится. Примеры этого мы увидим далее.

При этом, если геронтологов спрашивают, почему они проводят эксперименты именно так, а не иначе, дискуссия в итоге приводит нас к рассуждениям именно о содержимом «пыльного эволюционного подвала». Из-за исторического пренебрежения эволюцией эти размышления не всегда последовательны и научно корректны. Мы попробуем провести в этом подвале генеральную уборку и вернуть ему его главную роль — роль фундамента геронтологии.

10 Во время подготовки этой книги к списку признаков добавились повреждения внеклеточного матрикса и психологическая изоляция [17].

11 Соматические мутации происходят в соматических клетках, из которых состоят наша кожа, кровь, мозг и остальные части тела. Эти мутации не могут передаваться следующим поколениям. Их необходимо отличать от зародышевых мутаций, которые происходят в половых клетках (яйцеклетках и сперматозоидах, из которых получаются эмбрионы). Примечательно, что частота мутаций в зародышевой линии в 10 раз меньше, чем в соматических тканях. Более того, с помощью некоторых генетических манипуляций исследователи снижают частоту соматических мутаций, активируя механизмы восстановления ДНК зародышевой линии в соматических клетках. Так что, в принципе, каждая клетка нашего организма может снизить уровень соматических мутаций. Почему же эволюция не использует эту возможность?

12 Теломеры — это «колпачки» на концах хромосом, которые становятся короче при каждом делении клетки.

13 ad hoc(лат.) — «для данного случая», «специально для этого».

Мы узнали, что научного определения старения в настоящее время не существует. В то же время разработка средств лечения старения при отсутствии парадигмы является очень сложной, если не невозможной задачей. Чтобы найти желаемые свойства гипотетической парадигмы старения, мы изучили успешные и провальные научные теории. Мы пришли к выводу, что хорошая общая теория старения:

• должна быть краткой;

• должна быть фальсифицируемой;

• не должна противоречить известным фактам;

• должна предлагать новые направления для будущих исследований;

• по возможности должна включать идею об эволюционном предназначении старения.

Мы пришли к выводу, что эволюционная биология — правильный подход к поиску причин старения и обстоятельств, по которым оно было приобретено или не устранено у большинства живых организмов.

В следующей части мы рассмотрим историю эволюционных теорий старения и попытаемся понять, почему они имеют лишь ограниченное влияние на экспериментальные геронтологические исследования.

Первая попытка объяснить старение с эволюционной точки зрения была предпринята одним из самых ярких теоретиков своего времени, немецким эволюционным биологом Августом Вейсманом. В своей книге «Очерки о наследственности и смежных биологических проблемах» (Aufsätze über Vererbung und verwandte biologische Fragen), опубликованной в 1892 году, среди прочих идей он предположил, что старение могло развиться для устранения старых животных, которые в ходе своей долгой жизни были ранены, потеряли конечности или заразились инфекционными болезнями.

Очевидно, что с возрастом вероятность получить такую непоправимую травму увеличивается. Искалеченные особи не участвуют в размножении, но по-прежнему потребляют пищу, воду, а также занимают территорию и убежища, тем самым забирая их у более молодых и плодовитых особей, которые могли бы использовать эти ресурсы с большей эффективностью 14. Таким образом, удаление старых, потенциально травмированных животных может увеличить плодовитость молодых членов популяции и, следовательно, быть эволюционно выгодным. Теория постулировала, что старение — запрограммированный процесс, направленный на убийство людей и животных после достижения того возраста, в котором они, как ожидается, будут иметь тяжелые увечья.

В последующие годы эта модель была отвергнута научным сообществом. По мнению Вейсмана, старение развивалось как генетическая программа, которая убивает животное, тем самым жертвуя его шансами на размножение ради получения эволюционных преимуществ, которыми может воспользоваться любой член популяции. Действительно, ресурсы, которые стали доступны после смерти старого животного, могут быть использованы неродственными ему молодыми особями. Следовательно, старение в модели Вейсмана может улучшить общую приспособленность 15 популяции, но никак не может помочь в распространении генов конкретного стареющего индивидуума, в том числе тех генов, которые отвечают за программу старения.

Чтобы лучше понять этот аргумент, давайте проведем мысленный эксперимент и введем нестареющего долгоживущего «эгоиста» в популяцию «альтруистов», которые убивают себя, чтобы высвободить ресурсы для блага популяции. Молодые эгоисты и альтруисты получат эквивалентные преимущества от смерти старых альтруистов. В то же время, некоторые из эгоистов будут иметь дополнительные репродуктивные преимущества из-за своей высокой продолжительности жизни. Не все эгоисты будут искалечены к тому времени, когда все альтруисты умрут от старости. Эти оставшиеся эгоисты будут использовать дополнительное время, чтобы принять участие в большем количестве сезонов размножения и в результате оставят больше потомства.

Со временем число эгоистов будет увеличиваться, пока они полностью не вытеснят альтруистов. Средний уровень состояния здоровья членов популяции может из-за этого снизиться, что никак не повлияет на результаты конкуренции. С другой стороны, единичный альтруист, введенный в популяцию эгоистов, не сможет быть успешным, и его гены будут быстро удалены отбором. Таким образом, эгоистичные интересы всегда берут верх в конфликте с интересами сообщества.

Стратегии, которые способствуют индивидуальному воспроизводству, остаются эволюционно стабильными, даже если они могут повредить благополучию сообщества. Альтруистические стратегии все равно не смогут их вытеснить в ходе конкуренции.

В теории игр эта дилемма известна как трагедия общин. Ричард Докинз описал ее более подробно применительно к биологии в своей книге «Эгоистичный ген» (The Selfish Gene).

В дополнение к этому модель Вейсмана предполагает, что искалеченные животные должны совершать самоубийства. Почему эволюция должна пытаться предсказывать возраст, к которому животное будет иметь увечье, и подстраивать старение под этот срок? Пусть и небольшая, но ненулевая часть животных в этом возрасте все еще будет здорова. В то же время потеря конечности или другая тяжелая травма очевидны для животного и могут активировать суицидальное поведение. Если теория Вейсмана верна, то попытки самоубийства травмированных животных являются формально предсказанием этой теории. Однако такие рефлексы на сегодняшний день не описаны, по крайней мере у позвоночных.

После того как гипотеза Вейсмана была опровергнута, эволюционные биологи отказались от моделей запрограммированного адаптивного старения. Большинство последующих теорий рассматривали старение либо как вредный эффект, который не влияет на приспособленность в достаточной степени, чтобы эволюция его устранила, либо как негативное побочное следствие каких-то полезных признаков. Позже мы вернемся к обсуждению запрограммированного адаптивного старения, но сначала проследим исторический ход развития эволюционной мысли и познакомимся с теориями старения, которые в настоящее время рассматриваются как классические.

Рис. 4. «Трагедия общин». Если сообщество состоит из альтруистов, то появившийся в этом сообществе эгоистичный вариант способен полностью завоевать жизненное пространство, хотя каждому члену сообщества невыгодно существовать в популяции, состоящей из эгоистов. В то же время альтруисты, появляющиеся в сообществе, состоящем из эгоистов, не имеют шансов на успех.

Следующая попытка объяснить старение с точки зрения эволюции была предпринята тремя выдающимися британскими биологами — Рональдом Фишером, Джоном Холдейном и Питером Медаваром. Разработанная ими теория получили название тень отбора(selection shadow).

Холдейн изучал болезнь Гентингтона, наследственное нейродегенеративное расстройство, которое обычно развивается у носителей этой генетической болезни на четвертом десятилетии жизни. Она начинается с легких психиатрических симптомов или изменений настроения, прогрессируя затем в расстройство координации, называемое хореей. Пациенты совершают непроизвольные нерегулярные движения, похожие на обычную мимику и жесты, но отличающиеся по частоте и интенсивности. В старину хорею называли пляской святого Витта, поскольку производимые больным движения несколько напоминали танец. Постепенно у таких людей развиваются депрессия, апатия, слабоумие, потеря речи и координации. Так как к моменту появления первых симптомов у носителей обычно уже есть дети, болезнь может передаваться следующему поколению и сохраняться в популяции.

Этот пример иллюстрирует основную идею тени отбора: свойства генов, проявляющиеся в более старшем возрасте, находятся под более низким селективным давлением, чем признаки, которые проявляются на ранних стадиях. Если бы симптомы болезни Гентингтона проявлялись до полового созревания, они не попали бы в «тень», а патологический ген был бы быстро утерян, поскольку больные не оставляли бы потомства. Таким образом «Тень» закрывает от эволюции болезни старости.

Представьте себе автопроизводителя, который обещает каждые пять лет бесплатно заменять любой автомобиль на новый той же марки. Будет ли для вас важна возможность эксплуатации автомобиля в течение десяти лет? Конечно нет. К тому времени эта машина уже будет отозвана и сдана компанией в утиль, а вы будете ездить на новой. Точно так же теория тени отбора утверждает, что патологии поздних лет могут существовать, если люди или животные попросту не доживают до этих возрастов.

Питер Медавар стал тем человеком, который применил принцип тени отбора к эволюции старения. В 1951 году он прочитал лекцию под названием «Неразрешенная проблема биологии» (An Unsolved Problem of Biology), в которой утверждал, что эволюция не заботится о старении. Говоря научным языком, старение эволюционно нейтрально или почти нейтрально. Животные умирают из-за нападений хищников, голода, холода и болезней. Если только небольшой процент животных доживает до возраста начала старения, то отбор более долгоживущих и медленно стареющих особей может быть ослаблен. В ходе эволюции мутации, связанные с расстройствами, проявляющимися в пожилом возрасте, накапливаются, в конечном итоге приводя к старению. Согласно этой теории, старые животные встречаются только в искусственно защищенной среде — например, в зоопарках. Старение человека стало широко распространенным явлением только благодаря цивилизации и успехам медицины.

Находим ли мы подтверждение этой идеи в природе? Да, действительно, виды со стопроцентной сезонной смертностью имеют очень короткую продолжительность жизни. Наиболее известный и яркий пример этому — небольшие рыбки, икромечущие карпозубые, или киллифиш 16. Некоторые из африканских видов киллифиш живут в небольших прудах и лужах, которые заполняются водой во время сезона дождей и полностью пересыхают летом. Взрослые рыбы не могут выжить без воды, но их икринки способны пережить сухой сезон. В этих условиях долголетие взрослой особи бесполезно, поскольку шанс дожить до следующего года все равно равен нулю. Долголетие киллифиш не приведет к увеличению количества отложенных икринок и, следовательно, не будет давать эволюционных преимуществ.

Как и предсказывает теория тени отбора, сезонные киллифиш очень быстро стареют, даже если поселить их в аквариуме, постоянно наполненном водой. Один из видов киллифиш, нотобранх Фурцера (Nothobranchius furzeri), из-за своей чрезвычайно короткой продолжительности жизни стал лабораторной моделью для опытов по изучению старения [22].

Может ли старение людей и большинства других видов животных объясняться теми же эволюционными причинами? Ответ на этот вопрос зависит от того, доживают ли животные до старости в дикой природе. Модель тени отбора требует, чтобы смерть от внешних причин обязательно происходила до начала процесса старения. Если у особи есть ненулевой шанс избежать хищников и других проблем и дожить до следующего сезона размножения, ее смерть от старости будет эволюционно невыгодной, поскольку долгожители будут производить больше потомства. Поэтому эволюция будет всегда отбирать более долгоживущие варианты.

Конечно, если до старости доживает очень малая часть животных, то более долгая жизнь и медленное старение дадут лишь незначительные преимущества. Однако это небольшое преимущество будет существовать всегда. В этом случае долгожители все равно добьются доминирования в экологической нише, просто несколько медленнее. Эволюция в сторону увеличения продолжительности жизни должна продолжаться, даже если в природе от старения умирает ничтожно малая часть животных. В течение длительного эволюционного периода эти небольшие преимущества замедлят или полностью устранят старение.

Продолжительность жизни должна медленно, но неумолимо увеличиваться — кроме случаев, когда ни одно животное не доживает до старости. Однако нулевое количество пожилых особей возможно только в тех экологических нишах, в которых смертность обусловлена сезонными изменениями, как в случае с киллифиш. А если смерть от внешних причин не является стопроцентно гарантированной, то выживаемость пожилых особей всегда будет ненулевой, а следовательно, эволюция долголетия не должна останавливаться в принципе.

Вот почему болезнь Гентингтона — редкое заболевание, которое может сохраняться в популяции какое-то время, но никогда не сможет получить широкого распространения. Люди без болезни Гентингтона будут размножаться и после тридцати лет и за счет этого иметь больше детей. Через какое-то время каждый патологический вариант гена болезни Гентингтона должен полностью исчезнуть из человеческой популяции. Разумеется, аналогичные мутации будут вновь возникать у здоровых людей, сновапередаваться в течение нескольких поколений и снова исчезать. Очевидно, что болезнь Гентингтона никогда не сможет стать общевидовым признаком, таким, как старение, поскольку находится под негативным давлением отбора. Этот тезис был прямо подтвержден методами популяционной генетики [23].

Таким образом, ключевой вопрос, определяющий правильность теории тени отбора, — доживают ли животные до возраста старения в дикой природе? Если все они умирают до того, как старение начинается, как это делают киллифиш, то теория тени отбора может объяснить старение, а если нет, то ее недостаточно. Экологические данные однозначно показывают, что дикие животные умирают в том числе от причин, связанных со старением. Маркировка животных в естественной среде позволяет ученым оценить выживание особей. Если мы построим график доли животных, доживших до определенного возраста, то получим так называемую «кривую выживаемости». Обычно она приводится в логарифмической шкале 17.

Рис. 5. Кривые выживаемости особей после достижения половой зрелости. По горизонтальной оси отложено время жизни, нормализованное для каждого вида. Организмы, чья смертность следует кривой I типа, сравнительно редко умирают в зрелости, однако их смертность нарастает с возрастом. Наличие такой динамики указывает на присутствие старения. К этой группе относятся практически все средние и крупные млекопитающие. Если же смертность постоянна во всех возрастах, то такую линейную (в логарифмической шкале) зависимость называют кривой II типа. Этот тип кривой имеют мелкие птицы, лягушки и другие животные с медленным старением и высокой смертностью от внешних причин. Наконец, III тип кривой — высокая смертность в молодом возрасте, которая уменьшается со временем. Такой тип смертности часто наблюдается у организмов, которые растут после наступления половой зрелости и за счет этого становятся лучше защищенными. Организмы, обладающие кривыми II и III типа, тоже могут умирать от старости, однако вклад старения у них настолько мал, что не всегда заметен на кривых выживаемости.

Если кривая выживаемости выпуклая (тип I), это указывает на рост смертности с возрастом и тем самым присутствие старения. Этот тип жизненного цикла встречается у большинства млекопитающих среднего и крупного размера.

Если кривая линейна (тип II), она указывает на постоянную смертность и отсутствие выраженного старения. Это типично для мелких птиц или лягушек, которые имеют очень высокую смертность в сочетании с медленным старением.

Если кривая является вогнутой (тип III), это означает, что смертность уменьшается с возрастом. Такой жизненный цикл встречается у крупных организмов, чьи молодые особи имеют высокую смертность, но уж если им удалось дорасти до взрослого состояния, то они становятся практически неуязвимыми для тех опасностей, которые могли их убить в молодости. Например, смертность молодых деревьев значительно выше, чем старых, и многие деревья имеют кривую выживания III типа. Подобный тип выживания можно также встретить у рыб и омаров, которые растут на протяжении всей жизни, постепенно увеличиваясь в размерах и, таким образом, становясь более защищенными от хищников 18.

Выпуклая кривая I типа была описана на примере барана Далла (Ovis dalli) в 1947 году, в основополагающей публикации, которая ввела в науку саму идею анализа кривых выживания [24], за несколько лет до того, как Медавар предложил свою теорию тени отбора. Дальнейшие исследования однозначно показали, что смертность растет с возрастом в диких популяциях многих других видов животных [25, 26], делая теорию тени отбора недостаточной для объяснения старения.

Тем не менее простота тени отбора делает ее привлекательной для авторов моделей накопления ущерба. Нередко можно услышать наивные рассуждения, например, о том, что в природных популяциях мы не видим слабых особей, а значит, животные не доживают до старости в дикой природе. Это утверждение фактически неверно: мы можем встретить в природе старых слонов или львов, неспособных пастись или охотиться.

Действительно, частота таких наблюдений ниже, чем в человеческой популяции, поскольку животные не имеют доступа к социальной и медицинской помощи и обычно умирают вскоре после появления первых признаков возрастных изменений. Например, медленно движущееся пожилое животное будет в первую очередь атаковано хищниками. Не следует ожидать, что олени или волки будут умирать в собственных кроватях, окруженные детьми и внуками. Поэтому правильным параметром для измерения старения является смертность от любых причин. Четырнадцатилетние львы имеют бо́льшую вероятность умереть, чем четырехлетние. Поскольку львы доживают до четырнадцати лет в дикой природе, мы можем достоверно утверждать, что львы стареют, и модель тени отбора сама по себе не может объяснить старение.

Некоторые ученые утверждают, что эволюция — «не великий виртуоз», и ничто ею созданное не идеально. Действительно, если мы посмотрим на глаз млекопитающего, то сразу же обнаружим недостатки конструкции, которые человеческий инженер немедленно исправил бы. Например, наш глаз имеет слепое пятно в том месте, где глазной нерв проходит через сетчатку, чтобы собрать информацию с рецепторных клеток. В глазах осьминогов информация собирается с другой стороны клеток, поэтому нерву не нужно пересекать сетчатку, и в глазах осьминогов нет слепых зон.

Рис. 6. Смертность львов в дикой природе. Кривая смертности львов типична для крупных млекопитающих. Молодые львята обладают довольно высокой смертностью, которая снижается по мере взросления, а после наступления половой зрелости начинает снова возрастать. Это наблюдение однозначно доказывает тот факт, что львы стареют в дикой природе (по [27]).

Однако знали ли вы раньше об этом слепом пятне? Влияет ли оно каким-то образом на ваше зрение? Мы быстро двигаем глазными яблоками, и наш мозг помогает нам дополнить визуальную информацию в слепых зонах.

Таким образом, хотя наши глаза не идеальны с инженерной точки зрения, наша зрительная система достаточно качественна и способна компенсировать мелкие недостатки за счет других функций. То же справедливо и для старения: хотя все системы восстановления повреждений могут быть не безупречны, животные многих видов живут очень долго, и нет никаких причин полагать, что эволюция не может сделать их жизнь еще дольше.

Некоторые эволюционные теории старения, такие как биодемографические стены смерти[28] и модель старения на основе битовой строки, разработанная Тадеу Пенной [29], пытаются спасти тень отбора с помощью идеи о том, что очень легко эволюционировать в сторону короткой продолжительности жизни и трудно — в сторону более длинной. Их основные предположения заключаются в том, что генетические мутации, которые делают жизнь короче, возникают очень быстро, а мутации, продлевающие жизнь, встречаются редко.

Если появляется вредная мутация A, она может сделать другую вредную мутацию B нейтральной: если A убивает организм раньше, чем B, продолжительность жизни животных, имеющих и A и B, будет равна продолжительности жизни тех, кто имеет только мутацию A. Таким образом, если мутантов A много в популяции, B тоже может быстро в ней распространиться. Благодаря этому механизму одна вредная мутация, ведущая к старению, может способствовать накоплению других вредных мутаций, что в итоге приведет к приобретению множества таких мутаций.

Если этот сценарий верен, то эволюция долгой жизни может оказаться практически невозможной, поскольку для этого потребуется одновременно удалить все эти вредные мутации. Критическим недостатком модели Стены смерти является предположение, что для эволюции продолжительности жизни необходимо удалить вредные мутацииА́и В. Если может существовать мутация Z, способная продлить жизнь даже у тех особей, которые несут мутацииА́и В, эта гипотеза не работает.

А как насчет экспериментального подтверждения? Существуют ли мутации, способные продлить жизнь? Многочисленные исследования показывают что многие генетические мутации и манипуляции могут увеличить продолжительность жизни у лабораторных животных [30].

Если мы изучим историю эволюции, то обнаружим, что рост продолжительности жизни может происходить очень быстро. Например, люди живут почти в два раза дольше по сравнению с шимпанзе, хотя с момента расхождения между этими видами прошло всего семь миллионов лет [31]. Виды мелких летучих мышей из рода Myotis могут различаться по продолжительности жизни в несколько раз, имея при этом общих предков, живших лишь несколько миллионов лет назад [20]. Долгоживущие плодовые мушки могут быть получены в течение нескольких лет в результате экспериментальной эволюции [32]. Таким образом, модели Стены смерти, предполагающие, что эволюция увеличения продолжительности жизни практически невозможна, неверны и должны быть отвергнуты, а одной лишь тени отбора все еще недостаточно для объяснения старения.

Следует еще раз подчеркнуть, что ослабление отбора для признаков, проявляющихся в более позднем возрасте, научно достоверно. Однако этого эффекта недостаточно, чтобы объяснить эволюцию старения. Необходимо ввести какие-то дополнительные элементы. В следующих главах мы рассмотрим, как ученые пытались дополнить модель тени отбора, чтобы привести эту теорию к согласию с эмпирическими данными.

16 Аквариумисты называют икромечущих карпозубых жаргонным словом «киллифиш». Оно не является официальным или научным, но мы будем использовать его далее в тексте, чтобы немного облегчить чтение.

17 Такая шкала используется для отображения очень больших диапазонов значений величин, когда на одном графике должны наглядно сравниваться и значения типа 0.001, и значения типа 10 000.

18 При расчете кривых выживаемости есть одна важная деталь. Нулевой точкой обычно считается возраст половой зрелости. Это делается для того, чтобы исключить смертность детенышей, которая обычно очень высока. Если мы начнем рассчитывать кривые выживаемости с момента рождения, то большинство из них станут кривыми типа III. При существующем методе расчета кривые типа III встречаются в основном у видов, которые растут после достижения половой зрелости. Со временем они становятся крупнее и лучше защищены. Если мы изменим метод и установим нулевые точки в возрасте, когда организмы достигают максимальных размеров тела, мы, скорее всего, обнаружим кривые типа I у многих из этих видов. Таким образом, выбор начальной точки отсчета сильно влияет на форму кривой.

В 1957 году американский эволюционный биолог Джордж Кристофер Уильямс опубликовал новую теорию старения, которую назвал антагонистической плейотропией [33]. Суть ее в следующем.

Уильямс заметил, что спортивные результаты атлетов начинают снижаться в довольно раннем возрасте, а животные доживают до возраста старения, следовательно, старение не может быть эволюционно нейтральным. Чтобы согласовать этот факт с теорией эволюции, он выдвинул гипотезу о существовании генов, которые повышают приспособленность организма в раннем возрасте, но с течением времени становятся вредными. Он проиллюстрировал эту идею умозрительным примером гена, который отвечает за отложение кальция в процессе оссификации (формирования костей).

Если такой ген работает очень хорошо, организм может быстро расти и, следовательно, будет иметь высокую приспособленность в молодом возрасте. Однако на более позднем этапе жизни чрезмерная активность такого гена может привести к кальцинозу артерий (накоплению в них солей кальция) и, как следствие, к сердечно-сосудистым заболеваниям, снижению приспособленности и смерти. Особь, имеющая такой ген, будет короткоживущей, но репродуктивно успешной, поскольку ее преимущества в раннем возрасте могут компенсировать потери, связанные с низкой продолжительностью жизни.

Уильямс назвал гены такого типа плейотропными генами. Такие гены полезны для особи в раннем возрасте и вредны в позднем. Теперь мы можем расшифровать название теории. Что означает «антагонистическая плейотропия»? Термин «плейотропия» обозначает, что гены имеют несколько разных функций, в то время как «антагонистическая» относится к противоположным воздействиям гипотетических плейотропных генов на приспособленность организмов разного возраста. Грубо говоря, термин «плейотропный ген» можно перевести как «ген с несколькими функциями, имеющими противоположные эффекты на приспособленность» 19.

Если особь в течение своей жизни может произвести большое количество потомства, то продолжительность ее жизни не имеет никакого значения. Кроме того, более быстрое созревание и рождение детей само по себе может стать эволюционным преимуществом.

Рис. 7. Тень отбора (вверху) и антагонистическая плейотропия (внизу).

Теория тени отбора основана на том соображении, что только небольшая часть животных доживает до старости, в то время как большинство умирает от внешних причин. Чем меньше животных доживает до позднего возраста, тем меньшее эволюционное значение имеет старение. Однако, даже если очень небольшое число особей доживает до старости, старение не может стать полностью несущественным (на научном языке — эволюционно нейтральным). Антагонистическая плейотропия развивает эту концепцию, добавляя к ней плейотропные гены, — фактор, который может сделать старение нейтральным. Эти гены делают особь более приспособленной в молодости, но вредят ее здоровью в пожилом возрасте. Если мы допускаем существование таких генов, то они действительно могут объяснить старение небольшой части животных, доживающих до старости.

Если один из вариантов воспроизводится быстрее, он будет иметь конкурентное преимущество по сравнению с более медленными репликаторами, даже если они производят одинаковое количество потомков, а все остальные их признаки сходны.

Как мы узнали из предыдущей главы, сила отбора уменьшается для признаков, проявляющихся в позднем возрасте, если не все особи до него доживают. Не все животные достигают преклонных лет из-за нападения хищников, голода или холода, поэтому эволюция старается максимизировать репродуктивную приспособленность на ранних этапах жизни, так как от этого выиграет больше животных. То, что происходит на более поздних этапах жизни, не так важно, поскольку касается меньшего числа животных, которым повезет дожить до старости. Поэтому отбор отдает приоритет признакам, которые максимизируют рост и размножение в раннем возрасте, а долголетие при этом может играть второстепенную роль: согласно теории тени отбора, лишь немногие выжившие смогут использовать его преимущества.

Таким образом, антагонистическая плейотропия основывается на концепции тени отбора, но дополнительно вводит плейотропные гены, каким-то образом связывающие ранний репродуктивный успех и последующие негативные возрастные изменения (как это делает ген формирования костей в примере Уильяма). Это дополнение позволяет объяснить, почему в дикой природе старение наблюдается у некоторой части животных. Согласно антагонистической плейотропии, старение напоминает кредит на обучение: молодые животные «одалживают» силу и здоровье у самих себя в будущем, а затем в старости возвращают этот долг. Если мы признаем существование плейотропных генов, парадокс существования старения в дикой природе будет разрешен.

Антагонистическая плейотропия на сегодняшний день является самой широко распространенной эволюционной моделью старения. Во многом она формирует современное теоретическое мышление в геронтологии. Однако эта теория основана на предположении существования плейотропных генов. Эти гены должны не только противоположно воздействовать в разных возрастах, но и быть эволюционно устойчивыми. Эволюция должна быть неспособна очистить полезную функцию плейотропного гена в молодом возрасте от его пагубной роли в старости. Мутации в плейотропном гене всегда должны влиять на обе его функции сразу. В то же время мутации в других частях генома не должны компенсировать вредные свойства плейотропных генов.

Современные взгляды на молекулярную генетику предполагают невероятную эволюционную пластичность геномов живых организмов, и поэтому существование эволюционно устойчивых связей между двумя функциями плейотропных генов кажется теоретически невозможным. Действительно, нет ни одного убедительного примера эволюционно стабильного плейотропного гена. Давайте критически рассмотрим наблюдения, которые ученые обычно выдвигают в поддержку антагонистической плейотропии.

Для начала вернемся к оригинальному примеру Уильямса — гену, ответственному за оссификацию. Что мешает эволюции предотвратить работу этого гена на поздних сроках жизни, полностью подавить его эффективность в артериях или создать биохимические механизмы для растворения избыточного кальция в сосудах? Все три стратегии или их комбинации вполне осуществимы. Следует также отметить, что быстрое формирование костей совместимо с долголетием и может наблюдаться в долгоживущих видах. Например, птицы растут гораздо быстрее млекопитающих, а также живут дольше (см. главы 23 и 37). Помимо более быстрого роста, у самок птиц формирование яичной скорлупы сопровождается отложением кальция без очевидных последствий для продолжительности их жизни. Таким образом, пример Уильямса неверен.

Известная работа, часто упоминаемая как доказательство антагонистической плейотропии, была выполнена Майклом Роузом и Брайаном Чарльзуортом методами экспериментальной эволюции в модели плодовых мушек (Drosophila melanogaster) [32]. Исследователи искусственно отбирали мух-долгожителей — потомство более старых мух использовалось ими для последующего цикла селекции. С течением времени у мух увеличивалась продолжительность жизни, их плодовитость в позднем возрасте увеличивалась, но при этом плодовитость в молодом возрасте падала.

Этот результат был интерпретирован как свидетельство фундаментальной взаимосвязи между долголетием и ранней плодовитостью. Исследователи предположили, что мутации в неких плейотропных генах, с одной стороны, приводят к увеличению продолжительности жизни и репродуктивного периода, но, с другой стороны, уменьшают фертильность в раннем возрасте.

Однако этот вывод был впоследствии опровергнут: десять лет спустя после публикации первоначального исследования Майкл Роуз и его сотрудники опубликовали другую работу, где показали, что длительная экспериментальная эволюция может привести к тому, что долгоживущие мухи увеличат свою раннюю плодовитость. Селектированная линия мух превосходила материнскую линию и по продолжительности жизни, и по количеству производимого потомства [34]. Таким образом, связь между фертильностью и долголетием может быть разобщена экспериментально.

Несмотря на этот результат, влияние оригинальной работы Роуза и Чарльзуорта было настолько сильным, что она до сих пор цитируется в современной геронтологической литературе без упоминания ее опровержения (см., например [35]). В тех редких случаях, когда речь все же заходит о более поздних результатах группы Роуза, геронтологи утверждают, что если взаимосвязь между плодовитостью и долголетием может быть разобщена, то должны существовать некие другие взаимосвязи с другими физиологическими параметрами, такими как рост, иммунитет или стрессоустойчивость, препятствующими эволюции долголетия. Эти аргументы очень похожи на орбитальные эпициклы — небольшие дополнительные орбиты, которые были введены в геоцентрическую модель на закате ее существования для объяснения прецессии планет (см. главу 4).

Несмотря на наличие свидетельств в пользу дополнительных взаимосвязей между старением и полезными функциями, такими как рост или иммунитет, факты, подтверждающие теоретическую невозможность разобщения этих связей, отсутствуют. Более того, существует множество примеров долгоживущих видов, которые быстро растут, обладают сильным иммунитетом и стрессоустойчивостью. Я не знаю ни одного экологического или физиологического параметра, который отсутствовал бы у всех долгоживущих видов и мог бы стать универсальным объяснением старения. Конечно, можно утверждать, что у одних видов старение находится в обратной взаимосвязи с плодовитостью, у других — с иммунитетом, у третьих — со стрессоустойчивостью. Однако, на мой взгляд, это набор моделей ad hoc, что указывает на высокую сложность и слабость данной парадигмы. По моему мнению, из имеющихся данных следует, что:

• продолжительность жизни может эволюционировать независимо от других признаков;

• существующие взаимосвязи могут быть разобщены;

• вера в некие теоретические ограничения эволюции продолжительности жизни и плейотропные гены противоречит наблюдениям.

Более поздние попытки выявить плейотропные гены привели к созданию длинных списков известных мутаций, которые одновременно приводят как к полезным, так и вредным последствиям для здоровья, хотя при этом лишь немногие из них связаны со старением [36]. Эта работа показывает, что одна мутация действительно может приводить к изменению нескольких признаков. Однако ни один из примеров, к сожалению, не доказывает эволюционную стабильность связей между вредными и полезными эффектами мутаций.

Обсуждение всех генов из этих списков займет слишком много места, поэтому давайте рассмотрим только два из них.

Рецептор гормона роста

Мутация в рецепторе гормона роста(Growth hormone receptor, GHR) вызывает карликовость у мышей, но также увеличивает продолжительность их жизни [37]. Мутации самого гормона роста ответственны за снижение размера у мелких пород собак, которые живут дольше, чем более крупные породы [38]. Точно так же мутации GHR у людей (такие, как синдром Ларона) вызывают карликовость и увеличение периода здорового долголетия [39].

Из этих примеров очевидна связь между ростом и темпами старения:

• меньший размер и медленный рост ассоциированы с медленным старением;

• быстрый рост и больший размер ассоциированы с быстрым старением.

Но означает ли это, что короткая продолжительность жизни всегда сопутствует большему размеру тела? Определенно нет. Слоны живут дольше мышей. Если мы будем сравнивать не мутантов в пределах одного вида, а представителей разных видов животных, то обнаружим, что размер тела положительно коррелирует с продолжительностью жизни, то есть чем больше животное, тем дольше оно живет [19].

Таким образом, эти два параметра могут эволюционировать независимо друг от друга, и поэтому влияние мутации GHR на рост и на старение, очевидно, независимы и могут быть разобщены эволюцией. Высокие уровни стимулирующих рост сигналов могут сосуществовать с долголетием.

Бета-субъединица гемоглобина

Мутации в гене HBB

— глобина, кодирующего одну из субъединиц гемоглобина, вызывают серповидноклеточную анемию у людей. Ее клинические симптомы проявляются только в том случае, если мутация гомозиготна, то есть оба гена, полученные от каждого из родителей, содержат мутации. Красные кровяные тельца (эритроциты) у таких пациентов имеют характерную деформацию, напоминая по форме полумесяц. Они более жесткие и могут закупоривать сосуды, что приводит к болям, бактериальным инфекциям и инсультам. В развитых странах продолжительность жизни таких пациентов составляет от сорока до шестидесяти лет.

Несмотря на явные пагубные последствия для организма, серповидноклеточная анемия широко распространена в странах Африки к югу от Сахары. Но почему эта вредная мутация не была удалена естественным отбором? Гетерозиготные носители (то есть люди, у которых мутирована только одна копия гена HBB

— глобина из двух), не имеют явных симптомов, продолжительность жизни у них обычная, и, более того, они устойчивы к малярии. Последнее связано с тем, что малярию вызывает микроорганизм, проникающий в эритроциты и питающийся ими. Размножение паразитов затруднено в деформированных клетках, и из-за этого носители HBB

— глобиновой мутации частично устойчивы к малярии. Таким образом, гетерозиготные носители имеют более высокие шансы выжить в детстве, но платят за это повышенной вероятностью рождения больного ребенка, гомозиготного по мутации в HBB

— глобине.

Малярия — относительно недавнее заболевание, получившее широкое распространение в человеческой популяции около 50 000 лет назад 20. Мутация серповидноклеточной анемии, вероятно, является приобретением, возникшим только после начала широкого распространения малярии. Таким образом, в этом случае эволюция попросту не достигла долгосрочного равновесия, и то, что мы видим, — всего лишь эволюционный срез.

Может ли эволюция устранить вредное воздействие HBB

— глобиновой мутации, но сохранить ее положительный эффект? Конечно, может: например, посредством дупликации гена, которая даст каждому индивидууму по одной здоровой и одной мутантной копии гена и сделает людей устойчивыми к малярии без риска появления больного серповидноклеточной анемией потомства. Со временем эволюция компенсировала бы патологическую функцию мутации HBB

— глобина, сохранив при этом устойчивость к малярии.

Рис. 8. Серповидноклеточная анемия — это типичное рецессивное генетическое заболевание. Носители одной мутантной хромосомы не имеют существенных симптомов и даже обладают частичной устойчивостью к малярии. Носители двух мутантных хромосом имеют тяжелые симптомы заболевания.

Таким образом, центральное предположение теории антагонистической плейотропии — эволюционно стабильные плейотропные гены — не имеет научных оснований. Эту потенциальную слабость гипотезы, вероятно, осознавал и сам Уильямс. Если мы внимательно прочитаем его первоначальный текст [33], то найдем там следующий отрывок:

«…Если [плейотропный] ген зафиксируется в популяции, и если его эффекты в позднем возрасте в конечном итоге будут вредными, селекция будет отбирать любой ген, который сможет подавить [этот вредный эффект]. Однако по мере того, как процесс подавления будет приближаться к завершению, давление отбора в пользу дальнейшего подавления будет снижаться. Полное подавление, вероятно, никогда не будет реализовано».

Здесь Уильямс описывает ситуацию, когда компенсация негативного эффекта плейотропного гена возможна и даже почти завершена, но по каким-то причинам не доходит до конца. Почему она не завершается и полезный ген не закрепляется в популяции? Не очень понятно, что имел в виду Уильямс, принимая во внимание его исходную предпосылку, что селекция должна благоприятствовать эволюции долголетия. Таким образом, антагонистическая плейотропия построена на весьма зыбком фундаменте.

Однако давайте закроем глаза на неправдоподобность антагонистической плейотропии. Нельзя исключать, что некие будущие исследования помогут улучшить эту теорию. Посмотрим, как мы можем использовать эту модель, чтобы победить старение. Например, ведущий эксперт по этой теории, упомянутый выше Брайан Чарльзуорт, считает, что мы уже очень хорошо понимаем эволюцию старения [40]. При этом в его статье ни слова не сказано ни о потенциальных механизмах старения, ни о подходах к их обнаружению!

Другой ключевой специалист, Майкл Роуз, решительно выступает за эволюционный подход в механистических исследованиях старения, в полном согласии с идеями, высказанными в предыдущих главах этой книги. Однако в ответ на вопрос о разработке терапий против старения на основе его эволюционной модели, он предложил… палеолитическую диету. Согласно его концепции, мы должны изменить наш рацион в соответствии с тем, как питались наши предки в палеолите. Это очень похоже на капитуляцию, поскольку еще никто не избежал старения за счет диеты.

Можно ли с помощью антагонистической плейотропии составить план исследований, направленных на достижение биологического бессмертия? Эта теория, при всех ее недостатках, — точно сформулированная научная модель, и на ее основе, безусловно, можно составить такой план. Какие гены должны играть основную роль в старении согласно этой теории? Это должны быть гены, несущие недавно приобретенные полезные мутации.

Выше мы видели, что со временем эволюция может компенсировать вредные свойства плейотропных генов. Таким образом, варианты генов, которые появились многие миллионы лет назад, вероятно, уже очищены от вредных эффектов, в то время как в более эволюционно молодых вариантах, таких как мутации в HBB β-глобине, все еще могут быть заложены вредные функции. Почему же ученые не предлагают этот путь для исследования старения? Попробуем ответить на этот вопрос.

Итак, малярия является селективным фактором, который способствует закреплению плейотропного варианта HBB β-глобина (иначе говоря, серповидноклеточной анемии) в странах Африки к югу от Сахары. На соседнем континенте, в Европе, малярия не так широко распространена, поэтому серповидноклеточная анемия там практически не встречается, но зато там есть другие инфекции и другие генетические заболевания, связанные с устойчивостью к этим инфекциям.

Например, муковисцидоз — другое рецессивное генетическое заболевание, широко распространенное в Европе 21. Муковисцидоз вызван мутациями в белке CFTR, который переносит ионы хлора через клеточные мембраны.

Одна копия мутантного CFTR приводит к аномально вязкой слизи, которая может предотвратить репликацию патогенов в гетерозиготных носителях. Считается, что носители муковисцидоза, имеющие только одну копию мутантного гена, имеют высокую устойчивость к бактериальным инфекциям, которые некогда циркулировали в Европе, — тифу, туберкулезу или холере. Однако если же мутантный CFTR присутствует в гомозиготном состоянии, слизистые выделения становятся настолько вязкими, что это приводит к поражению лёгких и кишечника, ограничивая продолжительность жизни пациентов сорока — пятьюдесятью годами даже при наличии медицинской помощи.

Таким образом, мутации в обоих генах, HBB

— глобине и CFTR, хоть и обнаруживаются в первые месяцы или годы жизни, но развиваются и приводят к тяжелым заболеваниям и смерти в более позднем возрасте, а их распространенность в популяциях объясняется механизмом, предложенным антагонистической плейотропией. Однако симптомы болезней, вызванных этими генами, кардинально отличаются.

Поэтому, если бы антагонистическая плейотропия являлась механизмом, лежащим в основе эволюции старения, мы должны были бы ожидать, что люди в Европе будут стареть иначе, чем люди в Африке, поскольку они подвержены разным селективным факторам, а значит, и гены старения должны быть разными. Следовательно, механизмы старения должны сильно отличаться между разными видами животных или даже между популяциями одного и того же вида. Этот прогноз антагонистической плейотропии, очевидно, неверен. Механизмы и признаки старения у различных организмов очень похожи друг на друга. Мутации в одних и тех же генах имеют аналогичное воздействие на старение у очень отдаленных видов (см. пример гена GHR выше).

Более того, механизмы старения сходны у короткоживущих и долгоживущих видов, что еще раз указывает на отсутствие эволюционных препятствий к увеличению продолжительности жизни. Если предположить, что крысы, живущие по два года, стареют из-за того, что эволюции сложно удалить негативные функции плейотропного гена X, то тогда возникает вопрос: как это получилось у древесных белок, живущих по двадцать лет? Почему крысы не эволюционируют в сторону такой же продолжительности жизни?

Эти явные расхождения с эмпирическими данными препятствуют переносу идей антагонистической плейотропии в практику и ограничивают ее значимость пределами теоретической биологии.

Итак, мы разобрались, что антагонистическая плейотропия не является экономичной моделью, поскольку ее ключевая предпосылка — существование плейотропных генов — не доказана и не правдоподобна. Неопределенность относительно природы плейотропных генов не позволяет нам ни определить точные причины старения, ни планировать исследования с опорой на эту теорию. С момента ее публикации прошло более шестидесяти лет, но она не привела к расцвету геронтологии, как можно было бы ожидать от правильной парадигмы. Следовательно, антагонистическая плейотропия обладает несколькими признаками плохих парадигм и, вероятно, является ошибочной.

Тем не менее эта теория привнесла в область эволюционной геронтологии две очень важные идеи:

• впервые постулирована концепция компенсации. Особь стареет, и это для нее эволюционно невыгодно, однако взамен она получает преимущества, которые перевешивают потери, понесенные из-за старения;

• привлечено внимание к мутациям, которые приводят к продлению жизни, но в то же время — к эволюционно невыгодным физиологическим последствиям.

19 Строго говоря, под определение «плейотропный ген» подойдут любые функции. Однако здесь и далее мы будем иметь в виду только те плейотропные гены, которые оказывают противоположное влияние на приспособленность в разном возрасте.

20 Археологами были найдены останки болевших малярией гоминидов, которые жили 145 000 и более лет тому назад. Но мы здесь говорим не о возникновении болезни, а именно о ее широком распространении в человеческой популяции.

21 Термин «рецессивный» означает, что только гомозиготы, имеющие две копии мутантного гена, имеют клинические симптомы. В то же время термин «доминантный» означает, что уже одной копии мутировавшего гена достаточно, чтобы заболеть. Серповидноклеточная анемия и муковисцидоз вызываются рецессивными мутациями, в то время как болезнь Гентингтона — доминантной.

В этой главе мы рассмотрим модель, которая вывела эволюционную теорию старения на следующий концептуальный уровень. Иногда она рассматривается как разновидность антагонистической плейотропии, а иногда — как независимая теория. Основание этой модели было заложено в 1977 году, когда британский статистик Томас Кирквуд предположил, что старение является побочным следствием недостаточно эффективной репарации 22 организма, вызванной экономией энергии [41]. Эта модель была поддержана известным британским молекулярным биологом Робином Холлидеем, соавтором Кирквуда по ряду публикаций.

Основополагающая идея одноразовой сомы 23 заключается в том, что количество энергии, аминокислот или других доступных животному питательных веществ ограничено. Животные могут инвестировать эти дефицитные ресурсы либо в репарацию повреждений, либо в размножение. Если организм интенсивно вкладывает в размножение и недостаточно инвестирует в репарацию, это может привести к высокой плодовитости и последующему быстрому старению. Плодовитые, но быстро стареющие организмы могут иметь эволюционные преимущества по сравнению с долгоживущими, но менее фертильными вариантами.

Как мы уже обсуждали в предыдущих главах, полезные признаки, проявляющиеся в молодости, могут легко перевесить вредные признаки, проявляющиеся в старости, поскольку не все животные доживают до позднего возраста. Неразрешенная проблема — природа связи между ранней плодовитостью и скоростью старения. В то время как антагонистическая плейотропия утверждает, что эти связи возникают хаотично и спонтанно, теория одноразовой сомы впервые постулировала существование фундаментальной, повсеместно встречающейся взаимосвязи между этими параметрами.

Рис. 9. Теория одноразовой сомы предполагает существование фундаментальной взаимосвязи между скоростью старения и эффективностью размножения. Если высокая продолжительность жизни животных приобретается за счет их низкой плодовитости, то они будут уступать в эволюционной борьбе более плодовитым, но быстро стареющим вариантам.

Кирквуд предположил, что «валютой», посредством которой организмы «покупают» высокую раннюю фертильность, служат энергия и питательные вещества, которые в итоге недоинвестируются в репарацию. Эта взаимосвязь может объяснить, почему механизмы старения единообразны у разных видов живых организмов: если физиологические причины старения одинаковы, то неудивительно, что и его механизмы сходны.

Однако трудно поверить, что энергия и питательные вещества действительно являются универсальной «валютой», которая определяет баланс между долголетием и плодовитостью. Давайте предположим, что животные живут в очень богатой среде, пищи достаточно, и ее хватает и на репарацию, и на размножение. Возможна ли такая ситуация?

В природе численность популяции животных может быть ограничена не только количеством пищи, но и другими факторами, например наличием хищников. Замечено, что истребление человеком хищников, таких как волки или львы, вызывает рост популяции копытных, например оленей или антилоп. Соответственно, в этом примере именно присутствие хищников, а не недостаток пищи, ограничивает численность травоядных.

Если мы предполагаем, что в отсутствие хищников пищи хватает на определенное число животных, то в присутствии хищников, когда число животных уменьшается, еда оказывается в избытке! С другой стороны, травоядные животные стареют именно в такой ситуации — в присутствии хищников и при избытке еды. А значит, недостаток энергии не может объяснить старение в этом случае — энергии должно хватать и на размножение, и на репарацию.

Рис. 10. Отстрел хищников приводит к росту числа копытных, следовательно, пища не является главной причиной ограничения их численности в отсутствие человека.

Напротив, долгоживущие виды часто встречаются в относительно скудных, располагающих к экономии ресурсов условиях, таких как пещерные, глубоководные или полярные экосистемы. Например, максимальная продолжительность жизни европейского протея (Proteus anguinus), широко известной пещерной амфибии, оценивается примерно в сто лет [42].

Многие долгожители-рекордсмены обитают в Северном Ледовитом океане:

• самое долгоживущее животное на Земле — моллюск Arctica islandica(более пятисот лет [43]);

• самое долгоживущее позвоночное — гренландская полярная акула Somniosus microcephalus(более трехсот лет [44]);

• самое долгоживущее млекопитающее — гренландский кит Balaena mysticetus(более двухсот лет [45]).

Таким образом, если ограничение ресурсов является значимым экологическим фактором, то это, скорее, приводит к увеличению продолжительности жизни, вопреки предсказаниям теории одноразовой сомы.

Посмотрев на различия в продолжительности жизни между разными особями одного и того же вида, мы тоже найдем факты, противоречащие теории одноразовой сомы. Например, у большинства млекопитающих самцы живут меньше, чем самки. Однако самки вкладывают гораздо больше ресурсов в вынашивание и заботу о потомстве. Согласно теории одноразовой сомы, разница должна быть обратной: самки должны жить меньше.

А что произойдет, если ограничить пищевой рацион лабораторных животных? Теория одноразовой сомы предполагает, что энергия является ключевой «валютой», определяющей продолжительность жизни. Следовательно, уменьшение количества питательных веществ должно привести к ускоренному старению и сокращению продолжительности жизни. Однако мы видим противоположное: ограничение рациона обычно продлевает срок жизни модельных организмов.

Для разрешения этого противоречия Кирквуд утверждает, что в этом случае инвестиционная программа полностью меняется и продолжительность жизни увеличивается, чтобы пережить голод [46]. Этот аргумент подразумевает существование продлевающей жизнь программы, которая может быть включена или выключена. Предположим, что при нормальных условиях питание несколько ограничено, но голода нет. Предсказанная одноразовой сомой оптимизация инвестиций энергии ведет к усиленному воспроизводству и недостаточной репарации, приводящей к старению.

Теперь давайте перенесем этот организм в нишу, чрезвычайно богатую питательными веществами. Необходимость экономить на репарации устранена, и ожидается, что организм активизирует свою программу продления жизни, которая у него априори присутствует. Однако этот прогноз теории одноразовой сомы не подтверждается экспериментально. В нишах, богатых ресурсами, организмы не увеличивают свою продолжительность жизни.

Все эти наблюдения противоречат концепции старения как механизма оптимизации энергии. Более того, при более внимательном рассмотрении основной математической модели одноразовой сомы мы также обнаружим серьезные несоответствия.

Рассмотрим две модельные ситуации: популяцию животных со стабильной численностью и экспоненциально растущую популяцию.

Популяция животных со стабильной численностью

Если численность популяции стабильна во времени, как у большинства видов животных, то, чтобы сохранить уровень представленности своих генов в популяции на прежнем уровне, индивидуум должен произвести по крайней мере одного потомка 24, который доживет до взрослого возраста и заменит родителя, когда тот умрет от старости. Таким образом, если старение является энергосберегающим механизмом, создание нового животного из оплодотворенной яйцеклетки должно быть менее затратно, чем репарация тела родителя.

Однако это противоречит закону сохранения массы. Даже если 90 % всех молекул в теле старого родителя повреждены, он все равно энергетически более ценен, чем крошечная оплодотворенная яйцеклетка. Этот аргумент неоднократно подвергался нападкам со стороны сторонников теории накопления повреждений. Они предполагают, что организмы могут быть не способны различать поврежденные молекулы или структуры, учитывая разнообразие повреждений, которым могут подвергаться молекулы.

Однако даже если принять эту точку зрения, организмы могут просто увеличить скорость замены молекул, разрушая и заменяя все белки и клетки с большей скоростью, независимо от того, повреждены они или нет. Поврежденные молекулы из старого организма могут по-прежнему перевариваться, а полученные питательные вещества и энергия — использоваться для восстановления организма. Трудно представить, как этот процесс может быть более энергозатратным, чем выращивание нового организма, начиная с яйцеклетки 25.

Смерть организма означает потерю всех питательных веществ, использованных для создания его тела. Эти питательные вещества больше не могут служить для распространения его генов 26. Таким образом, в популяциях со стабильной численностью особей гипотеза одноразовой сомы не может объяснить старение.

Экспоненциально растущая популяция

Теперь исследуем, может ли теория одноразовой сомы работать, если популяция постоянно растет. Если количество доступных ниш очень велико или увеличивается, то инвестиции в более быструю репликацию помогают занять больше ниш. В этом случае размножение намного важнее, чем выживание родителей.

Рассмотрим пример нематоды, круглого червя Caenorhabditis elegans, помещенного в чашку Петри. Одна нематода откладывает около 200 яиц, и из каждого вылупляется новая нематода. Каждый из этих дочерних организмов может отложить еще 200 яиц, то есть в итоге мы получаем 40 000 внуков. Организм бабушки существует достаточно долго, чтобы дожить до рождения внуков. Теперь представьте, что черви будут жить немного дольше, но при этом будут откладывать немного меньше яиц или производить их с задержкой. В этом случае преимущества, связанные с долголетием, ничтожно малы по сравнению с выгодами экспоненциального роста:

• увеличение продолжительности жизни добавит всего лишь еще один организм — бабушку — к растущей популяции;

• в то время как сокращение фертильности всего лишь на 1 % уменьшит число червей во втором поколении на 796 (2002 −1982)!

Разница настолько велика, что многие исследователи безоговорочно принимают этот аргумент. Однако его тоже недостаточно, чтобы объяснить старение, используя логику теории одноразовой сомы:

• во-первых, экспоненциальный рост предполагает изобилие пищи, которая необходима для роста все новых и новых животных. Если пища присутствует в избытке, ее должно быть также достаточно для репарации тела родителя;

• во-вторых, этап экспоненциального роста не может длиться бесконечно, в какой-то момент ресурсы неизбежно будут исчерпаны, а численность популяции должна начать стагнировать или уменьшаться, что приведет систему к условиям, благоприятствующим долголетию, а не воспроизводству, как мы обсуждали выше.

Стоимость репарации

Наконец, экономия энергетического бюджета за счет недостаточных инвестиций в репарацию, который постулирует теория одноразовой сомы, не кажется существенной. Млекопитающие постоянно производят новые клетки кожи, кишечника и крови: старые клетки отмирают, а на их место приходят новые. Человеческий организм на протяжении своей жизни заменяет сотни килограммов этих тканей. В то же время наиболее частые причины смерти от старости связаны с отказом мозга, сердца и иммунной системы. Человеческое сердце весит меньше 400 граммов и формируется один-единственный раз в ходе внутриутробного развития. Сильно ли увеличит полная регенерация сердца общий бюджет регенерации, уже происходящей в наших телах? Нет.

Итак, теория одноразовой сомы сыграла важную роль в разработке идеи фундаментальной взаимосвязи между долголетием и репродуктивным успехом. Она впервые предложила универсальный механизм того, как работает транзакция «кредит на обучение» и как она приводит к старению. В то же время энергия и питательные вещества, предложенные Кирквудом, из-за расхождений с наблюдаемыми фактами, очевидно, не могут быть «валютой», объясняющей старение. Может быть, другие «валюты» будут работать лучше?

Прежде чем начать поиски альтернативной «валюты», рассмотрим проблему омоложения, причем также с эволюционной точки зрения. Эта важная тема не только имеет прямое отношение к интересующему нас практическому результату, но и представляет собой дополнительную теоретическую головоломку, вступая в противоречие как с гипотезой антагонистической плейотропии, так и с концепцией одноразовой сомы. Загадка омоложения имеет огромное концептуальное значение для разработки эволюционных гипотез старения.

22 Здесь: репарация — способность организма восстанавливать повреждения.

23 Сома — все ткани организма, за исключением зародышевой линии (сперматозоидов и яйцеклеток, из которых получаются эмбрионы). Соматические клетки не передают свой генетический материал следующему поколению. Между прочим, идея разделения сомы и зародышевой линии принадлежит упомянутому выше Августу Вейсману.

24 Для простоты рассмотрим случай бесполого размножения.

25 Некоторые исследователи утверждают, что регенерация в этом случае не является механически осуществимой. Действительно, организм взрослых млекопитающих обладает ограниченным регенеративным потенциалом. Однако регенерация у эмбрионов млекопитающих и у взрослых амфибий позволяет предположить, что регенерация должна быть механически возможна и у взрослых млекопитающих.

26 Конечно, тело мертвого животного может быть переработано бактериями и послужить удобрением для растений, которыми может питаться детеныш. Однако следует учитывать, что потери биомассы на каждом этапе пищевой цепочки составляют около 90 %, поэтому количество энергии, переданной таким образом непосредственно от матери к детенышу, будет ничтожно мало.

Для начала — что такое реювенация? В процессе реювенации, или омоложения, биологический возраст организма возвращается к более молодому состоянию. Вероятность смерти омолодившегося организма снижается до уровня, характерного для более молодого возраста. Кроме того, в дальнейшем эта вероятность должна расти так же, как и у более молодого организма, не подвергшегося омоложению.

Мы практически не сталкиваемся с омоложением ни в повседневной жизни, ни в экспериментальной работе, поэтому этот вопрос находится на периферии дискурса и большинство ученых рассматривают его как чисто теоретический. Часто говорят, что механическая возможность привести все молекулы в наших телах в их «правильное» молодое состояние в принципе возможно, но это должно быть очень трудно. Обычно эти дискуссии весьма абстрактны и двусмысленны.

Тем не менее возможность омоложения хотя бы в теории имеет огромное практическое значение. Это напрямую влияет на то, как следует проводить эксперименты: стоит ли пытаться омолодить старых мышей или ограничиться попытками предотвратить старение у животных среднего возраста? Мы начнем с экологических наблюдений, чтобы рассматривать возможность омоложения на конкретных примерах.

Самым простым и распространенным примером омоложения является сброс возраста во время раннего эмбриогенеза. Ооциты стареют в организме самки вместе со всеми остальными тканями. Например, их ДНК накапливает эпигенетические модификации. Однако, на ранних стадиях эмбриогенеза, когда новый организм состоит всего из нескольких клеток, все возрастные модификации, унаследованные от родителей, стираются. Дети пожилых родителей рождаются с тем же биологическим возрастом, что и дети молодых. Однако это работает только на очень ранних стадиях развития и не может быть сопоставимо с омоложением взрослого организма.

Выше мы уже рассказывали о бессмертной медузе, которая из взрослой свободно плавающей формы может превратиться в полип [8]. Подобные примеры так называемого обратного развития можно найти также у гребневиков [47] и термитов [48]. В этих случаях более ранняя, молодая личиночная форма животного может развиться из более продвинутой, старой формы. Обратное развитие однозначно доказывает, что омоложение возможно. Однако эти примеры связаны с метаморфозами и вряд ли могут быть перенесены на человека или других млекопитающих.

Рис. 11. Омоложение. Настоящее омоложение должно полностью обращать все параметры старого организма к его более «молодым» показателям. Омоложенный организм должен быть неотличим от молодого. Псевдоомоложение обращает лишь часть физиологических показателей и может не увеличивать продолжительность жизни.

Могут ли омолаживаться взрослые животные, не проходя через метаморфоз? Необычные эффекты, очень напоминающие омоложение, встречаются у эусоциальных насекомых.

Эусоциальность — это тип социальной структуры, в которой одна или несколько самок и несколько самцов репродуктивно активны, а остальные особи заботятся о потомстве, защищают и чистят гнездо, добывают пищу, но не размножаются.

Эусоциальное сообщество можно сравнить с метаорганизмом, в котором королевы и короли (собирательно называемые плодящимися) играют роль репродуктивных органов, а рабочие (не плодящиеся) — соматических тканей. Эусоциальность встречается у насекомых — термитов, муравьев и пчел. Среди млекопитающих эусоциальных видов совсем немного, и все они относятся к отряду грызунов, семействам землекоповых (Bathyergidae) и голых землекопов (Heterocephalidae).

Пластичность продолжительности жизни — ситуации, при которых генетически сходные организмы стареют с разной скоростью.

Эусоциальность часто коррелирует с увеличением пластичности продолжительности жизни. Например, королевы в большинстве видов эусоциальных насекомых живут намного дольше, чем рабочие (см. главу 16). Но может ли взрослый рабочий стать королевой и что тогда происходит с его старением? У некоторых видов муравьев [49], медоносных пчел (Apis mellifera) [50] и землекопов [51] в случае смерти репродуктивной королевы ее место может занять рабочая особь, которая приобретает способность к размножению 27. Такие особи приобретают большую продолжительность жизни наряду с другими атрибутами высокого социального статуса. Любопытно, что у муравьев псевдокоролевы могут терять способность к размножению и возвращаться в касту рабочих. В этом случае их продолжительность жизни вновь становится короткой [49].

Следует ли рассматривать эти примеры увеличения продолжительности жизни как омоложение или это просто замедление темпов старения? Поскольку старение не имеет четкого определения, можно интерпретировать эти наблюдения по-разному. Но давайте будем осторожны с выводами и предположим, что речь идет лишь о замедлении старения.

Примером пластичности продолжительности жизни, которая больше всего похожа на омоложение взрослых организмов, является удивительное превращение медоносных пчел.

Рассмотрим жизненный цикл пчелы. Как правило, вылупившаяся молодая пчела становится нянькой и ухаживает за яйцами, личинками и куколками. В течение этого периода она не покидает колонию. Через несколько недель она становится фуражиром и начинает вылетать из улья, чтобы собирать пыльцу и нектар. Эта смена рода деятельности сопровождается резким ухудшением физического состояния пчелы, проявляющимся в снижении стрессоустойчивости и уменьшении циркулирующих иммунных клеток. У фуражиров понижается уровень синтеза вителлогенина — многофункционального белка, служащего для хранения питательных веществ и гормонального регулирования долголетия. Фуражиры живут две-три недели, после чего умирают от старости.

Пчелы обладают необычной способностью регулировать старение. Так, возрастные изменения, происходящие с пчелой, в большей степени зависят от выполняемой ею работы, нежели от времени: если пчела-нянька по какой-то причине не становится фуражиром, то ее старение значительно замедляется. Если же колония подвергается неблагоприятному воздействию, пчелы способны совершить то, что кажется невозможным, — омолодиться. Так, если число нянек по какой-то причине сильно уменьшится, то некоторым из фуражиров придется вернуться в улей и взять на себя заботу о потомстве, иначе оно погибнет, а вся колония окажется на грани коллапса. Возвращение пчел к роли нянек сопровождается физиологическим омоложением, которое включает увеличение продолжительности жизни, повышение количества циркулирующих иммунных клеток, восстановление синтеза вителлогенина, а также возврат экспрессии генов к более молодому состоянию [50, 52] 28.

Рис. 12. Жизненный цикл пчелы — примеры пластичности старения и омоложения.

После того как пчела покидает куколку, она становится нянькой и приступает к работе внутри улья, ухаживая за личинками, куколками и королевой. Няньки никогда не покидают улей. Через несколько недель нянька становится фуражиром и начинает сбор пыльцы и нектара вне улья. Переход от одной профессии к другой сопровождается резкими переменами в физиологии пчелы: снижается количество вителлогенина, падает число иммунных клеток и т. д. Поработав некоторое время фуражиром, пчела умирает от старости или от внешних факторов. Однако при некоторых условиях рабочие пчелы могут значительно увеличить свою продолжительность жизни. Например, если температура окружающей среды падает, пчелы переходят в состояние диапаузы, в котором они могут пережить холодный сезон. Если королева гибнет, а вывести новую не получается, то рабочие пчелы могут стать трутовками, то есть начать нести неоплодотворенные яйца, из которых вылупляются только самцы-трутни. Трутовки живут дольше обычных рабочих пчел. В случае гибели пчел-нянек части фуражиров приходится вернуться в улей, чтобы позаботиться о личинках и куколках. В этом случае по крайней мере часть тех физиологических изменений, которые произошли с ними при смене профессии, обращаются вспять: число иммунных клеток растет, а количество вителлогенина повышается. Является ли это омоложение полным или частичным, еще предстоит установить (по [50]).

Этот пример показывает, что омоложение механически возможно, по крайней мере у пчел. Мало того, омоложение оказывается связанным с какой-то проблемой, иначе почему оно происходит, как только колония сталкивается со смертельной угрозой? Почему пчелы выбирают бо́льшую продолжительность жизни, только если перед ними стоит выбор между долголетием и гибелью колонии? Почему они избегают этого в оптимальных условиях? Какие экологические издержки связаны с омоложением? Современная наука не имеет ответов на эти вопросы. Далее в этой книге мы попробуем их найти, но сперва обсудим, вписывается ли омоложение пчел в классические теории старения.

Теории антагонистической плейотропии и одноразовой сомы часто объединяют общей формулой «покупай сейчас, плати позже». Обе они могут быть истолкованы так: организмы стареют, потому что они «берут кредит» у самих себя в будущем, получают преимущества в молодости, однако в более позднем возрасте вынуждены расплачиваться за эти преимущества старением. Обе теории предлагают несколько разные механизмы этой «транзакции», но общая картина остается сходной.

Мы можем легко адаптировать эти идеи для пчел: если только небольшая часть рабочих особей доживает до старости, то нет причин вкладывать в репарацию слишком много. Некоторые рабочие пчелы могут умереть от старости, но эти небольшие потери будут компенсированы повышением физической формы молодых особей (по версии антагонистической плейотропии) или экономией энергии за счет недоинвестирования в репарацию в более молодых и многочисленных когортах (по версии одноразовой сомы). Однако эта логика работает только до тех пор, пока мы не вводим возможность омоложения.

Если зависимость биологического возраста от времени немонотонна (иначе говоря, возраст может не только увеличиваться, но и уменьшаться со временем), то старые пчелы, достигшие предела своей жизни, могут не умереть, а омолодиться и продолжать служить колонии. Описанные выше эксперименты показывают, что в принципе это биологически возможно.

Может ли быть так, что омоложение является очень дорогим процессом, требующим инвестиции большого количества энергии? Это маловероятно. Для того чтобы количество пчел в улье сохранялось на постоянном уровне, сообществу придется произвести новую пчелу, которая займет место умершей от старости. Может ли производство новой особи обойтись дороже, чем репарация старой? Выше мы обсуждали подобные предположения в контексте теории одноразовой сомы и пришли к выводу, что они противоречат законам сохранения массы. Тело взрослой пчелы содержит больше питательных веществ, чем одно яйцо; следовательно, омоложение старой особи всегда должно быть дешевле, чем выращивание новой.

Некоторые исследователи продолжают считать, что омоложение обходится непомерно дорого. Для этого им нужно предположить, что омоложение организма — это не просто замена поврежденных клеток и молекул на равноценные, но и некие дополнительные издержки, которые могут превышать энергетическую стоимость всего старого, поврежденного организма. Однако природа этих расходов неясна, и ученые не заметили значительных энергетических затрат при омоложении пчел. Таким образом, нет никаких научных оснований полагать, что омоложение энергетически дороже, чем создание нового организма.

Следовательно, сама физическая возможность омоложения несовместима с теориями типа «покупай сейчас, плати позже». Действительно, банковские кредиты были бы невозможны после изобретения машины времени: заемщики просто отправились бы назад во времени, чтобы вернуть свой долг, не выплачивая процентов или попросту передавали бы деньги самим себе в прошлом. Омоложение — это аналогичный механизм погашения долга за повышенную приспособленность в молодом возрасте, которая позволяет избежать старения. Если омоложение возможно, то, исходя из предсказаний классических теорий, оно должно быть эволюционно выгодно для каждой особи, достигающей возраста старения.

Тем самым, если исходить из теорий «покупай сейчас, плати позже» 29, отсутствие омоложения как широко распространенного в природе явления — доказательство его физической невозможности. Однако пример медоносных пчел противоречит этому тезису. Он указывает, что омоложение механически возможно, но связано с некими необъясненными проблемами, и потому пчелы прибегают к нему только в крайних случаях. Заманчиво предположить, что именно эти экологические проблемы являются причиной того, что омоложение так мало распространено у животных.

Таким образом, если исследования, описывающие омоложение, не имеют серьезных технических недостатков и если механическая возможность сделать взрослый организм моложе может быть распространена на более широкий спектр видов, это формально докажет ошибочность теорий «покупай сейчас, плати позже» и в то же время даст нам надежду на омоложение человека, которое эти теории исключают.

27 У медоносных пчел такие королевы не являются полноценными, поскольку из их яиц выводятся одни трутни.

28 Следует отметить, что, хотя физиологическое омоложение пчел хорошо охарактеризовано, увеличение продолжительности жизни было постулировано исследователями, но не было аккуратно продемонстрировано или точно измерено.

29 Не говоря уже о моделях накопления повреждений, предполагающих, что старение неизбежно.

Давайте резюмируем неполноту нашего понимания старения. Как мы обсуждали выше, существующие эволюционные теории не в состоянии дать удовлетворительное объяснение старению и послужить отправной точкой для разработки антивозрастной терапии. Несмотря на это, они по-прежнему широко обсуждаются и цитируются. Непоследовательность этих гипотез затрудняет их взаимодействие с другими разделами биологии, что часто приводит к путанице и заблуждениям.

В качестве примера можно привести программную статью «Смягчение бремени возрастных соматических мутаций» [53], в которой авторы постулируют центральную роль соматических мутаций в старении. Соавторами этой статьи является группа первоклассных ученых, написавших множество интересных экспериментальных работ, некоторые из них считаются классическими. В статье подробно рассматриваются молекулярные и генетические механизмы соматических мутаций и их потенциальная роль в старении.

Однако, когда дело доходит до эволюционных аспектов, авторы предполагают, что «накопление соматических мутаций, связанных с возрастом, неизбежно из-за отсутствия эволюционного давления в пользу защиты целостности генома после первого размножения». То есть после того, как особь первый раз принесла потомство, эволюции становится безразлична целостность ее генома, а следовательно, и ее выживание. Согласно этой позиции, может существовать жизнеспособное фертильное животное, выживание которого безразлично для эволюции, поскольку это животное уже имеет потомство. Этот тезис является неверным.

Чтобы продемонстрировать его ошибочность, мы можем сравнить материнские и дочерние организмы, для простоты предполагая, что они генетически идентичны. Должна ли эволюция относиться к ним по-разному, если они одинаково фертильны? Если старение изначально отсутствует в модели, то оба животных эквивалентны, имеют одинаковую вероятность умереть, одинаковые шансы принести потомство и так далее. Следовательно, они равнозначно ценны для эволюции. Так почему же эволюция должна обращаться с ними по-разному?

Рис. 13. Симметрия и старение. Предположим, что первые животные не старели подобно гидрам или планариям. Представим, что такое нестареющее животное принесло потомство и один из потомков дожил до половой зрелости. Поскольку старения у этих животных нет, обе особи идентичны и одинаково ценны для эволюции. По какой причине родительская особь, а не дочерняя должна начать стареть?

Вышеупомянутая цитата — химерный аргумент, созданный путем объединения не связанных друг с другом фрагментов двух разных теорий. Тень отбора говорит, что выживание не дает никакого эволюционного преимущества после возраста, в котором большинство индивидуумов уже умерло от внешних причин. Антагонистическая плейотропия утверждает, что сила селекции начинает уменьшаться в возрасте первого размножения, но это относительное уменьшение, а вовсе не обнуление. То, что происходит после первого размножения, несколько менее важно, чем то, что происходило до него, но все равно важно. Ян Вийг, Бьорн Шумахер и другие члены группы авторов позаимствовали эволюционную нейтральность старения из теории тени отбора, но почему-то посчитали, что старение становится нейтральным после первого размножения, а не после возраста вероятной смерти от внешних причин.

Ученые-соавторы этой статьи — профессионалы высочайшего уровня, и нет сомнений в том, что они нечаянно пропустили эту ошибку. Тем не менее этот пример указывает на общее пренебрежение эволюционной теорией, широко распространенное в современной геронтологии. Эволюционные подходы считаются непродуктивными и упоминаются скорее как дань традиции, нежели как работающая часть концепции. Действительно, исследования, основанные на существующих эволюционных моделях, редко дают результаты, которые могут быть преобразованы в конкретные молекулярно-биологические гипотезы, помогающие в разработке терапий старения. Я убежден, что разрыв между двумя областями вызван ошибочностью общепринятой эволюционной парадигмы старения в ее текущей форме.

В этой части мы рассмотрели основные эволюционные теории старения.

Модель Вейсмана предполагала, что старение помогает избавиться от пожилых, потенциально искалеченных особей и высвободить ресурсы, которые они неэффективно используют. Смерть старых особей перераспределяет ресурсы в пользу молодых, более эффективных животных и повышает продуктивность популяции. Эта модель выдерживает «беличий тест», если предположить, что крысы травмируются чаще, чем белки. Однако эта теория была отвергнута, поскольку она предусматривает, что животные будут жертвовать индивидуальной выгодой ради преимуществ популяции, что противоречит концепции трагедии общин (то есть превосходства индивидуальных мотивов над коллективными).

Модель тени отбора основана на идее, что сила отбора со временем снижается. Поскольку животные умирают из-за нападений хищников, холода и других внешних причин, признаки, влияющие на здоровье животных в конце жизни, менее важны, чем те, которые влияют на нее в начале. Поздние признаки влияют лишь на небольшую часть животных. Старение могло бы быть эволюционно нейтральным (не влиять на отбор), если бы все животные умирали от внешних причин до того, как начинали стареть.

Эта модель выдерживает «беличий тест», если предположить, что крысы умирают от внешних причин раньше, чем белки. Однако ключевая предпосылка тени отбора неверна, поскольку в популяциях диких животных вероятность смерти увеличивается с возрастом, что свидетельствует о том, что в природе животные доживают до начала старения. Тень отбора сама по себе недостаточна для объяснения старения, хотя ключевая предпосылка верна — черты, проявляющиеся в поздних периодах жизни, действительно менее важны, чем черты, проявляющиеся в раннем периоде жизни.

Теория антагонистической плейотропии опирается на тень отбора, дополняя ее гипотезой плейотропных генов, дающих репродуктивные преимущества в молодости, но вредных в старости. Эволюция не может разобщить вредные и полезные функции этих генов, и их совокупный вредный эффект приводит к старению. Если допустить существование плейотропных генов, то это объяснит старение, поскольку их преимущества в раннем возрасте помогают многим животным и уравновешивают недостатки, влияющие на очень немногочисленных особей, которым повезло дожить до старости.

Антагонистическая плейотропия выдерживает «беличий тест», если мы сделаем те же предположения, что и при обсуждении тени отбора: крысы умирают от внешних причин раньше белок, что усиливает отбор в пользу неких плейотропных генов. Однако убедительных свидетельств существования эволюционно стабильных плейотропных генов пока не найдено.

Гипотеза одноразовой сомы делает шаг вперед и вместо плейотропных генов, возникающих случайно, вводит фундаментальную взаимосвязь между ранней и поздней жизнеспособностью. В классической формулировке эта теория представлена в терминах энергетических инвестиций в репарацию и рождаемость. Она предполагает, что энергия и питательные вещества являются «валютой», которая может быть вложена либо в одно, либо в другое. Старение, согласно этой теории, является побочным эффектом экономии ресурсов, ведущим к недоинвестированию в репарацию и сверхинвестированию в размножение.

Одноразовая сома выдерживает «беличий тест», если предположить, что крысы вкладывают больше энергии в размножение по сравнению с белками. Однако выше мы обнаружили, что в стабильных популяциях одноразовая сома противоречит законам сохранения массы, поскольку требует, чтобы создание нового животного было дешевле, чем репарация старого. Этот и другие аргументы указывают на то, что продление жизни — энергетически более эффективная стратегия, чем размножение. Поэтому, если действительно существует взаимосвязь между старением и репродуктивным успехом, она должна обеспечиваться какой-то другой «валютой».

Антагонистическая плейотропия и одноразовая сома схожи тем, что считают старение результатом погашения «кредитов на обучение», которые помогли организмам в молодости. Обе модели можно обобщить принципом «купи сейчас, заплати потом». Главное различие между ними в том, что антагонистическая плейотропия постулирует множество стохастических транзакций, связанных с действием разных плейотропных генов, а одноразовая сома — существование единственной «валюты», которой является энергия.

При этом ни одна из классических эволюционных теорий старения не является убедительной, и в этом, скорее всего, состоит причина того, почему эволюционные аргументы во многом игнорируются геронтологическим сообществом.

Мы же стремимся разработать продуктивную теорию, которая могла бы связать эволюционную биологию старения, физиологию и молекулярную биологию. В качестве первого шага мы оглянемся назад и ответим на вопрос: может ли старение быть запрограммированной адаптацией?

Является ли старение запрограммированным процессом? Что, если оно наступает не как следствие эволюционной незначительности старых особей или погашения «кредита на обучение», а как генетическая программа, убивающая организм? Почему нам необходимо это знать? Существуют два мало пересекающихся друг с другом подхода к разработке лекарств от старости.

• Современные эволюционные модели говорят, что старение — это либо эволюционно нейтральное явление, либо побочный продукт каких-то положительных свойств, со временем повреждающих организм. Если это так, то разумной стратегией является классификация всех повреждений, которые организм человека получает в течение жизни, и их компенсация при помощи лекарств или других медицинских вмешательств.

• Напротив, если старение является адаптивным процессом (например, если отвергнутая модель Августа Вейсмана может быть в каком-то виде согласована с теорией эволюции и извлечена из анналов науки), то организмы активно убивают себя. В этом случае рациональный подход состоит в поиске и инактивации механизмов активного самоубийства.

Для простоты мы можем сравнить старение со сдувшейся шиной. В некоторых случаях шина может сдуться со временем из-за микроскопических пор в резине, и в этом случае достаточно ее просто накачать. В других случаях шина может сдуться из-за проколовшего ее гвоздя. Тогда нам нужно извлечь гвоздь, заделать отверстие заплаткой и снова надуть колесо. Во втором случае нам нужно исправить изменившуюся структуру нашего объекта и только потом заняться возвращением давления к норме.

В первом случае старение — это не адаптация, а постепенный спад, происходящий без появления дополнительных компонентов. Нам нужно только устранить повреждения — подкачать шину, чтобы она снова стала полностью функциональной. Если старение — это адаптация, то новые компоненты — повреждающие «гвозди» старения — должны быть запрограммированы где-то в нашем геноме. Мы должны найти программу, которая их активирует, отключить ее, а затем, если нужно, исправить повреждения, которые все же могли накопиться 30. Очевидно, что эти две стратегии кардинально отличаются друг от друга: один подход заключается в репарации пассивных повреждений, а другой — в отключении активного механизма старения. В первом случае необходимо что-то починить, а во втором — что-то сломать.

Из этого примера еще раз следует, что выбор между двумя подходами должен быть продиктован твердыми фундаментальными знаниями, в то время как промежуточные экспериментальные результаты могут вести по ложному пути. Давайте предположим, что у нас нет опыта в ремонте колес, и единственный показатель, который мы анализируем, — это давление в неисправной шине. Если мы начнем подкачивать шину, то увидим, что давление растет. Эти результаты будут рассматриваться как обнадеживающие, и мы начнем разработку более эффективных насосов для окончательного решения проблемы сдувшихся шин. Напротив, попытка удалить гвоздь может вызвать немедленное падение давления и будет сочтена неправильным подходом, поскольку мы можем не знать, что проделанное гвоздем отверстие следует сначала заклеить. Таким образом, для эффективной починки шин необходимо твердое понимание всех взаимосвязей между давлением, гвоздем и заплаткой.

Прежде чем начинать разработку антивозрастной терапии, нужно определиться с подходом. Если мы ошибемся в выборе направления, то вложенные ресурсы будут, скорее всего, полностью потеряны.

В настоящее время подавляющее большинство исследователей считают старение следствием накопления повреждений. Может быть, этот подход неверен? Может быть, именно из-за этого прогресс в геронтологии столь незначителен? Давайте проанализируем, почему так много ученых уверены, что старение — это не адаптация.

30 Некоторые возрастные повреждения могут быть необратимыми. Например, если пожилой пациент потерял зубы, не стоит ожидать, что после излечения старения у него вырастут новые. Следовательно, профилактика старения может быть лучшей стратегией сохранения здоровья, чем омоложение стариков.

Против запрограммированного адаптивного старения обычно выдвигаются два аргумента: во-первых, неясно, для чего полезно старение, во-вторых, непонятно, почему мы не видим нестареющих мутантов в природе и в лабораторных экспериментах. Давайте обсудим эти вопросы подробнее.

Любой важный признак организма должен прямо или косвенно способствовать распространению генов этого организма. Гипотезы антагонистической плейотропии и одноразовой сомы рассматривают старение как вредный побочный эффект каких-то полезных признаков. Но что будет, если мы посмотрим на старение как на самостоятельную адаптацию?

Если старение — запрограммированный механизм, то оно обязано быть сильным альтруистическим признаком. Если организм специально стареет, значит, он жертвует собственной эволюционной выгодой. А делать это он может только для того, чтобы способствовать распространению собственных генов за счет усиленного размножения своих родственников. Эволюционная целесообразность альтруизма 31 определяется формулой, выведенной британским биологом-эволюционистом Уильямом Дональдом Гамильтоном [54]. Правило Гамильтона гласит, что альтруизм может быть эволюционно выгоден, только если те преимущества, которые получают гены альтруиста, превышают стоимость, которую он платит. Математически это правило записывается как неравенство:

b× r c,

где:

с — стоимость, которую платит альтруист, например, время и ресурсы, которые он затрачивает, совершая альтруистический поступок;

b — польза, которую в итоге получает организм — получатель альтруистических благ (реципиент);

r — степень родства между альтруистом и реципиентом.

В этой формуле r выражается как доля генов, разделяемых между двумя индивидуумами, и, следовательно, это число обычно меньше, чем 1.

Из этого следует, что если у меня есть мороженое и я отдаю его своему брату, с которым у нас совпадает половина генома (r= 0,5), это мороженое поможет только 50 % генов, которые у нас общие. Тем самым моя дарвиновская приспособленность потеряет 50 % от стоимости мороженого. В этом случае b= c и равно стоимости мороженого. Более того, даже если я отдам мороженое своему брату-близнецу, геном которого полностью совпадает с моим (r= 1), этот акт альтруизма все равно не будет эволюционно выгодным! b× r будет равно c, но чтобы альтруизм сработал, b× r должно быть БОЛЬШЕ, чем c! Особь с моим геномом в любом случае будет обладать этим мороженым, и с точки зрения эволюции его передача ничего не изменит. Однако при передаче мороженого брату-близнецу может произойти ошибка: неродственная особь может притвориться моим братом-близнецом и забрать у меня мороженое! Это может привести к потере мороженого и всех связанных с ним эволюционных преимуществ! Так почему же я должен идти на такой риск?

Исходя из этих рассуждений кажется, что альтруизм никогда не должен встречаться в природе. Если речь идет об игре с нулевой суммой, то это действительно так. Однако если мы предположим, что порции мороженого неравномерно распределены между особями, то в какой-то момент я могу получить намного больше мороженого, чем способен съесть. Оставшиеся порции не представляют для меня никакой ценности, поскольку они растают, прежде чем я снова проголодаюсь. В этом случае мне выгодно поделиться с моими менее удачливыми родственниками. В такой формулировке правило Гамильтона соблюдено, потому что стоимость мороженого отличается для разных особей: оно не имеет большой ценности для альтруиста, но имеет существенную ценность для реципиентов. Если b больше c, то альтруизм теоретически возможен.

Другим фактором, который может сделать альтруизм эволюционно стабильным, является способность индивидуума приносить пользу нескольким родственным реципиентам. Джон Холдейн (один из отцов теории тени отбора, упомянутый в седьмой главе) шутил, что он «готов отдать жизнь за двух братьев или восемь кузенов». Действительно, в этом случае левая часть b× r в неравенстве Гамильтона становится суммой b1× r1+ b2× r2+ +… которая может превышать стоимость альтруизма c.

Однако цена старения равна стоимости жизни особи. Может ли выживание индивидуума обесцениться? По какому механизму запрограммированная смерть может помочь нескольким родственникам? Отсутствие убедительных ответов на эти вопросы исторически рассматривалось как доказательство неверности адаптивных моделей старения.

Аргумент второй: отсутствие бессмертных мутантов

Другой аргумент, часто выдвигаемый против адаптивного запрограммированного старения, касается редкости бессмертных мутантов. Если мы предполагаем, что старение — это программа, которая активно уничтожает наши тела, то должны существовать гены, выполняющие эту программу. Мутации, инактивирующие эти гены, должны делать их носителей биологически бессмертными. Однако таких мутантов никто пока не охарактеризовал. Биологи часто используют генетические скрининги в простых организмах, таких как круглые черви или плодовые мушки. Животных обрабатывают мутагенами, а затем анализируют мутантов, рождающихся в следующих поколениях.

В таких экспериментах легко можно увидеть множество мутантных вариантов, таких как мухи без глаз или крыльев, однако биологически бессмертных животных пока получить не удалось. Если старение — программа, то оно должно быть по какой-то причине очень эволюционно стабильно. Этот аргумент подрывает идею адаптивного старения, так как причины такой эволюционной стабильности неясны.

Однако стоит напомнить, что ограниченная способность к эволюции также является предпосылкой антагонистической плейотропии. Плейотропные гены должны быть эволюционно стабильными, и эволюция не должна иметь возможностей для разделения полезных и вредных функций этих генов. Биологически бессмертные варианты формально не исключаются этой моделью. Изначально считалось, что мутации, увеличивающие продолжительность жизни, очень редки и необычны, поэтому бессмертные мутанты просто не могут появиться. Позже ученые обнаружили, что продолжительность жизни может эволюционировать довольно быстро, и даже одиночные мутации могут на нее повлиять. Однако противоречие с отсутствием биологически бессмертных мутантов никогда не обсуждалось.

Аналогичным образом другая классическая модель — гипотеза одноразовой сомы — также не исключает бессмертия. В частности, если питательные вещества присутствуют в количестве, достаточном как для репарации, так и для размножения, то, согласно этой модели, эволюция должна способствовать появлению биологического бессмертия. Таким образом, отсутствие нестареющих мутантов 32 — такая же проблема классических теорий, как и адаптивных. Тем не менее исторически этот аспект полностью игнорируется в контексте неадаптивных теорий, но считается убийственным аргументом, полностью опровергающим запрограммированное адаптивное старение.

Итак, большинство ученых отвергают адаптивное старение, поскольку его эволюционные преимущества неясны, а причины отсутствия нестареющих мутантов не имеют убедительного объяснения. В дальнейшем обязательно вернемся к этим аргументам. Мы увидим, что старение может быть программой, а инфекционные заболевания — той эволюционной силой, которая дает преимущества стареющим организмам, и поймем причины низкой скорости эволюции в плане увеличения продолжительности жизни. Мы начинаем развивать эту теорию с поиска ответа на более общий вопрос: может ли смерть организма, не обязательно от старости, быть эволюционно полезной? Есть ли какие-либо свидетельства, указывающие на существование адаптивной смерти в природе?

31 Напомним, что в нашей терминологии альтруист — это индивид, который жертвует собственной дарвиновской приспособленностью (например, делится добытой пищей, убивает себя и так далее) для блага других членов популяции. Реципиент — это индивид, который эти блага получает, а эгоист — индивид, который не действует альтруистично.

32 Внимательный читатель заметит, что бессмертные животные — медузы, планарии — существуют. Но этот аспект в контексте неадаптивных теорий исторически игнорируется. Как правило, геронтологи объясняют необычные траектории старения животных какими-то аргументами ad hoc.

Каждая клетка нашего тела содержит запрограммированный механизм, который при активации может убить ее. Этот механизм называется апоптозом (от греческого

, что значит «опадание»). Ученые, открывшие апоптоз, сравнивали его с опаданием листьев с деревьев. Апоптоз может быть активирован в ответ на раздражители, такие как инфекции, мутации или разные виды стрессов. Ферменты, активирующиеся при апоптозе, расщепляют ДНК и белки, клетки распадаются на части и поглощаются иммунными клетками — макрофагами.

Какова биологическая роль апоптоза? Многоклеточные животные состоят из огромного количества клеток. Одна поврежденная клетка может вызвать проблемы во всем организме, например, в том случае, если это раковая клетка, которая даст начало опухоли, или зараженная клетка, которая будет производить патогены, способные заразить другие здоровые клетки. Поэтому эволюционно выгодно пожертвовать одной плохой клеткой ради выживания и размножения всего организма.

Однако есть организмы, состоящие лишь из одной клетки. Должны ли они также иметь апоптоз? На первый взгляд — нет. Если погибнет единственная клетка, как это поможет распространению ее генов? Несмотря на это, апоптоз или аналогичные механизмы запрограммированного самоубийства присутствуют в большинстве одноклеточных организмов. Для чего же они нужны?

Наиболее изученными примерами являются так называемые механизмы «абортивной инфекции» у бактерий. Если бактерия заражена вирусом — бактериальные вирусы называются бактериофагами или просто фагами, — то она обречена на смерть, так как у нее практически нет шансов избавиться от этого патогена. Тем не менее перед тем как умереть, фаг использует ее белки и энергию, чтобы произвести еще несколько сотен инфекционных частиц, которые заразят соседние бактерии. Таким образом, преждевременная смерть инфицированной клетки может предотвратить размножение фага и спасти окружающие ее бактерии от заражения.

Давайте объясним это формальной эволюционной логикой. Если мы применим неравенство Гамильтона (b× r c), то обнаружим, что c, стоимость выживания первой зараженной клетки, становится ничтожной, поскольку она все равно умрет, не оставив потомства. Наоборот, b× r может оказаться достаточно высоким, так как предотвращение размножения фага может спасти сотни, если не тысячи других бактерий. В бактериальных сообществах многие особи являются клонами друг друга, следовательно, некоторые из спасенных организмов могут быть клонами зараженного. Таким образом, в этом случае, согласно эволюционной теории, смерть может быть адаптивной.

Известный российский ученый Владимир Скулачев предложил термин «феноптоз» для описания запрограммированной смерти индивидуума 33. Запрограммированную смерть одноклеточных организмов можно рассматривать и как апоптоз и как феноптоз. Есть ли у нас доказательства наличия феноптоза у высших организмов? В отличие от бактерий, многоклеточные обычно не убивают себя в ответ на инфекцию, а вместо этого стремятся уничтожить только зараженные клетки. Тем не менее существуют признаки того, что в некоторых обстоятельствах смерть может быть адаптивной. Наиболее ярким примером является семельпария, о которой мы поговорим в следующей главе.

33 Само слово «феноптоз» было по просьбе Скулачева придумано известным филологом Михаилом Гаспаровым.

Тихоокеанские лососи (род Oncorhynchus) 34 проводят большую часть жизни в океане. Однако когда подходит время размножения, с лососем происходят удивительные изменения. Серебристые рыбы меняют свой цвет, становясь ярко-красными. Их челюсти растут и деформируются, обнажая быстрорастущие зубы. Движимые инстинктом, рыбы мигрируют в реки, где они когда-то появились на свет. Каждый лосось помнит запах воды той реки и даже того притока, в котором он вылупился из икринки, и возвращается именно в этот приток. Огромные массы рыб движутся вверх по течению, чтобы отложить и оплодотворить икру, а затем погибнуть в течение двух или трех недель. Смерть рыбы наступает в результате физиологических изменений, отдаленно напоминающих старение, но происходящих в течение чрезвычайно короткого времени. У лососей наблюдается мышечная и нервная дегенерация, почечная недостаточность, снижение иммунитета. Реки буквально заполняются разлагающимися тушками умерших рыб.

Этот необычный тип жизненного цикла называется семельпарией. Семельпарный организм размножается один раз в жизни и вскоре после этого умирает. Животных, которые, напротив, могут размножаться многократно, называют итеропарными. Люди, собаки, мыши и большинство других животных итеропарны.

Семельпария рассматривается большинством ученых как запрограммированный адаптивный процесс, приводящий к смерти индивидуума, но отличающийся от старения. Действительно, удаление некоторых желез внутренней секреции у рыб предотвращает их смерть. В частности, исследователи обнаружили, что гормон кортизол регулирует семельпарию у рыб. Таким образом, в данном случае смерть является результатом гормональной программы, заложенной в жизненный цикл рыбы, и поэтому должна быть эволюционно адаптивной.

Какую эволюционную выгоду несет смерть тихоокеанского лосося? У нас нет точного ответа на этот вопрос. Обычно исследователи предполагают, что мертвые тела родителей могут помочь прокормить растущее потомство. Однако точные расчеты показывают, что это вряд ли возможно: течение воды и разложение быстро удаляют бо́льшую часть биомассы родительских тел, прежде чем она становится доступной для молодых рыб [55]. Например, у чавычи (Oncorhynchus tshawytscha) мальки выходят из икринок через три — пять месяцев после нереста, а время разложения мертвой рыбы составляет всего около двух месяцев [56]. Мальки горбуши (Oncorhynchus gorbuscha) не кормятся в реках, а сразу мигрируют в океан и тем самым никак не могут питаться телами своих родителей [57].

Некоторые исследователи полагают, что мертвая рыба может обогащать экосистему рек в целом, однако вклад в питание молоди окажется совсем небольшим. В этом случае альтруистическая смерть лосося не будет удовлетворять правилу Гамильтона (см. главу 13). Таким образом, эволюционные причины сезонной гибели семельпарных рыб до конца не ясны.

Семельпария является относительно редким явлением, но она может встречаться в очень далеких друг от друга группах животных, таких как насекомые, осьминоги и другие беспозвоночные, то есть эволюционные предпосылки для семельпарии могут присутствовать в очень разнообразных нишах.

Существуют ли семельпарные млекопитающие? Большинство млекопитающих размножаются по несколько раз, то есть они итеропарны. Исключение составляют несколько видов хищных сумчатых из Австралии (отряд сумчатых хищников, или Dasyuromorphia) и Южной Америки (отряд опоссумов, или Didelphimorphia). В большинстве семельпарных млекопитающих только самцы умирают вскоре после окончания брачного сезона, в то время как самки могут размножаться несколько раз. Однако в некоторых видах самки тоже приносят только один помет и умирают после того, как выкормили детенышей.

Механизмы семельпарии, по крайней мере, у некоторых видов сумчатых, также связаны с высокой выработкой кортизола. После размножения животные становятся слабыми и вялыми, теряют мех, у них снижается иммунитет. Тем не менее если их кормить и ухаживать за ними, они иногда могут выздороветь, отрастить мех и снова стать подвижными. Ученые считают, что, как и в случае с лососевыми рыбами, семельпария у сумчатых является адаптивной программой, отличающейся от старения.

Удивительно, но филогенетический анализ показывает, что семельпария независимо развивалась у сумчатых не менее пяти раз! Что за загадочный селективный фактор способствовал эволюции семельпарии и почему он действует только у хищных сумчатых, но не у других млекопитающих?

Первоначально семельпария у сумчатых объяснялась в контексте теории одноразовой сомы. Считалось, что самцы инвестируют так много энергии в спаривание, что умирают от истощения. Например, представители рода сумчатых мышей (Antechinus) не имеют заметных жировых запасов и, как казалось, могут умереть от недостатка питательных веществ после трехнедельного сезона размножения. В дальнейшем открытие семельпарии у одного из видов сумчатых куниц (северных кволлов, или Dasyurus hallucatus) поставило под сомнение модель инвестирования энергии. Кволлы намного крупнее сумчатых мышей, они питаются в течение сезона размножения и имеют жировые запасы. Авторы открытия не смогли найти ему экологическое объяснение и сослались на «необъясненную филогенетическую предрасположенность» хищных сумчатых к семельпарии [58].

В 2021 году другая группа исследователей выявила семельпарию у южноамериканских мышевидных опоссумов (Thylamys bruchi) [59]. И самцы и самки этого вида семельпарны. Удивительно, но самцы умирают не сразу после спаривания, а живут еще несколько месяцев, пока самки не завершат кормление детенышей, после чего родители обоих полов умирают одновременно. Ясно, что причиной смерти опоссумов в этом случае является не истощение. Также остается неясным, почему семельпария развилась только у сумчатых, но не у других мелких млекопитающих, занимающих похожие экологические ниши.

Какие эволюционные преимущества дает пострепродуктивная смерть лосося и хищных сумчатых? Почему у этих, а не у каких-то других видов в результате эволюции сформировалась семельпария? Какие экологические причины определяют эволюцию семельпарии? Могут ли они также быть ответственны за эволюцию старения у итеропарных видов? Выше мы обсуждали, что инфекции способствуют эволюции феноптоза (запрограммированной смерти) в одноклеточных организмах. Могут ли инфекции быть этим загадочным экологическим фактором, ведущим к эволюции семельпарии и старения?

К сожалению, у нас до сих пор нет ответов на эти вопросы, но мы попытаемся их найти на страницах этой книги. Однако сейчас мы продолжим обсуждать признаки существования адаптивного старения в природе. В следующей главе мы узнаем, что животные часто не живут дольше отмеренного им эволюцией срока, даже если у них есть такая физиологическая возможность.

34 К этому роду принадлежат и горбуша, и кета, и кижуч, и многие другие рыбы.

Животные, принадлежащие к одному виду, могут стареть с разной скоростью. В зависимости от условий окружающей среды генетически идентичные близнецы могут иметь разную продолжительность жизни. Это явление называется пластичностью продолжительности жизни, или пластичностью старения. Некоторые случаи пластичности уже упоминались выше, в частности, в главе 9 мы рассматривали продлевающие жизнь диетические ограничения. Другим примером пластичности может служить омоложение, о котором говорилось в главе 10.

Можно выделить два типа пластичности:

• один связан с переключением программ эмбрионального развития;

• другой — с воздействиями, которым подвергается уже взрослое животное.

В первом случае мы говорим о животных с одними и теми же генами, но с разными физическими свойствами, размерами, расцветкой или продолжительностью жизни.

Отличающиеся друг от друга формы животных со сходными геномами называются изоформами.

Классическим примером являются эусоциальные животные, такие как пчелы или муравьи. Траектории развития этих насекомых определяются условиями, при которых проходит их личиночное развитие, например температурой или питанием. В частности, у муравьев личинки могут стать рабочими или солдатами в зависимости от количества пищи, которое они получают будучи личинками. Изменение в питании влияет на работу генов, отвечающих за развитие, в результате чего тела взрослых муравьев разных каст (изоформ) отличаются.

Продолжительность жизни среди каст эусоциальных насекомых колеблется в огромных пределах. Королевы термитов могут жить несколько десятков лет, что делает их самыми долгоживущими насекомыми на Земле [60]. Продолжительность жизни рабочих особей также может сильно отличаться и зависит от их роли в колонии аналогично медоносным пчелам, которые обсуждались выше (в главе 10), однако она может быть в пятьдесят — шестьдесят раз меньше, чем у королев. Таким образом, продолжительность жизни у эусоциальных насекомых поразительно пластична.

Другим примечательным примером является пластичность продолжительности жизни мигрирующих данаид монархов (Danaus plexippus, бабочек из семейства нимфалид). Рассмотрим популяцию монархов, обитающих на Тихоокеанском побережье Северной Америки. Летом и осенью гусеницы этих бабочек питаются ваточником, растущим на западе Канады. Однако канадские зимы слишком холодны для них. Осенью монархи мигрируют в Мексику, преодолевая 4500 километров, а весной их потомки возвращаются обратно в Канаду. Мигрирующие насекомые живут с сентября по март — более шести месяцев[61].

В то же время обычные оседлые монархи, которым довелось родиться в промежутке между периодами миграций, живут от двух до шести недель. Почему мигрирующие формы живут так долго? Оказывается, многие насекомые при неблагоприятных условиях могут приостановить свое развитие или старение, войдя в состояние, называемое диапаузой. Как правило, диапауза ассоциируется с неподвижностью (оцепенением) и исторически считается энергосберегающим поведением, позволяющим увеличить инвестиции энергии в долголетие. В отличие от большинства насекомых, монархи в состоянии диапаузы активны, что свидетельствует от том, что физический покой и энергосбережение не обязательны для продления жизни при диапаузе.

Исключительная пластичность жизненного цикла в ответ на ограничение питания наблюдается у короткоживущих беспозвоночных. Классический пример — особая личинка круглых червей-нематод вида Caenorhabditis elegans, известная под названием dauer larva 35. Обычно жизненный цикл червей от отложенного яйца до смерти старого животного длится менее месяца. Однако если молодых червей подвергнуть голоданию, они превращаются в морфологически и физиологически отличающихся личинок, которые не размножаются, но способны выживать до шести месяцев при отсутствии пищи. Когда пища появляется, dauer larva развивается в обычный взрослый организм, начинает размножаться и умирает в течение нескольких недель, как и обычная особь.

Голодание и другие субоптимальные условия могут продлевать продолжительность жизни многих короткоживущих животных. Причем это касается не только специализированных изоформ, развившихся в бедной среде. Если взять взрослое животное, выращенное в оптимальных условиях, и подвергнуть его голоданию, то оно тоже будет жить дольше.

Четыре из пяти вышеприведенных примеров — ограничение рациона питания, омоложение, специализированные личинки и мигрирующие изоформы бабочки — можно объяснить целью выживания в неблагоприятных условиях. Действительно, популяции червей были бы чрезвычайно уязвимы к голоданию, если бы не имели дауеров, в то время как монархи не могли бы осуществлять миграции без долгоживущих форм. Однако остается неясным, почему механизмы продления жизни, присутствующие у этих животных, не используются при оптимальных условиях. Почему долголетие допускается только в тех случаях, когда окружающая среда ставит под угрозу выживание?

Можно заметить, что этот аргумент аналогичен тому, что мы обсуждали в главе 10 в контексте омоложения. Однако омоложение является экзотическим явлением, известным лишь по нескольким задокументированным примерам. Напротив, диапауза широко распространена среди беспозвоночных, то есть во всех этих видах эволюция выбирает короткую продолжительность жизни, имея возможность продлить существование особи. Вероятно, должен существовать какой-то универсальный фактор отбора, который делает долголетие невыгодным.

Есть ли пластичность продолжительности жизни у позвоночных? Да, однако ее эффект гораздо меньше, чем у червей и насекомых. Голодание увеличивает продолжительность жизни мышей только на 30–50 % по сравнению с 100 % у мух и трехкратным увеличением у червей. Очевидно, что большинство позвоночных живут дольше, чем насекомые и черви, и более длительный срок жизни позволяет им избежать рисков, связанных со случайными колебаниями окружающей среды.

Если неблагоприятный период продлится несколько месяцев, мелкие беспозвоночные, не способные войти в диапаузу, умрут от старости, не дождавшись возможности оставить потомство. Напротив, несколько неблагоприятных месяцев могут оказать лишь небольшой эффект на размножение долгоживущих животных, таких как волки или олени. В отличие от бабочек, долгоживущие птицы не нуждаются в дополнительном времени для того, чтобы осуществлять миграции. Таким образом, кажется, что пластичность старения имеет два свойства:

• используется лишь в случае необходимости теми видами, у которых она есть;

• устраняется в тех видах, которые могут без нее обойтись.

Итак, мы узнали, что окружающая среда может модулировать продолжительность жизни. Теперь обсудим, как животные собирают и обрабатывают информацию о состоянии окружающей среды. Температура или наличие пищи могут влиять на каждую отдельную клетку в организме, и, следовательно, их воздействие можно объяснить гипотезами, ориентированными на метаболизм, молекулярные повреждения и энтропию. А может быть, наша интерпретация эволюционного выбора между большой и малой продолжительностью жизни на самом деле неверна? Может быть, влияние среды на продолжительность жизни обусловлено сменой типа метаболизма и другими косвенными факторами? Существуют ли данные, говорящие о том, что это не так, а короткая жизнь «сознательно» выбирается эволюцией?

35 Слово dauer происходит от немецкого dauern — длиться.

Как мы обсуждали выше, диетические ограничения могут увеличивать продолжительность жизни. Если молодые черви Caenorhabditis elegans голодают, они превращаются в долгоживущих личинок. Но что будет, если подвергнуть голоданию уже взрослых червей? Они не могут обратить свое развитие вспять и снова стать личинками, однако могут значительно увеличить продолжительность своей жизни. Поразительно, что, если таким голодающим червям дать понюхать еду (но не давать ее есть), их продолжительность жизни увеличивается на гораздо меньшую величину. То есть запах пищи препятствует увеличению продолжительности жизни голодного червя!

Более того, этот эффект может быть устранен, если удалить хемосенсорные нейроны — специализированные нервные клетки, принимающие участие в обонянии. Голодные черви, лишенные этих нейронов, в присутствии запаха пищи будут жить дольше! [62]! То есть восприятие запаха может изменять продолжительность жизни у червей. Сходным образом восприятие вкуса тоже модулирует продолжительность жизни червя, увеличивая или уменьшая ее в зависимости от того, какой тип вкусовых нейронов был удален [63].

Если запах и вкус могут модулировать продолжительность жизни, могут ли визуальные сигналы делать то же самое? Удивительный результат был получен на плодовых мушках (дрозофилах). Мушки умирают быстрее, если они видят трупы других плодовых мушек. Более того, мухи не умирали быстрее, если видели трупы мух неродственных видов, не так уж похожих на них. Исследователи идентифицировали в мозге мухи нейроны, которые участвуют в интерпретации визуальных сигналов и регулировании продолжительности жизни в ответ на такое визуальное воздействие [64]. Таким образом, высокая продолжительность жизни в присутствии мертвых мушек, как представляется, наносит эволюционный ущерб. Более общий вывод таков: то, что видят животные, может влиять на скорость их старения.

Рис. 14. Запах пищи влияет на продолжительность жизни. Голодание увеличивает продолжительность жизни у червей C. elegans. Однако если черви могут чувствовать запах пищи, то эффект голодания значительно уменьшается. Таким образом, обоняние может участвовать в регуляции продолжительности жизни у червей (по [62]).

Выше мы обсуждали, что долгоживущие животные, например крупные позвоночные, имеют небольшую пластичность продолжительности жизни. Причина этого, вероятно, в том, что краткосрочные колебания окружающей среды не влияют на них слишком сильно. Тем не менее некоторые плохо объясненные примеры пластичности можно найти и у высших животных. Так у эусоциальных видов семейства землекоповых (Bathyergidae) матки стареют медленнее рабочих особей, как и у общественных насекомых. Однако более универсальным примером пластичности, продемонстрированным у всех видов — от червей до человека, — является гендерное неравенство продолжительности жизни.

Различия в продолжительности жизни между самцами и самками не являются чистым примером пластичности, поскольку у большинства видов генетический материал несколько отличается между полами. Соответственно, необходимо сказать несколько слов о хромосомном различии самцов и самок — это поможет нам в понимании дальнейших рассуждений.

Животные, как правило, диплоидны. Это означает, что каждый фрагмент ДНК (хромосома) присутствует в двух копиях, одна из которых наследуется от матери, а другая — от отца.

Например, у человека двадцать три пары хромосом, то есть в сумме сорок шесть. Две хромосомы из этих сорока шести участвуют в определении пола и называются половыми хромосомами, или гоносомами. Остальные сорок четыре называются аутосомами.

Самки большинства млекопитающих имеют две похожие (гомологичные) половые X-хромосомы, а самцы имеют одну Х-хромосому и одну Y-хромосому, которая в основном содержит участки неактивных повторов ДНК, а также несколько генов, отсутствующих у самок. Соответственно:

• каждая яйцеклетка содержит 22 аутосомы и одну Х-хромосому;

• каждый сперматозоид содержит 22 аутосомы и одну либо Х-, либо Y-хромосому.

После оплодотворения генетический материал яйцеклетки и сперматозоида объединяется. ХХ-особи развиваются в самок, а ХY — в самцов.

Однако у птиц и некоторых рептилий ситуация иная: половые хромосомы обозначаются W и Z, причем генотип самок — ZW, а самцов — ZZ. У этих животных яйцеклетки несут хромосому, которая определяет пол эмбриона, в то время как сперматозоиды всегда содержат только Z-хромосому.

Теперь вернемся к продолжительности жизни. Как уже говорилось, у разных полов она разная. Например, у большинства млекопитающих самцы живут меньше самок, а у птиц, напротив, самцы, как правило, живут дольше. Разница между полами встречается и у беспозвоночных. Так, у плодовых мушек самцы имеют генотип ХY и меньшую продолжительность жизни.

Некоторые ученые связывают хромосомные различия между полами и разницу в продолжительности жизни. Они полагают, что непарные половые Y-хромосомы у млекопитающих и насекомых и W-хромосомы у птиц и рептилий (то есть фактически те, которые определяют пол) несут генетические последовательности, вредные для здоровья организма и потенциально способные сокращать его жизнь. Откуда берется такая гипотеза?

Две гомологичные гоносомы, например XX у людей или ZZ у птиц, могут обмениваться генетическим материалом в момент образования сперматозоидов или яйцеклеток. Этот процесс называется кроссинговер, и благодаря ему в числе прочего устраняются вредные мутации. Однако ни Y-, ни W-хромосомы никогда не встречаются по две, а всегда сопровождаются негомологичными им Х или Z и, соответственно, никогда не проходят через кроссинговер.

Рис. 15. Половые хромосомы.

Пол животных определяется набором половых хромосом. У млекопитающих самки имеют две X-хромосомы, а самцы X и Y. Определение пола у птиц отличается: самцы имеют две Z-хромосомы, а самки одну Z и одну W. Гомологичные хромосомы, например X или Z, когда присутствуют в парах (XX или ZZ), могут обмениваться генетическим материалом в ходе процесса, который называется «кроссинговер». Благодаря этому они потенциально могут избавляться от вредных мутаций. Y- и W-хромосомы никогда не встречаются в парах и поэтому не участвуют в кроссинговере. Одна из гипотез, объясняющих разницу в скорости старения между полами, основана на том, что из-за отсутствия кроссинговера эти хромосомы накапливают вредные мутации, что приводит к их токсичности

Гипотеза заключается в том, что ошибки, накапливающиеся в Y- и W-хромосомах из-за отсутствия исправляющего их кроссинговера, делают их вредными для организма и сокращают жизнь носителей непарных хромосом, XY- и ZW-генотипов соответственно [65]. Вы, вероятно, уже можете распознать модель накопления повреждений (см. главу 7), слегка адаптированную для гендерного неравенства. Как и любая энтропическая модель старения, эта гипотеза имеет слабые места: она не выдерживает «беличий тест». Самцы белок живут дольше самцов крыс, хотя у тех и других есть Y-хромосомы. Таким образом, крысы-самцы в принципе могли бы жить столько же, сколько и белки-самцы. Однако несоответствия не ограничиваются только этим.

Физический и гормональный пол не всегда соответствует набору хромосом. В некоторых случаях мутации или другие вмешательства могут превратить особь с ХY-генотипом в самку или особь с ХХ-генотипом в самца. Например, у дрозофилы половое развитие определяется белком-трансформером (tra): если ген, кодирующий этот белок, инактивирован мутацией, животные с XX-хромосомами (которые должны были бы стать самками) развиваются как самцы. И наоборот, избыточное количество трансформера может заставить животное с XY-хромосомами развиться в самку. В таких случаях продолжительность жизни зависит от физического пола, а не от набора хромосом [66].

Мало того, при некоторых естественных или вызванных искусственным путем нарушениях клеточного деления рождаются особи с аномальным, порой даже нечетным, набором хромосом. Например, могут появиться животные, лишенные Y-хромосомы (X0), — у дрозофилы такие особи развиваются в самцов. Причем вопреки предсказаниям вышеупомянутой гипотезы продолжительность жизни таких самцов не увеличивается по сравнению с нормальными самцами. То же можно сказать об обратной ситуации: дополнительная копия Y-хромосомы (XYY) приводит к появлению так называемых суперсамцов и статистически не уменьшает продолжительность жизни [67].

Иначе говоря, количество Y-хромосом не влияет на продолжительность жизни, а следовательно, гипотеза о токсичности непарных хромосом неверна или по меньшей мере неполна.

Определенную роль в регуляции продолжительности жизни, вероятно, играют половые гормоны. Исследование исторических

Рис. 16. Влияние половых хромосом на продолжительность жизни плодовых мушек-дрозофил.

Как и у млекопитающих, самцы дрозофил обладают хромосомным набором XY, а самки XX. Чтобы проверить, токсичны ли Y-хромосомы, ученые воспользовались тем фактом, что мутантные мухи, имеющие только одну X-хромосому и не имеющие Y (X0), а также животные, обладающие двумя Y-хромосомами (XYY), развиваются в полноценных самцов. Сравнение продолжительности жизни этих мутантов с нормальными XY-самцами не выявило разницы в продолжительности жизни, поставив под вопрос гипотезу о токсичности Y-хромосом (по [67]).

записей о продолжительности жизни корейских евнухов показало, что кастрация может продлить жизнь [68]. То же можно сказать и в отношении женской стерилизации: снижение выработки женских половых гормонов может удлинить жизнь — это наблюдается на примере домашних животных. Стерилизация и у самок и у самцов кошек и собак снижает смертность [69].

Более того, некоторые наблюдения показывают, что увеличение продолжительности жизни сопровождается феминизацией у самцов, то есть приобретением ими черт женского организма. Так, терапевтические вмешательства, которые продлевают продолжительность жизни у самцов мышей, модифицируют активность их генов таким образом, что они становятся похожи на самок по тому, какие гены у них работают [70].

Таким образом, даже если мы допускаем некоторую токсичность Y- и W-хромосом, в регуляцию продолжительности жизни у самцов и самок, помимо них, вовлечены гормоны и, скорее всего, другие факторы.

Парадоксально, но самцы млекопитающих имеют потенциал для продления жизни — все компоненты механизмов, которые используют самки, чтобы жить дольше, присутствуют в геномах самцов. Почему этот потенциал не используется? Почему у птиц ситуация обратная и самцы птиц живут дольше самок? В настоящее время наука не имеет ответов на эти вопросы, но мы постараемся их найти в следующих главах.

В этой части книги мы познакомились с несколькими примерами, указывающими на то, что смерть организма может быть эволюционно выгодной. Одноклеточные организмы могут совершать самоубийство, если они заражены, однако высшие организмы так не делают. Тем не менее некоторые из них, в особенности короткоживущие беспозвоночные, могут регулировать продолжительность своей жизни и темпы старения, реагируя на условия окружающей среды.

Парадоксальным образом животные продлевают продолжительность жизни только в неблагоприятных условиях, но не в тех случаях, когда условия идеальны. Иногда организмы используют зрение и обоняние для анализа условий окружающей среды и сокращения продолжительности жизни.

Более того, некоторые высшие организмы, такие как тихоокеанский лосось или сумчатые хищники, семельпарны и убивают себя с помощью программ самоубийства, активируемых сразу после размножения.

Эти наблюдения показывают, что в некоторых случаях короткая жизнь может быть выгоднее, чем длинная, и, следовательно, старение потенциально могло возникнуть в ходе эволюции как запрограммированный адаптивный процесс, предназначенный для сокращения продолжительности жизни.

Мы близки к тому, чтобы начать создание новой парадигмы старения на основе этих предпосылок, но перед тем как сосредоточиться на этой задаче, сделаем небольшой обзор экологических и физиологических свойств организмов, которые коррелируют с долголетием. Обсудим виды животных, типы старения которых выделяются из общих закономерностей и не могут быть объяснены классическими моделями. Мы увидим, что старение и продолжительность жизни как экологические феномены еще более необычны и неинтуитивны, чем можно себе представить на основании фактов, изложенных нами ранее.

На этом этапе необходимо описать эту информацию, поскольку способность нашей модели объяснять эмпирические наблюдения является одним из ключевых критериев ее качества. Если наша модель сможет сделать это лучше, чем классические теории, это будет свидетельством в пользу того, что мы на правильном пути в своих попытках понять эволюционные причины старения и победить его.

Как мы уже говорили, некоторые физиологические и экологические свойства организмов коррелируют с долголетием.

Наиболее очевидным параметром, связанным с продолжительностью жизни, является размер тела.

Киты, слоны и другие крупные животные живут гораздо дольше, чем мыши или землеройки. Очевидной причиной этого, по-видимому, является элементарное экологическое ограничение: рост, а также получение эволюционных преимуществ от больших размеров тела требуют времени. Китам необходимо много лет, чтобы вырасти до своих размеров и размножиться, то есть они физически не смогли бы выжить без долголетия.

Удивительно, но если мы перейдем от сравнения разных видов к сравнению искусственных пород или мутантов, то корреляция изменится на противоположную. Как мы уже обсуждали, мутации в белке́, отвечающем за реакцию на гормон роста, заставляют маленьких собак жить дольше по сравнению с собаками крупных пород [38]. Синдром карликовости Ларона у людей приводит к отсутствию рака, диабета и замедлению старения в позднем возрасте [39]. Мутантные мыши и дрозофилы, имеющие меньшие размеры тела, тоже живут дольше, чем нормальные животные [72] 36.

Рис. 17. Корреляция между размерами тела и продолжительностью жизни.

Другая классическая корреляция — это связь между количеством рождающихся у животного детенышей и его долголетием: чем больше детенышей в помете, тем короче продолжительность жизни их родителей. Это соотношение является краеугольным камнем теории одноразовой сомы, которая обсуждалась в главе 9, и предполагает, что инвестиции в размножение истощают способность организма к репарации, приводя к сокращению продолжительности жизни. Согласно теории одноразовой сомы, плодовитые животные живут меньше по той причине, что они переинвестировали в размножение в ущерб репарации.

Однако в некоторых случаях корреляция между продолжительностью жизни и плодовитостью пропадает. Например, королевы термитов являются одними из самых долгоживущих насекомых на Земле, но при этом способны производить яйца со скоростью, сравнимой со скорострельностью пулемета. Королевы голых землекопов также весьма плодовиты и при этом живут долго. Таким образом, долголетие может легко сочетаться с высокой плодовитостью, подсказывая нам, что фундаментальной физиологической зависимости одного параметра от другого, скорее всего, не существует.

Если нет универсальной связи между физиологическими эффектами деторождения и скоростью старения, возможно, есть связь с экологией. Может быть, какие-то свойства экологических ниш заставляют животных с большим количеством детенышей развивать более короткую продолжительность жизни? Плодовитость в этом контексте следует рассматривать в широком смысле. Например, более длительный срок созревания тоже может быть фактором, снижающим плодовитость. Если животному требуется пять лет, чтобы достичь половой зрелости, его следует считать медленно размножающимся, даже если в конечном итоге оно приносит большее количество детенышей.

Действительно, время достижения половой зрелости коррелирует с продолжительностью жизни даже в большей степени, чем размер выводка [19]. Поэтому некоторые ученые объединяют все свойства жизненного цикла и рассматривают «темп жизни» как целостную сущность:

• медленное созревание, низкая плодовитость и долголетие — на одной стороне спектра;

• быстрое созревание, большое количество потомства и быстрое старение — на его противоположной стороне [74].

Может ли соотношение между плодовитостью и долголетием объясняться экологическими, а не физиологическими причинами? Короткоживущие животные умирают чаще, и поэтому каждый год освобождается большое количество ниш, которые могут занять молодые животные. Таким образом, чем короче продолжительность жизни у особей этого вида, тем больший шанс имеет молодое животное найти свободную нишу и выжить. Иметь большие выводки естественно для короткоживущих видов: это просто необходимое условие для поддержания популяции на стабильном уровне. Поэтому если мы предположим, что скорость старения определяется какими-то другими факторами, то плодовитость может подстраиваться под продолжительность жизни, а не наоборот.

У нас нет точных данных о том, может ли плодовитость влиять на скорость старения на экологическом уровне. Однако мы можем сравнить животных, принадлежащих одному и тому же виду, и попытаться проследить, как их долголетие зависит от индивидуального репродуктивного успеха.

Экспериментальные данные показывают, что иногда интенсивное размножение сокращает продолжительность жизни. Серия классических наблюдений была сделана с мухами-дрозофилами. Девственные самки мух, которым не позволяли спариваться с самцами, жили дольше, чем самки, имеющие возможность спариться. Удивительно, но не откладывание яиц само по себе ускоряло старение у самок мух [75]. Было обнаружено, что компонент мужской семенной жидкости, называемый «половой пептид» (sex peptide), способен сокращать продолжительность жизни самок. Если самец, имеющий мутацию, отключающую ген полового пептида, спаривается с самкой, то эта самка будет откладывать яйца, но ее продолжительность жизни не сократится или сократится намного меньше [76]. Наличие полового пептида в семенной жидкости увеличивает количество отложенных самкой яиц, поэтому некоторые ученые считают, что он перераспределяет ресурсы от долголетия к плодовитости. Однако этот аргумент основан на теории одноразовой сомы и уязвим к выдвинутой против нее критике (см. главу 9).

Если же самки спариваются с самцами, семенная жидкость которых содержит половой пептид, но не содержит сперматозоидов, старение этих самок ускоряется, хотя они и не откладывают много яиц. Более того, спаривание может быть пагубным для долголетия и у самцов дрозофилы [77]. Таким образом, кажется, что спаривание в большей степени, чем размножение как таковое сокращает продолжительность жизни у плодовых мушек. Какие экологические причины скрываются за этими взаимодействиями?

Зададимся вопросом: существует ли взаимосвязь между плодовитостью и долголетием у людей? Первоначальные исследования аристократических родословных указывали на наличие такой связи. В 1998 году голландский врач, специалист по старению Руди Вестендорп и автор теории одноразовой сомы Том Кирквуд опубликовали статью, в которой показали, что женщины из британских аристократических семей, доживавшие до девяноста — ста лет, имели в среднем меньше детей, чем умиравшие на седьмом-восьмом десятке [78]. Однако более подробный анализ отверг эти выводы: оказалось, что исходные данные, использованные в статье, были низкого качества, а более аккуратное исследование выявило отсутствие корреляции [79]. Деторождение у мышей тоже не ускоряло их последующего старения [80]. В настоящее время считается, что количество детей не влияет на продолжительность жизни их матерей.

Таким образом, плодовитость негативно коррелирует с долголетием, только если сравнить эти параметры между различными видами (а не рассматривать на внутривидовом примере, как в вышеописанном исследовании): короткоживущие мыши размножаются чаще, чем долгоживущие слоны, и приносят больше детенышей. Как мы уже говорили, короткая продолжительность жизни может приводить к освобождению свободных ниш и, таким образом, способствовать эволюции высокой плодовитости. Неясно, существует ли обратное воздействие: влияет ли плодовитость на продолжительность жизни?

Взаимосвязь между плодовитостью и долголетием иногда наблюдается на индивидуальном уровне, например у дрозофил. Однако в этом случае ускоренное старение может быть связано не с собственно размножением, а с сопутствующими факторами, такими как спаривание.

У людей взаимосвязь между индивидуальным репродуктивным успехом и долголетием обнаружить пока не удалось.

Размер мозга положительно коррелирует с долголетием: высокоинтеллектуальные животные, например приматы, живут долго. Это взаимодействие может частично объясняться корреляцией с упомянутым ранее темпом жизни. У животных с высоким интеллектом, как правило, низкая смертность, долгое время созревания, мало детенышей, они инвестируют значительное время в обучение потомства. Следовательно, долгая жизнь в этом случае может, по крайней мере в некоторых случаях, возникать как побочный эффект низкой плодовитости и необходимости использования преимуществ интеллекта.

Примечательно, что корреляция между интеллектом и продолжительностью жизни имеет исключения. Так, осьминоги, самые интеллектуальные животные среди беспозвоночных, живут относительно недолго. Их продолжительность жизни исчисляется всего несколькими годами, а некоторые виды вообще семельпарны (подробнее об этом явлении мы говорили в главе 15) и умирают сразу после спаривания или размножения. Поразительно, но гигантские осьминоги (Enteroctopus dofleini) могут весить до пятидесяти килограммов, а продолжительность их жизни составляет всего около пяти лет [81].

Эволюционные причины столь короткой продолжительности жизни такого массивного и интеллектуально развитого животного точно неизвестны. Самки осьминогов откладывают большое количество яиц, а молодь этих моллюсков очень быстро созревает. В этом случае возможное влияние темпа жизни на долголетие, если мы, конечно, допускаем его существование, по-видимому, перевешивает влияние интеллекта.

Исторически скорость метаболизма считалась критическим физиологическим фактором, влияющим на долголетие животных. Если мы сравним разные виды млекопитающих, то обнаружим, что быстрое старение обычно встречается у животных с активным метаболизмом, частым сердцебиением, высокой температурой тела, высоким потреблением кислорода, быстрым обменом белков и т. д. Землеройки имеют самые высокие метаболические показатели и самую короткую продолжительность жизни, в то время как слоны и киты — наоборот.

Влияет ли скорость метаболизма на долголетие? Можно ли это проверить экспериментально? Действительно, мутантные мыши с пониженной температурой тела живут значительно дольше. Наиболее частая интерпретация этого эксперимента сводится к тому, что высокая скорость метаболизма сопровождается более высоким уровнем повреждений, что приводит к сокращению продолжительности жизни. Например, во времена расцвета теории оксидативного стресса, когда считалось, что старение является результатом окисления 38, интенсивность дыхания рассматривалась как критический физиологический фактор, определяющий скорость старения. Это привлекательная концепция, подкрепленная интуитивной механической аналогией: машина с быстро движущимися частями изнашивается быстрее, чем медленно работающая.

Хотя эти эксперименты выглядят очень убедительными, корреляция между скоростью метаболизма и долголетием впоследствии оказалась не такой однозначной. Так, аккуратное сравнение параметров различных видов показало… отсутствие корреляции между скоростью их метаболизма и долголетием! Как такое возможно⁈ Ведь выше мы сравнивали слонов и землероек. Оказалось, что такое сравнение корректно лишь частично, поскольку эти животные отличаются не только метаболической активностью, но также размерами тела и другими параметрами.

С помощью статистических методов мы можем очистить корреляцию от других факторов и сравнивать только активность метаболизма, как если бы все эти животные были одного размера [19]. Этот анализ не выявил корреляции между долголетием и активностью метаболизма! Чем больше млекопитающее, тем ниже его метаболическая активность. Таким образом, большой размер тела является вероятной детерминантой как долголетия, так и низкой скорости обмена веществ.

Наличие непосредственной связи между метаболизмом и продолжительностью жизни при сравнении разных видов животных не доказано.

Вдобавок мы легко можем найти исключения из этой закономерности. Например, долгоживущие летучие мыши и птицы имеют высокий уровень метаболизма по сравнению с нелетающими млекопитающими сходного размера. Полет требует больших затрат энергии, а следовательно, активного дыхания и высокого уровня обмена веществ. Однако летающие животные живут поразительно долго. Таким образом, связь между метаболической активностью и долголетием может быть разобщена. А в следующей главе мы обсудим связь между полетом и продолжительностью жизни, которая заслуживает отдельного рассмотрения.

38 Напомним: эта некогда доминировавшая теория полагала, что старение вызывается окислением биологических молекул активными формами кислорода, которые в свою очередь образуются как побочный продукт клеточного дыхания. Мы кратко рассказывали об этой теории в главе 7.

Животные, способные к полету, живут гораздо дольше, чем нелетающие животные сопоставимой с ними массы. Например, домовые воробьи (Passer domesticus) могут жить в неволе до двадцати лет [19]. По сравнению с мышами, имеющими похожие размеры, это внушительная разница — в 6–10 раз. Может ли быть так, что птицы живут дольше из-за каких-то свойств их физиологии, не имеющих отношения к полету?

Чтобы ответить на этот вопрос, мы можем проанализировать продолжительность жизни нелетающих птиц. Оказывается, они живут намного меньше, чем летающие птицы [71]! Например, африканский страус (Struthio camelus) может жить до шестидесяти — семидесяти лет, но того же возраста достигает и андский кондор (Vultur gryphus), который примерно в десять раз меньше по массе. Плохо летающие курообразные живут меньше других хорошо летающих птиц. При этом активность полета прямо коррелирует с уровнем метаболизма: у нелетающих и плохо летающих видов он ниже. И все же, несмотря на это продолжительность жизни у этих видов меньше.

А как на счет летающих млекопитающих? Некоторые виды летучих мышей тоже живут очень долго, например, крошечные ночницы Бранда (Myotis brandtii) могут жить до сорока лет [82]! Поразительно, но у летучих мышей долголетие эволюционировало независимо несколько раз, следовательно, это не может быть случайностью [83]. Суммарно эти наблюдения указывают, что именно полет является фактором, связанным с увеличенной продолжительностью жизни.

Рис. 18. Независимая эволюция продолжительности жизни у летучих мышей.

В основополагающей статье Уильямса, посвященной теории антагонистической плейотропии (см. главу 8), особое внимание уделялось смертности от внешних причин, в дальнейшем называемой просто внешней смертностью. Что такое внешняя смертность? Это вероятность умереть из-за нападения хищников, холода, голода, инфекционных заболеваний, пожара или любой другой причины, не зависящей от возраста. Например, смертность низка у черепах, защищенных панцирем. Действительно, черепахи живут невероятно долго, некоторые крупные виды — до нескольких сотен лет [85].

Уильямс утверждал, что при высоком уровне внешней смертности меньшее количество животных доживет до более поздних возрастов, и поэтому сила отбора в пользу долголетия должна снижаться [33]. Этот аргумент оказался математически неверным. Для появления различий в силе отбора важно не абсолютное число более молодых и более старых организмов, а соотношение между ними. Высокая внешняя смертность, в равной степени сказывающаяся на всех возрастных группах, будет уменьшать число как старых, так и молодых животных. Точный математический анализ показал, что внешняя смертность сама по себе не влияет на эволюцию старения [86, 87].

Давайте попробуем упростить математику и объяснить ее выводы простым языком, не вдаваясь в уравнения. Гибель большого числа животных может освобождать ниши для других особей этого вида. Как эти ниши будут заполнены?

Одним из вариантов является эволюция более высокой плодовитости. Животные будут производить больше потомства, которое заменит собой особей, выбывших из-за внешней смертности. Другим вариантом заполнения освободившихся ниш, как это ни парадоксально, является увеличение продолжительности жизни у тех животных, которым посчастливилось остаться в живых. В самом деле, если все остальные животные, за исключением нескольких особей, погибли из-за хищничества, почему эти счастливчики должны умереть от старости? По какой причине это может оказаться хорошей эволюционной стратегией? Вместо этого они должны не упустить свой шанс и использовать доступные ресурсы для размножения. Таким образом, снижение возрастзависимой смертности, то есть замедление старения уцелевших особей, действительно может компенсировать потери, связанные со смертностью от внешних факторов.

Классический пример замедленного старения при повышенном риске хищничества был найден у гуппи (Poecilia reticulata). Ученые сравнивали рыбок из ручьев, в которых обитали хищники, и ручьев без хищников. Гуппи, пойманные в ручьях, где присутствовали хищники, имели более продолжительную жизнь и при этом откладывали больше икринок, чем рыбки из ручьев без хищников [88].

Важное значение имеет не только сам уровень смертности, но и то, насколько равномерно риски смертности распределены и существует ли зависимость от возраста или здоровья особи. Экспериментальная эволюция в нематодах Caenorhabditis elegans показала, что если все особи имеют равные риски смерти от внешних воздействий, то это действительно может приводить к эволюции более высокой плодовитости и более короткой жизни. Однако если смертность избирательна и ей подвержены в первую очередь слабые животные, то это приводит к эволюции медленного старения и долгой жизни [89]. В природе хищники часто убивают самых медленных членов группы, а кроме того, слабые животные проигрывают более сильным в конкуренции за пищу и умирают от голода или отсутствия убежища. Поэтому внешняя смертность часто зависит от физического состояния животного. Исходя из этой логики, внешняя смертность, вызванная нападениями хищников или голодом, должна способствовать эволюции более продолжительной жизни, поскольку старые животные бегают медленнее и слабеют физически.

Тем не менее в некоторых случаях более низкий уровень хищничества коррелирует с долголетием. Классический пример такой корреляции — сравнительный анализ островной и континентальной популяций виргинского опоссума (Didelphis virginiana). На острове, в отсутствие наземных хищников, опоссумы жили дольше и созревали позднее по сравнению с материковыми опоссумами, на которых охотились хищники [90]. Вполне возможно, что смертность может влиять на эволюцию продолжительности жизни, но не непосредственно, а через другие параметры жизненного цикла, такие как плодовитость и скорость созревания. Например, если высокая внешняя смертность приводит к эволюции более высокой плодовитости, это может косвенно привести к эволюции более короткой продолжительности жизни (см. главу 20) 40.

В этой сложной схеме взаимодействий высокая внешняя смертность, вероятно, может вызвать эволюцию замедленного или ускоренного старения, в зависимости от других параметров [91]. Поэтому экологические связи между этими факторами еще предстоит исследовать.

Возвращаясь к птицам и летучим мышам — защищает ли полет от внешней смертности? Очевидно, что не всегда: воробьи и другие певчие птицы имеют очень высокую внешнюю смертность. У мелких птиц годичная выживаемость зачастую не превышает 50 % [92]. Тем не менее у них наблюдается чрезвычайно медленное старение по сравнению с нелетающими млекопитающими сходного размера. Таким образом, объяснение связи между полетом и долголетием через снижение внешней смертности основано на двух неверных предпосылках: вопреки расхожему мнению, внешняя смертность прямо не влияет на эволюцию старения, а кроме того, полет не всегда защищает от внешней смертности. Поэтому долгожительство летающих животных так и остается загадкой.

40 Однако следует помнить, что сценарий, по которому высокая плодовитость приводит к эволюции более короткой продолжительности жизни, до конца неясен.

Некоторые ученые полагают, что, поскольку гибернация у млекопитающих сопровождается замедлением метаболических процессов, она может продлевать продолжительность жизни по аналогии с диапаузой. Действительно, анализ молекулярных маркеров показывает, что во время гибернации старение замедляется [93].

Рис. 19. Продолжительность жизни гибернирующих животных.

В предыдущих главах мы уже упоминали чрезвычайно медленное или вовсе отсутствующее старение у подземных эусоциальных грызунов — голых землекопов. Впрочем, если провести подробный биохимический анализ, то у этих почти слепых существ все же можно найти возрастзависимые изменения. Причем, как и у других эусоциальных видов, у королев землекопов старение идет медленнее, чем у рабочих особей [97]. Поразительно, но эти возрастные изменения не сопровождаются увеличением вероятности смерти и поэтому ими можно пренебречь, если мы говорим об экологии и эволюции.

Какие же причины определяют долголетие у голых землекопов? Какие свойства их экологии или физиологии располагают к биологическому бессмертию?

Многие ученые считают, что подземный образ жизни защищает голых землекопов от хищников, тем самым снижая внешнюю смертность. Но этот аргумент неверен:

• внешняя смертность напрямую не влияет на эволюцию старения (см. главу 24);

• на голых землекопов активно охотятся змеи, которые способны заползать в их норы.

Хотя королевы голых землекопов обычно находятся в центре колонии и очень хорошо защищены, средняя продолжительность жизни рабочих особей в дикой природе не превышает двух лет [98]. Ежегодная смертность рабочих землекопов оценивается примерно в 40 % [12], что является очень высоким показателем для животных, способных дожить до сорока лет.

Далее можно услышать аргументы, что королевы, которых защищают от хищников другие члены колонии, живут гораздо дольше и долголетие для них эволюционно выгодно. Отсутствие старения у рабочих особей, согласно этой логике, является нейтральным побочным эффектом долголетия королев. Однако в этом случае остается неясным, почему такое «побочное» долголетие не наблюдается у рабочих особей иных эусоциальных видов.

Другие объяснения апеллируют к физиологическим свойствам голых землекопов, таким как низкая температура тела или устойчивость к низким уровням кислорода в окружающей среде. Однако ни одно другое холоднокровное или устойчивое к гипоксии позвоночное не является биологически бессмертным. Таким образом, экологические предпосылки, приведшие к эволюции долголетия у голых землекопов, остаются неизвестными.

Интересно, что отсутствие волос у голых землекопов является уникальной особенностью для наземных млекопитающих малых и средних размеров. Как правило, лишенные шерсти виды млекопитающих — это крупные животные, использующие подкожный жир для теплоизоляции. Например, волосы полностью отсутствуют у китов. Слоны и носороги имеют очень редкий волосяной покров, но это крупные тропические животные, не нуждающиеся в теплоизоляции для сохранения тепла. Еще один уникальный пример более мелкого животного, лишенного шерсти, — это… человек. В то же время люди и голые землекопы — два вида, обладающие исключительной продолжительностью жизни для животных своего размера (рис. 17).

Очевидно, делать выводы, основываясь только на двух точках, кажется казуистикой, но совпадение слишком необычно, чтобы оставить его без внимания.

Каковы причины отсутствия волос у человека? Считается, что потеря шерсти может быть полезной для терморегуляции при том саванном образе жизни, который вели Homo habilis и другие наши предки. Однако саванные животные сопоставимых с людьми размеров, такие как газели и гепарды, сохранили свой мех. Волосяной покров имеют и саванные приматы, такие как бабуины и макаки, в том числе и мартышки-гусары (Erythrocebus Patas), являющиеся, как и люди, быстрыми бегунами. Таким образом, саванная гипотеза, скорее всего, не может объяснить потерю шерсти у человека. Причины, по которым шерсть потеряли голые землекопы, ясны еще меньше.

Может ли быть так, что сходные причины объясняют отсутствие волос у человека и землекопов? И могут ли эти причины как-то быть связаны с необычайным долголетием у этих видов? Вы будете удивлены, но мы построим непротиворечивую гипотезу, связывающую эти неожиданные аспекты нашей биологии.

В этой части мы рассмотрели факторы, коррелирующие с продолжительностью жизни, и исключения из них. Общая картина остается довольно запутанной.

Анализируя различия между видами животных, мы обнаружили, что большие размеры тела и низкая плодовитость хорошо коррелируют с долголетием. Интеллект и гибернация также показывают некоторую корреляцию, но она может быть побочным эффектом сниженной плодовитости и более позднего созревания. Уровень внешней смертности и скорость метаболизма, вопреки широко распространенному мнению, прямо не влияют на скорость старения. Долголетие несколько раз эволюционировало у летающих животных, и точные причины этого неизвестны. Голый землекоп и человек — аномальные долгожители среди млекопитающих. Также мы обсудили некоторые причудливые факторы, сопутствующие долголетию, такие как вампиризм у летучих мышей и отсутствие волос у людей и голых землекопов.

Кроме того, мы обнаружили, что при сравнении недавно возникших мутаций у особей одного и того же вида факторы, влияющие на старение, меняются, причем иногда — на прямо противоположные. Так, собаки мелких пород живут дольше своих сородичей больших размеров, и это также верно для карликовых мутантов других видов. В этом случае наблюдается обратная корреляция между размером и продолжительностью жизни в противоположность прямой корреляции, наблюдаемой при сравнении разных видов животных. Скорость обмена веществ или, точнее, температура тела негативно коррелирует с продолжительностью жизни на индивидуальном уровне: генетические мутанты с пониженной температурой живут дольше. Взаимосвязь между плодовитостью и долголетием не так очевидна на уровне особей, и в тех случаях, когда она обнаруживается, может быть обусловлена не самим деторождением, а сопутствующими факторами, например спариванием.

Экологические свойства

Сравнение видов

Сравнение мутантов

Большой размер тела

Увеличение продолжительности жизни

Уменьшение продолжительности жизни

Высокий уровень метаболизма

?

Уменьшение продолжительности жизни

Высокая плодовитость

Уменьшение продолжительности жизни

?

Полет

Увеличение продолжительности жизни

* * *

Интеллект

Увеличение продолжительности жизни?

* * *

Гибернация

?

?

Рис. 20. Свойства, коррелирующие с продолжительностью жизни

Можно ли объяснить все это, и если да, то как? На данный момент мы собрали достаточно загадок и, наконец, начнем строить теорию, которая должна их разрешить.

Старение — почти повсеместное явление, а значит, и факторы, определяющие эволюцию старения, тоже должны встречаться повсеместно. Именно поэтому существует соблазн объяснить старение каким-нибудь универсальным законом физики или химии, например энтропией или окислением. Однако старение сильно варьируется между видами, а поэтому загадочный эволюционный фактор тоже должен быть вариабельным. Более того, он должен объяснять такие неожиданные вещи, как долгожительство летучих мышей-вампиров или укорочение жизни дрозофил, видевших трупики своих сородичей. Вписать такого рода наблюдения в одно уравнение с энтропией или окислением кажется весьма затруднительно.

На ум приходят лишь три достаточно распространенных и вариабельных фактора: питание, внешняя смертность и инфекционные болезни. Первые два фактора мы рассматривали выше в главах 9 и 24 соответственно. Оба они были сочтены недостаточными для того, чтобы объяснить старение как эволюционный феномен.

Теперь давайте рассмотрим инфекционные заболевания. Мы уже говорили, что заражение бактериофагами приводит к эволюции механизмов адаптивного самоубийства у бактерий (см. главу 14), то есть инфекции действительно могут быть чрезвычайно сильным селективным фактором. Паразиты(под этим термином мы понимаем вирусы, патогенные бактерии, простейшие и другие паразитические микро- и макроорганизмы) — сильнейшие драйверы эволюции на Земле. Почему это так? Почему именно паразиты, а не, например, хищники являются подобным уникальным фактором эволюции?

Во-первых, зададимся вопросом: заинтересованы ли паразиты в смерти своих хозяев? Конечно нет: смерть хозяина обычно приводит к смерти паразита. Поэтому паразиты часто приобретают более мягкие патогенные формы, чтобы сохранить жизнь носителей и продолжать свое существование и размножение. Этим они отличаются от хищников, которые обычно убивают своих жертв.

Во-вторых, паразиты часто узкоспециализированы и способны размножаться только в определенных видах животных. Для многих из них переход к паразитированию на животных другого вида может оказаться затруднительным. Из-за этого паразиты вынуждены «беречь» популяции своих хозяев, в то время как хищники, способные менять свою диету, гораздо меньше зависят от численности одного конкретного вида жертв.

В-третьих, паразиты обычно размножаются намного быстрее свободноживущих видов, а значит, и эволюционируют намного быстрее, чем хищники, и постоянно приспосабливаются к новым свойствам своих хозяев.

Давайте рассмотрим классический пример коэволюции хозяина и патогена, а именно миксоматоз в популяции европейских кроликов (Oryctolagus cuniculus), завезенных в Австралию [99]. Интродуцированные на новом континенте кролики к середине двадцатого века размножились в таких огромных количествах, что начали причинять ощутимый вред естественным экосистемам и сельскому хозяйству. Правительство Австралии решило использовать миксомавирус, чтобы сократить популяцию кроликов. Этот вирус передается кровососущими насекомыми и широко распространен в Америке; европейские кролики, которые исторически никогда не сталкивались с этой болезнью, чрезвычайно к нему восприимчивы. Буквально через несколько лет после интродукции вируса по всей Австралии начали встречаться тяжело больные кролики, покрытые язвами, с отекшими головами, ослепшие из-за этих отеков. Вскоре более 99 % всех кроликов погибли. Однако со временем их популяция снова начала расти. Те кролики, которым посчастливилось пережить первую волну эпизоотии 41, оказались устойчивы к миксоматозу, очевидно потому, что генетические варианты, чувствительные к болезни, от нее сразу погибли.

Любопытно, что циркулирующий в Австралии миксомавирус со временем тоже стал менее смертоносным даже при заражении обычных европейских кроликов, которые никогда раньше с ним не встречались. Почему это произошло? Первоначально, когда популяция кроликов была очень плотной, вирус, который быстро убивал хозяина, мог распространяться безо всяких проблем. Однако после того, как большинство животных погибли и плотность популяции упала, передача вируса стала менее эффективной. Если инфицированная особь гибнет до того как передаст болезнь другой особи, то этот вариант вируса погибнет вместе со своим последним хозяином. Таким образом, всего за несколько десятилетий, то есть за мгновение по эволюционным меркам, кролики и вирусы эволюционировали, а экосистема нашла новую точку равновесия.

Итак, в разреженной популяции кроликов вирус миксомы эволюционировал в более мягкую форму с более длительным инфекционным периодом, чтобы носитель имел больше шансов передать болезнь. Симптомы стали менее выраженными, а болезнь — более продолжительной. Остановилась ли эволюция на этом? Каково долгосрочное будущее этой эпизоотии?

Изначально ученые предполагали, что со временем вирус миксомы станет полностью бессимптомным и превратится из паразита в комменсала 42. Однако эта идея была подвергнута критике и опровергнута двумя классиками современной эпидемиологии Роем Андерсоном и Робертом Мэем [100]. Они исходили из того, что размножение патогена требует некоторых ресурсов и выкачивание этих ресурсов из организма хозяина должно наносить ему ощутимый вред. Если патоген забирает слишком много ресурсов, хозяин может преждевременно умереть, патоген умрет вместе с ним, и заражение не пойдет дальше. Если же патогену достается совсем мало ресурсов, количество инфекционных частиц может быть недостаточным для эффективного распространения. Таким образом, патоген должен забирать у хозяина некоторое оптимальное количество ресурсов, которого, с одной стороны, хватает для производства достаточного количества инфекционных частиц, но при этом оно не столь велико, чтобы сильно укоротить жизнь хозяина и помешать передаче инфекции.

Эта теория называется компромиссом между инфекционностью 43 и вирулентностью(transmission-virulence trade-off) и является одной из ключевых концепций современной эволюционной паразитологии. Коэволюция хозяина и патогена рассматривается как долгосрочная игра, в которой хозяин развивает иммунные механизмы для удаления патогенов или уменьшения наносимого ими вреда. С другой стороны, патогены эволюционным путем развивают механизмы получения оптимального количества ресурсов для максимизации количества инфекционных частиц. Смена поколений у паразитов происходит намного быстрее, и оттого они эволюционируют с гораздо большей скоростью, чем их носители. Поэтому патогены, как правило, опережают в эволюционной гонке вооружений, постоянно изобретая новые способы подавления иммунитета хозяина. Этим они заставляют иммунную систему носителя постоянно эволюционировать.

Эволюция патогенеза (совокупность патологий и симптомов, вызываемых паразитом) идет беспрерывно, и в ходе нее патогены пытаются взять у своих хозяев чуть больше ресурсов, а хозяева — помешать этому. И те и другие постоянно развивают все новые и новые способности, чтобы противостоять друг другу. Однако эти способности в свою очередь друг друга компенсируют, и статус-кво в системе «патоген — хозяин» может сохраняться практически неизменным. Поэтому для внешнего наблюдателя ситуация может выглядеть не как гонка, а скорее как бесконечное перетягивание каната, и это — уникальное явление в эволюционной биологии.

Даже если мы не видим заметных эволюционных изменений размеров, формы или цвета животных, иммунная система может тем временем быстро меняться, постоянно перестраиваясь для защиты от быстро эволюционирующих паразитов. Эта концепция называется гипотезой Черной Королевы 44 в честь героини книги Льюиса Кэрролла «Алиса в Зазеркалье», которая говорит Алисе, что «нужно бежать со всех ног, чтобы только оставаться на месте». Действительно, гены, принимающие участие в иммунном ответе, эволюционируют гораздо быстрее остального генома [101].

Теперь давайте представим, что правительство Австралии предпочло использовать не миксомавирус, а хищников, скажем лисиц, для борьбы с кроликами. Лисицы вряд ли могли бы уничтожить 99 % процентов кроликов, но для удобства мысленного эксперимента мы примем, что нам удалось вывести новую породу лисиц — сверхэффективных охотников. Предположим, что на первом этапе они были так же успешны, как миксомавирус. Что произойдет потом? Когда численность кроликов снизится, лисицы, скорее всего, переключатся на других животных, и потому вымирание им грозить не будет. Питаясь местными австралийскими видами, лисицы будут продолжать убивать кроликов, пока не истребят их совсем. Но если все кролики вымрут, то уже не смогут эволюционировать!

Если же вдруг в популяции кроликов появятся мутанты, способные эффективно избегать хищников, например за счет ядовитых желез или иголок, то лисицам могут потребоваться многие тысячелетия, чтобы приобрести устойчивость к яду или толстую кожу для защиты от иголок и затем использовать мутантов в качестве пищи (в то время как патогены могут эволюционировать в тысячи раз быстрее). Кроме того, зачем изобретать методы охоты на ядовитых кроликов, если вокруг водятся незащищенные животные?

Наконец, в отличие от патогенов, хищники не могут эволюционным путем развивать стратегии «сбережения», оставляющие их жертвы живыми и способными к размножению. Лисицы не могут откусывать маленькие кусочки от кроликов, а затем отпускать последних, в то время как патогены могут приобретать более легкие формы патогенеза, снижающие вред, наносимый популяции хозяев. Из этих сравнений понятно, что стабилизирующие механизмы обратной связи в системе «хищник — жертва» гораздо слабее, а эволюция идет медленнее, чем в системе «патоген — хозяин».

Таким образом, инфекционные заболевания являются чрезвычайно сильным и универсальным селективным фактором. Могут ли они быть эволюционной причиной явлений, которые обычно не считаются частью иммунитета, например, таких как старение? Запрограммированная смерть одноклеточных организмов при заражении вирусами указывает на возможность существования адаптивной смерти, которая эволюционировала для борьбы с патогенами. Но можно ли объяснить старение похожей логикой?

41 Эпизоотия — эпидемия у животных.

42 Комменсализм — форма сосуществования двух видов организмов, при которой один из них (комменсал, от лат. comes mensa, сотрапезник) получает выгоду, а другой (хозяин) не получает ни выгоды, ни вреда. Рыбы-прилипалы, сопровождающие акул, — классический пример комменсализма.

43 Инфекционность — способность патогена передаваться между хозяевами. Единицей инфекционности является число заражений, произведенных одной зараженной особью на единицу времени. Вирулентность — способность патогена вызывать симптомы болезни.

44 Интересно, что в английской терминологии эта концепция называется гипотезой Красной Королевы (Red Queen Hypothesis). Во времена Кэрролла цвет шахматных фигур был ближе к красному, однако в русских переводах книги цвет королевы был изменен для того, чтобы читателю было понятнее, о чем идет речь.

Для начала давайте ответим на общий вопрос: какую пользу смерть может принести старому животному? Попробуем применить эволюционную теорию для объяснения старения в контексте эпидемий инфекционных заболеваний. Как обсуждалось выше, если старение — адаптивная программа, то это альтруистический признак. Чтобы альтруистический признак был адаптивным, он должен удовлетворять неравенству Гамильтона, то есть b× r c(см. главу 13). Это возможно в двух случаях: если цена с, которую платит альтруист, меньше, чем выгода b, получаемая реципиентом, и/или если акт альтруизма помогает нескольким родственным особям. Во втором случае b× r становится суммой нескольких членов: b 1 r 1 + b 2 r 2 +…

Могут ли инфекции уменьшать эволюционную ценность пожилых животных? Если иммунная система хозяина не может избавиться от хронической инфекции, а вероятность заражения постоянна, то вероятность того, что особь является носителем такой болезни, растет с возрастом. Если вероятность заражения животного составляет 10 % в год, то 10 % всех однолетних хозяев будут заражены. После второго года заражены будут 19 % животных, а к 25 годам более 90 % из них будут больны. Действительно, пожилые животные в дикой природе являются носителями большего количества инфекций. Например, показано, что присутствие паразитов у арктического гольца (Salvelinus alpinus) растет с возрастом [102].

Теперь предположим, что инфекция сильно влияет на размножение хозяина, при этом не убивая его. Это значит, что хозяева в возрасте двадцати пяти лет или старше в большинстве своем будут стерильны и не смогут иметь потомство. С эволюционной точки зрения животные, зараженные стерилизующим патогеном, все равно что мертвы, поскольку они в любом случае рано или поздно умрут, не оставив детенышей. Конечно, в некоторых случаях, особенно у социальных видов, старое и уже бесплодное животное может помочь распространению своих генов, например ухаживая за собственными внуками, охраняя общее гнездо и так далее, однако эти частные эффекты, скорее всего, не имеют существенного воздействия на эволюцию старения в целом.

Рис. 21. Более старые особи имеют более высокие шансы оказаться носителями хронических патогенов.

Пример арктического гольца (Salvelinus alpinus) и его паразита, червя рода Diphyllobothrium(по [102]).

Таким образом, если в популяции циркулируют хронические стерилизующие инфекции, эволюционная ценность особей снижается с возрастом, а значит, параметр c из неравенства Гамильтона должен падать.

Нужно подчеркнуть, что гипотеза контроля патогенов рассматривает хронические стерилизующие заболевания как основной селективный фактор, определяющий эволюцию продолжительности жизни. Патогены других типов могут не оказывать большого влияния на эволюцию старения.

Может ли смерть зараженного животного помочь не одному, а нескольким его родственникам? Очевидно, да. Зараженная особь может инфицировать многих других животных, а те смогут распространять болезнь дальше. Таким образом, смерть зараженного носителя может помочь большому числу животных остаться здоровыми.

Хотя этот аргумент кажется тривиальным, есть важная деталь, которая его несколько усложняет. Это уровень родства r в уравнении b 1 r 1 + b 2 r 2 +… c. Чтобы неравенство соблюдалось, зараженный хозяин должен взаимодействовать со своими родственниками больше, чем с неродственными особями. Если носитель болезни может с равной вероятностью заражать любых членов популяции, то параметр r в неравенстве Гамильтона станет очень маленьким, а значит, альтруистическая смерть не будет приносить эволюционной выгоды. Более того, если зараженное животное чаще взаимодействует с неродственными ему особями, его долгая жизнь может быть даже эволюционно полезна, несмотря на болезнь: инфицируя неродственных особей, оно будет косвенно помогать родственникам в конкурентной борьбе.

В бактериальных колониях клоны одних и тех же организмов часто находятся рядом друг с другом, но как обстоят дела у высших животных? Скорость расселения живых существ ограничена естественными преградами и расстояниями. Эмпирические наблюдения однозначно указывают, что степень родства зависит от расстояния между местами обитания животных: близкие родственники часто живут недалеко друг от друга (рис. 22).

Если сородичи действительно чаще взаимодействуют друг с другом в дикой природе, более короткая жизнь потенциально может быть адаптивной, чтобы защищать родственников от хронических инфекций. Следовательно, старение потенциально могло эволюционировать как запрограммированный механизм укорочения жизни.

Рис. 22. Зависимость генетического родства от расстояния между местами обитания животных.

По горизонтальной оси отложено расстояние между местами поимки особей тасманийского дьявола (Sarcophilus harrisii), по вертикальной оси — генетическое родство между ними (по [103]).

Проведение прямых экспериментов по эволюции старения в биологических системах может занять много времени и сопряжено с большими трудностями. Поэтому для более быстрой проверки осуществимости наших гипотез мы можем использовать математическое моделирование. Будучи абстрактными, такие интеллектуальные упражнения необходимы для разработки и уточнения концепции. Без них мы можем пропустить какие-то важные взаимодействия 45. В дальнейшем мы будем сравнивать наши выводы с наблюдениями, уточнять модель и делать новые предсказания.

Итак, необходимое нам моделирование должно учитывать, что в популяции хозяев родственники обычно взаимодействуют друг с другом чаще, чем неродственные члены популяции. Предположим, что наши гипотетические животные территориальны, то есть борются друг с другом за контроль над жизненным пространством. Территориальность встречается почти повсеместно в условиях конкуренции за ресурсы (например, пищу, воду или убежища). Чтобы увеличить доступ к ресурсам, животные пытаются расширить контролируемую ими территорию, получить доступ к большему количеству ресурсов, что в конечном итоге позволяет им успешнее размножаться. Для простоты моделирования предположим, что животные движутся прочь друг от друга, как отталкивающиеся металлические шарики с одноименным зарядом, катающиеся по поверхности стола [1].

Если вся поверхность покрыта шариками, то они не могут протиснуться мимо друг друга, создавая то, что мы называем вязкостью популяции. Из-за этого родственники не могут отселиться на большие расстояния друг от друга, и встречающееся в природе родство между животными, живущими поблизости, будет корректно отражено в модели.

Рис. 23. Модель эпидемий в вязкой популяции.

Математическая модель, позволяющая моделировать два важных и часто встречающихся свойства популяций животных, которые обычно не охватываются при стандартном моделировании эпидемий. Во-первых, животные расселяются из густонаселенных регионов в более редкозаселенные, и, во-вторых, родственные особи чаще заражают друг друга, чем неродственные. Модель предусматривает территориальное поведение (как, например, у волков). Чтобы увеличить контролируемую территорию, животные отселяются подальше друг от друга. Чем бо́льшую территорию контролирует организм, тем бо́льшими ресурсами он располагает и тем лучше размножается. Причем из-за вязкости популяции родственники не отселяются слишком далеко друг от друга. В этой модели мы изучаем эпидемии хронических (если животное заражено, то оно не может выздороветь) стерилизующих (снижающих плодовитость) инфекций. При этом инфекция сама по себе не сокращает продолжительность жизни (по [1]).

Кроме того, такая модель воспроизводит другое экологическое свойство: зависимость расселения от плотности популяции. Если слишком много животных живет на небольшом участке земли, они могут исчерпать имеющиеся ресурсы и попытаться переселиться в менее густонаселенные районы. Этот тип поведения встречается даже у бактерий, оно называется чувством кворума[104]. Если плотность популяции бактерий достигает определенного порога, они активируют специальные генетические программы, помогающие их более активному распространению. Если расселение зависит от плотности даже у таких простых организмов, как бактерии, то оно наверняка должно присутствовать и у большинства других видов живых существ. Действительно, расселение, зависящее от плотности популяции, обнаруживается почти повсеместно [105].

Итак, давайте исследуем, как будет эволюционировать продолжительность жизни в этой модели. Возьмем популяцию короткоживущих животных. Что произойдет, если в такой популяции появится долгоживущий мутант? Из-за высокой продолжительности жизни он будет размножаться в течение более долгого времени, а следовательно, оставлять больше детенышей. Со временем такой вариант полностью вытеснит короткоживущих особей и займет всю нишу.

Но что произойдет, если мы поставим такой же эксперимент в условиях эпидемии инфекционного заболевания? Предположим, что патоген стерилизует хозяина, но не сокращает его продолжительность жизни. Первоначально ситуация будет не сильно отличаться, поскольку небольшое число долгожителей не сможет сильно изменить эпидемиологическую обстановку, а некоторые из долгожителей-мутантов время от времени будут доживать до преклонного возраста, не будучи инфицированными. Это дополнительное время даст им эволюционное преимущество по сравнению с короткоживущими особями и приведет к постепенному увеличению доли долгоживущих.

Рис. 24. Эволюция продолжительности жизни в модели вязкой популяции.

В отсутствие патогенов долгоживущий мутант благодаря своей длинной жизни размножается более эффективно и быстро вытесняет короткоживущий вариант. Однако в присутствии хронического стерилизующего патогена преимущества большой продолжительности жизни нивелируются, поскольку большую часть своей долгой жизни организмы проводят в зараженном, стерильном состоянии. Мало того, они способны заражать своих более молодых родичей. Из-за этого долгоживущие варианты вытесняются короткоживущими вариантами, способными лучше контролировать распространение хронического заболевания благодаря тому, что зараженные особи раньше умирают от старости (по [1]).

Однако после того, как долгоживущие варианты накопятся в достаточном количестве, эпидемия усилится в областях, преимущественно населенных долгожителями. Инфицированы будут в основном старые особи, имевшие большие шансы заразиться на протяжении своей долгой жизни. В этих новых условиях высокая продолжительность жизни становится невыгодной. В областях, населенных короткоживущими особями, зараженных животных будет меньше, поскольку большее число пожилых зараженных особей будет умирать от старости.

Таким образом, хронические инфекционные болезни будут в первую очередь поражать области, населенные долгожителями, вызывать там локальное усиление эпидемии, а затем и демографический спад. Из-за этого короткоживущие варианты окажутся более плодовитыми, поскольку болезнь распространится не так широко в районах их обитания. Следовательно, быстро стареющие животные будут мигрировать из густонаселенных районов на пустующие территории, населенные больными долгоживущими животными. Со временем долгоживущие мутанты будут полностью вытеснены и исчезнут из популяции.

Давайте сформулируем гипотезу контроля патогенов, которой, собственно, и посвящена эта книга. Согласно этой гипотезе, если в популяции циркулируют хронические стерилизующие заболевания, то старые животные могут стать помехой для распространения собственных генов. Эти особи, накопившие инфекции в ходе своей долгой жизни, не способны эффективно размножаться сами, но зато могут заражать своих родственников, проживающих на соседних участках территории, тем самым снижая свою дарвиновскую приспособленность.

Эта идея очень похожа на теорию, предложенную Августом Вейсманом (см. главу 6), с тем отличием, что пожилые животные не просто недостаточно продуктивны, а прямо вредны для своих родственников. Таким образом, гипотеза контроля патогенов позволяет увеличить эволюционную выгоду от удаления пожилых животных, удовлетворить правилу Гамильтона и вывести теорию из-под той критики, которой традиционно подвергается модель Вейсмана.

Гипотеза контроля патогенов предполагает, что старение является примитивной иммунной адаптацией, эволюционировавшей, чтобы удалять пожилых, потенциально инфицированных особей. Как мы можем проверить эту гипотезу? Какое непосредственное и, желательно, нетривиальное предсказание следует из этой модели? Если старение — это часть иммунитета, то патогены должны приобретать механизмы, подавляющие старение и продлевающие жизнь хозяев!

Как упоминалось выше, патогены постоянно изобретают новые способы противодействия иммунитету хозяина. Если смерть хозяина может быть адаптацией, призванной ограничить размножение патогена, могут ли патогены развить механизмы, препятствующие смерти их хозяев?

В главе 14 мы описывали адаптивную смерть у бактерий, зараженных бактериофагами. Исследования показали, что бактериофаги развили множество механизмов для подавления самоубийства бактерий, а бактерии все время изобретают новые механизмы самоубийства, чтобы все же покончить с собой и победить бактериофаги [106]. Если старение является похожим механизмом адаптивной смерти, патогены тоже должны уметь его подавлять. Существуют ли болезни, которые замедляют старение и продлевают жизнь хозяина?

45 Например, в главе 9 мы говорили о том, что теория одноразовой сомы внутренне противоречива в случае экспоненциально растущих популяций, поскольку количество пищи должно быть одновременно достаточным для пропитания растущего потомства и недостаточным для содержания родителя. Это противоречие было упущено, вероятно, потому, что точная математическая модель, описывающая старение животных в контексте экосистемы, так и не была построена. Аккуратные математические модели позволяют выявить и проанализировать экологические факторы, способные повлиять на эволюцию продолжительности жизни.

Считается, что инфекционные заболевания наносят вред здоровью и соответственно укорачивают жизнь организма. Однако, как обсуждалось в предыдущих главах, долголетие хозяина увеличивает период инфицирования и должно быть полезно для патогена.

Наиболее яркими примерами патогенов, продлевающих жизнь, являются паразиты эусоциальных насекомых. Как упоминалось в главе 16, королевы муравьев и термитов могут жить намного дольше, чем рабочие особи. Недавние исследования показали, что паразитические ленточные черви вида Anomotaenia brevis могут продлевать жизнь своих хозяев — рабочих муравьев вида Temnothorax nylanderi. Муравьи заражаются, поедая яйца паразита, которые затем превращаются в личинок — цистицеркоидов. Паразиты меняют внешний вид хозяина — коричневые муравьи становятся желтыми.

Инфекция не приводит к существенному изменению в уровне обмена веществ, но меняет поведение: зараженные особи остаются активными и социальными, но перестают работать и проводят свое время возле гнезда. Эти изменения, вероятно, делают зараженных муравьев привлекательными для окончательных хозяев паразита — дятлов.

В одном из исследований ученые пометили муравьев, чтобы изучить их долголетие. Эксперимент проводился в течение трех лет и показал, что выживаемость инфицированных рабочих особей невероятно выросла и сравнялась с выживаемостью королев. Продолжительность жизни рабочего муравья этого вида составляет около одного года, однако инфекция, если судить по трехлетнему уровню смертности, продлевала ее до нескольких десятилетий [107].

Аналогичный эффект был обнаружен у бумажных ос (Polistes dominula), зараженных паразитом Xenos vesparum из отряда веерокрылых. Веерокрылые — насекомые-паразиты других насекомых. Их крошечные и проворные свободноживущие личинки ищут своих хозяев: ос, цикад или тараканов. Если личинке повезло, она прикрепляется к насекомому, выделяет ферменты, размягчающие кутикулу, и проникает в тело жертвы. После попадания внутрь она проходит метаморфоз, в результате чего теряет конечности и превращается в бесформенного мешкообразного паразита. Со временем паразит растет, пока не займет до 90 % объема брюшка хозяина.

Последующие события зависят от пола паразита. Самцы вновь проходят метаморфоз и превращаются в свободноживущих насекомых, напоминающих крохотных мушек. После выхода из тела хозяина самец ищет самку, которая, напротив, никогда не покидает тело хозяина и не проходит повторный метаморфоз до самой смерти. Мелкие самцы спариваются со своими огромными мешкообразными партнершами, которые снова порождают крошечных личинок, и цикл повторяется.

Как и в случае с ленточными червями из предыдущего примера, веерокрылый паразит меняет поведение бумажных ос: зараженные насекомые избегают работы в колонии и проводят большую часть своего времени на растениях, где происходит спаривание и распространение паразита. Кроме того, самки паразитов могут продлевать срок жизни своих хозяев. Так, в отличие от здоровых рабочих ос, зараженные могут пережить зиму, на что обычно у этого вида способны только королевы. При этом самцы веерокрылых, покидающие тела своих хозяев, не продлевают их жизнь [108].

Рис. 25. Паразиты увеличивают продолжительность жизни у муравьев.

Инфекционные заболевания, как правило, наносят вред здоровью и продолжительности жизни. Но объясняется ли этот ущерб исключительно повреждающей активностью патогена или иммунная реакция хозяина тоже может ускорять его старение? Эти два эффекта не всегда можно однозначно разделить.

Тем не менее общепринято, что воспалительные процессы сокращают продолжительность жизни даже вне контекста инфекции, например если они вызваны аллергией или аутоиммунным заболеванием. То есть активация иммунной системы может ускорять старение.

Генетические манипуляции, искусственно вызывающие воспаление, укорачивают жизнь подопытных животных даже в отсутствие патогенов. Так, белок PGRP-LE дрозофилы служит для распознавания молекул пептидогликанов — компонентов клеточной стенки патогенных бактерий — и активирует иммунный ответ. Повышенная экспрессия этого белка, достигнутая при помощи генетической инженерии, активирует иммунитет и придает мухам устойчивость к бактериальным инфекциям. Однако хроническое перепроизводство белка PGRP-LE вызывает постоянную активацию иммунного ответа и сокращает продолжительность жизни [112]. Сходные результаты были получены в ходе многих экспериментов с другими модельными животными: хроническое воспаление ведет к ускоренному старению и преждевременной смерти.

Относится ли это к заражению реальными патогенами? Есть ли какие-либо свидетельства того, что хроническая инфекция может ускорить старение человека или животного? Первая проблема, с которой мы сталкиваемся при попытках ответить на этот вопрос, — в том, как измерять старение. Если мы определяем старение как увеличение смертности с возрастом, то столкнемся с проблемой, поскольку инфекционные заболевания сами по себе могут сокращать продолжительность жизни, не ускоряя старение. Поскольку наши знания о биохимических причинах старения очень неполны, любой результат может оказаться недостоверным.

На сегодняшний день лучшими биохимическими инструментами для оценки биологического возраста являются так называемые часы метилирования. Что это такое? Как уже говорилось в главе 4, ДНК животных подвергается химической модификации — метилированию, которое регулирует активность генов. Ученые обнаружили, что распределение этих модификаций по геному меняется с течением времени: некоторые позиции в геноме модифицируются в более молодом возрасте, а другие — в более зрелом. Если выяснить, какие позиции модифицируются у тысяч людей разного возраста, можно построить алгоритмы, предсказывающие биологический возраст пациента на основе анализа миллионов таких позиций. Этот метод, изобретенный профессором Калифорнийского университета Стивом Хорватом, называется часами метилирования. Он позволяет оценить, насколько быстро стареют люди или животные, не имея четких знаний о механизмах старения.

Оказалось, что, согласно этой метрике, биологический возраст людей, живущих с ВИЧ, примерно на два года превышает возраст их здоровых сверстников [113]. Таким образом, инфекция, даже подавленная противовирусными препаратами, заставляет пациентов стареть быстрее. Похожие эффекты были обнаружены у больных хроническими вирусными гепатитами [114]. Эти эксперименты показывают, что хроническая инфекция действительно ускоряет старение и потенциально может сокращать продолжительность жизни людей.

Доминирующий в литературе взгляд на этот феномен основан на модели одноразовой сомы (см. главу 9). Предполагается, что старение зараженного организма ускоряется из-за недоинвестирования в репарацию и перераспределения ресурсов на размножение патогенов и иммунную реакцию. Инфекции истощают ресурсы хозяина; какая-то их часть напрямую тратится на размножение патогена, другая идет на активацию иммунного ответа, отнимая энергию у систем репарации организма. Однако не вполне понятно, почему ограничение ресурсов из-за голодания или других мягких стрессов (см. главу 16), наоборот, приводит к продлению продолжительности жизни.

Уникальное положение инфекций и воспаления как факторов стресса, сокращающих продолжительность жизни, не объясняется классической моделью и обычно игнорируется геронтологами. Когда речь заходит об инфекциях, некоторые ученые отходят от модели инвестирования ресурсов и вместо этого выдвигают вперед модель накопления повреждений: патогены и иммунная активация вызывают повреждения, которые добавляются к связанным со старением и, таким образом, ускоряют его. Однако, исходя из этой логики, все еще неясно, почему голодание и другие легкие стрессовые воздействия не сокращают продолжительность жизни. Таким образом, похоже, существуют две модели: одна объясняет эффект воспаления, а другая — всех остальных мягких стрессовых факторов.

Тем не менее важнейшая роль воспаления в старении практически общепризнана. В 2000 году итальянский геронтолог Клаудио Франчески предложил термин inflammageing — воспалительное старение(от англ. inflammation — воспаление и ageing — старение), относящийся к возрастному нарастанию признаков воспаления в органах и тканях [115]. Эта концепция оказалась плодотворной, она принята большинством ученых и продолжает развиваться. Сегодня мы знаем, что системное хроническое воспаление усиливается с возрастом даже при отсутствии инфекций. Маркеры воспаления коррелируют с риском возрастных заболеваний, таких как рак, сердечно-сосудистые заболевания, депрессия, остеопороз, диабет и сенильная деменция [116]. Эти работы показывают, что иммунная система играет важную, если не центральную роль в старении, а воспаление приводит к его ускорению.

Значит, мы нашли аргументы в пользу того, что продолжительность жизни может быть ареной эволюционной борьбы между хозяевами и патогенами. Для патогенов может быть полезно продлить инфекционный период, увеличив продолжительность жизни хозяина, в то время как хозяин, если он заражен, может ускорять собственное старение, чтобы предотвратить распространение патогена.

Итак, гипотеза контроля патогенов прошла первый тест на прочность. Но способна ли эта теория выдержать критику, обычно выдвигаемую против моделей адаптивного старения? В главе 28 мы обнаружили, что адаптивное старение в рамках модели контроля патогенов может удовлетворять неравенству Гамильтона. Однако это не единственная теоретическая проблема, которую нужно решить, прежде чем мы поверим, что старение может быть запрограммированным и адаптивным процессом (см. главу 13). Вторая проблема — отсутствие биологически бессмертных мутантов со «сломанной» программой старения. Может ли модель контроля патогенов объяснить и этот парадокс?

Отсутствие бессмертных мутантов — один из главных аргументов против запрограммированного старения. Если программа самоуничтожения существует, должна быть возможность деактивировать ее при помощи мутаций в генах, которые ее запускают. Поскольку мы пока не преуспели в поисках таких мутаций, то старение якобы не может быть программой.

Этот аргумент игнорирует тот факт, что биологическое бессмертие должно было по крайней мере один раз появиться в ходе эволюции млекопитающих. Биологически бессмертные голые землекопы имеют общего предка со всеми другими видами грызунов, для которых характерно нормальное старение. Этот общий предок, несомненно, не был биологически бессмертным животным. Таким образом, пренебрежимо медленное старение эволюционировало по крайней мере однажды, и на определенном этапе у биологически смертной матери должен был родиться биологически бессмертный детеныш-мутант.

Однако отсутствие мутантов с отключенным старением, полученных экспериментальным путем, все еще требует объяснения. Если старение — это программа, то она по какой-то причине должна иметь очень высокую эволюционную устойчивость. Почему и как эволюция предотвращает мутации, препятствующие старению? Гипотеза контроля патогенов предлагает два аргумента, потенциально объясняющих это явление.

Животные выработали механизмы противодействия попыткам паразитов подавить старение. В главе 29 мы обсуждали, что паразиты могут удлинять жизнь своего хозяина, переключая хозяйские механизмы пластичности продолжительности жизни. Значит, если бы старение можно было отключить каким-то простым способом, например инактивировав один или два гена, то патогены могли бы использовать эту возможность с выгодой для себя: они бы постоянно отключали старение и, таким образом, продлевали бы свое существование в теле особи, а следовательно, и период инфицирования.

Исходя из этой логики, хозяева должны были приобрести эволюционные адаптации, чтобы затруднить возможность патогенов замедлять старение. Такая защита может включать существование нескольких дублирующих систем, обеспечивающих устойчивость программы старения даже в случае, если одна из систем будет подавлена патогеном.

Кроме того, программа старения может быть тесно переплетена с какими-то жизненно важными функциями. В этом случае предотвращение старения может привести к поломке этой функции и смерти организма. Возможно, именно поэтому некоторые экспериментальные попытки заблокировать старение мышей приводили к созданию животных, предрасположенных к развитию рака и, как следствие, короткоживущих [117]. Например, такие результаты получаются при сверхэкспрессии факторов Яманаки (белков, способных перепрограммировать клетку и «омолаживать» ее, делая похожей на клетки зародыша).

Эти наблюдения исторически интерпретировались исследователями как свидетельство существования плейотропных генов: увеличение продолжительности жизни ведет к потере жизнеспособности. Альтернативное объяснение, предлагаемое теорией контроля патогенов, заключается в существовании «ремней безопасности», не позволяющих паразитам безнаказанно отключить старение.

Организмы выработали «ремни безопасности» для стабилизации адаптивного старения, вредного в краткосрочной перспективе, но полезного на более длительном отрезке времени. Вторая гипотеза, объясняющая эволюционную стабильность старения, приходит из эпидемиологического моделирования. Давайте рассмотрим модель из главы 28 подробнее.

Напомним ее суть: мы обнаружили, что долгоживущие мутанты могут быть вытеснены короткоживущими особями в присутствии эпидемии хронической стерилизующей болезни. Теперь давайте посмотрим, что происходит с короткоживущими родственниками долгоживущего мутанта. Первоначально, прежде чем патогены распространятся в популяции долгоживущих хозяев, короткоживущие особи будут проигрывать в борьбе за существование. После внедрения патогенов баланс сместится в пользу короткоживущих вариантов. Однако короткоживущие особи, обитавшие рядом с тем местом, где появились первые долгоживущие мутанты, к этому времени уже будут вытеснены.

Тем самым наличие долгоживущих мутантов в семье может оказаться очень вредным: сначала благодаря долгой жизни они захватят жизненное пространство и вытеснят своих короткоживущих родичей, однако затем вымрут из-за эпидемий. Эта динамика необычна, так как одна и та же черта — долголетие — является выгодной в краткосрочной и пагубной в долгосрочной перспективе. Таким образом, не только долгожительство само по себе, но даже способность производить долгоживущих мутантов может рассматриваться как эволюционно вредный признак. Особи, способные производить таких мутантов, будут рано или поздно вытеснены.

Может ли эволюция создать механизмы, препятствующие появлению таких мутантов? К сожалению, эта область эволюционной биологии недостаточно разработана. В 2005 году американский эволюционный биолог Ли Альтенберг постулировал существование механизмов ограничения эволюции, которые защищают долгосрочно-полезные и краткосрочно-вредные адаптации [118]. О чем говорит эта теория? Пример, приводимый Альтенбергом, основан на воображаемых популяциях, занимающих

Рис. 26. Отбор Альтенберга в вязкой популяции.

Идею, стоящую за концепцией ограничителей эволюционного потенциала (или эволюционных «ремней безопасности»), можно сформулировать следующим образом: не только свойство организма, но и способность производить мутантов с определенными свойствами может отбираться эволюцией. Модель, представленная на рисунке, показывает, что способность производить долгоживущих мутантов (красные точки) может негативно сказываться на их короткоживущих родственниках. На этом рисунке часть короткоживущих особей (коричневые точки) способны производить долгоживущих мутантов, а другая часть (желтые точки) — не способны. В ходе событий, аналогичных тем, которые мы рассматривали на рис. 24, появление и вымирание долгоживущих мутантов приводят к полному исчезновению породившего их короткоживущего варианта. Благодаря этому могут отбираться особи, неспособные к быстрой эволюции долгой продолжительности жизни, то есть обладающие генетическими ограничителями эволюции (по [1]).

ниши с ограниченным количеством пищи. Мутации могут вызвать появление мутантов, которые очень быстро размножаются, но при этом очень много едят. На первых порах, пока пищи еще много, эти прожорливые варианты будут иметь преимущество и эффективно вытеснят более умеренные первоначальные варианты. Однако после того как большая часть популяции будет состоять из прожорливых особей, ресурсы будут исчерпаны, и вся популяция вымрет.

Чтобы избежать подобных катастроф, эволюция может разработать механизмы, препятствующие появлению слишком прожорливых мутантов. Альтенберг назвал эти гипотетические механизмы контрольными точками способности эволюционировать(evolvability checkpoints). Эта модель не получила дальнейшего развития, вероятно, потому, что выбранный пример был не слишком убедительным: вымирание целых популяций редко происходит из-за отсутствия пищи. Чаще всего, когда популяция животных постепенно уменьшается, это позволяет восстановиться источникам пищи (например, растениям вырасти, а добыче — размножиться).

Модель контроля патогенов постулирует, что биологическое бессмертие (или просто большое увеличение продолжительности жизни) может быть именно таким краткосрочно-полезным и долгосрочно-вредным признаком. При этом, в отличие от примера Альтенберга, она не требует вымирания популяции. Можно ли возродить гипотезу о контрольных точках способности эволюционировать в контексте модели патогенного контроля старения? Если эта теория верна, то она может служить еще одним объяснением редкости нестареющих мутантов. Будущие исследования должны показать, существуют ли ограничители эволюции Альтенберга в реальности.

Но давайте предположим, что это так, и ограничители существуют. Как они будут выглядеть для стороннего наблюдателя? Возможно ли, что мутации, увеличивающие продолжительность жизни, будут сопровождаться потерей других жизненно важных функций, как это было описано выше? Как и в случае с предотвращением манипуляций продолжительностью жизни со стороны паразитов, работа этих «ремней безопасности» будет приводить к низкой жизнеспособности долгоживущих мутантов. Действительно, в некоторых случаях долгоживущие мутанты лабораторных животных обладают некоторыми физиологическими дефектами. Классическая геронтология интерпретирует это как свидетельство, подтверждающее антагонистическую плейотропию.

Гипотеза контроля патогенов предлагает другую интерпретацию: она предполагает, что вредные эффекты мутаций, продлевающих жизнь являются результатом активации «ремней безопасности», предохраняющих от потери адаптивного старения. Однако, в отличие от теории антагонистической плейотропии, полагающей, что связи между полезными и вредными функциями генов возникают случайно, гипотеза контроля патогенов рассматривает эти связи как приобретенную адаптацию и приводит эволюционные основания их существования.

Итак, гипотеза контроля патогенов отвечает на оба критических замечания, исторически выдвигаемых против адаптивного запрограммированного старения:

• первый аргумент касался эволюционной стабильности старения как альтруистического признака. Мы обнаружили, что в рамках теории контроля патогенов адаптивное старение может произвести достаточно эволюционной пользы для генов своего носителя и тем самым удовлетворять неравенству Гамильтона (см. главу 28);

• второй аргумент — редкость нестареющих мутантов — мы обсудили в этой главе. Предотвращение отключения старения патогенами и эволюционная стабилизация долгосрочно-полезных адаптаций могут объяснить эту загадку.

Тем самым гипотеза контроля патогенов является первой моделью, способной ответить на оба вопроса в контексте теории адаптивного старения.

Старение как механизм ограничения продолжительности жизни может быть запрограммированной адаптацией, сходной с программой адаптивной смерти у бактерий. Однако старение работает и при отсутствии патогенов. При сравнении этих двух стратегий кажется, что бактерии имеют более совершенный механизм, который направленно убивает инфицированных особей, но позволяет не зараженным организмам жить и размножаться. Напротив, старение у животных неизбирательно и одинаково убивает больные и здоровые организмы.

Почему же мы, более эволюционно продвинутые виды, полагаемся на, казалось бы, менее эффективный и расточительный способ предотвращения инфекций? Возможный ответ заключается в том, что у нас слишком много болезней, которые иммунная система способна побороть. Обсудим эту нетривиальную связь в следующей главе.

Одноклеточному организму очень сложно избавиться от вирусов после того, как те уже попали внутрь клетки. В некоторых случаях в дело вступают защитные иммунные белки, ограничивающие репликацию вирусов. Например, бактерии кодируют ферменты — рестриктазы, расщепляющие мотивы (то есть определенные последовательности нуклеотидов) ДНК, отсутствующие в бактериальном геноме, но присутствующие в бактериофагах. Знаменитая система CRISPR/Cas9 также является частью бактериального иммунитета, которая помогает особым образом уничтожать ДНК фагов. Оба механизма, рестриктазы и CRISPR/Cas9 распознают последовательности ДНК, которые присутствуют в фаговой ДНК, но отсутствуют в геноме бактерии, иначе она атаковала бы саму себя. Поэтому если фаг заражает клетку, обладающую этими защитными механизмами, он будет уничтожен, а бактерия спасена.

Однако, как мы обсуждали в главе 27, взаимодействие хозяина и патогена — это постоянная «гонка вооружений». Находясь под селективным давлением, ДНК бактериофагов постоянно мутирует, то есть мотивы, распознаваемые ферментами рестрикции и системой CRISPR/Cas9, эволюционируют с течением времени и перестают распознаваться. Предположим, устойчивый фаг с таким мутировавшим мотивом ДНК заражает бактериальную клетку. В этом случае у бактерии будет очень мало шансов выработать новый фермент рестрикции или модифицировать систему CRISPR/Cas9 за то короткое время, пока длится инфекция. В этом случае преимущество будет на стороне бактериофага, и адаптивная запрограммированная смерть, или феноптоз, является эволюционно выгодным вариантом для бактерии. Не имея возможности устранить инфекцию и обезопасить себя, бактерия пытается прекратить репликацию фага ценой собственной жизни. Совершая самоубийство, она спасает своих соседей, которые, вероятно, являются ее родственниками [106].

Неудивительно, что механизмы адаптивной смерти у бактерий эволюционируют аналогично классическим иммунным механизмам: фаги изобретают способы подавления самоубийства бактерий, бактерии эволюционируют, чтобы преодолеть подавляющие механизмы фагов, или изобретают новые механизмы самоубийства. Фаги изобретают новые трюки, чтобы это преодолеть, и так далее. Таким образом, ответ на инфекцию с помощью феноптоза эволюционно оправдан и хорошо изучен у одноклеточных организмов.

Экология взаимодействия патогенов и хозяев у многоклеточных значительно отличается. Если организм состоит из нескольких клеток, он способен избавиться только от зараженных, сохранив при этом здоровые клетки. Это гораздо проще, чем удалить вирус, который уже проник в клетку. Инфицированные клетки активируют иммунную систему, способную в большинстве случаев либо полностью удалить патоген, либо снизить эффективность его репликации. Здоровые клетки, окружающие очаг инфекции, активируют свои антивирусные механизмы, что помогает ограничить репликацию вируса. Таким образом, наше тело может удалить большинство инфекций без существенных долгосрочных последствий. Это принципиально отличает нас от бактерий.

Может ли наша иммунная система надежно предсказать исход заболевания? Является ли конкретная инфекция легкой лихорадкой, которая пройдет через несколько дней, или это тяжелое хроническое расстройство, стерилизующее организм? Как иммунная система может это выяснить? Кажется, что эта задача является для нее непосильной: она может, например, распознать новый чужеродный белок в крови, но каким образом использовать эту информацию для определения природы патогена и прогнозирования исхода заболевания?

Наличие легких или излечимых инфекций создает неопределенность, которая заставляет организмы отказаться от феноптоза как средства борьбы с инфекциями. Феноптоз в ответ на инфекцию становится эволюционно невыгодным, поскольку хозяева, которые убивают себя после заражения обычной простудой, будут быстро вытеснены мутантными вариантами, лишенными феноптоза. Таким образом, отсутствие достоверной информации о свойствах заболевания может быть основополагающим фактором, определяющим разницу в стратегиях адаптивной смерти между одноклеточными и многоклеточными организмами.

Следует отметить, что у некоторых одноклеточных, например у дрожжей, наряду с апоптозом (запрограммированной клеточной смертью) все-таки присутствует старение. Может ли теория контроля патогенов дать объяснение этому феномену? Помимо того, что иммунная система не всегда может распознать тип инфекции, она не всегда способна установить сам факт присутствия патогена в организме. Поскольку паразиты эволюционируют намного быстрее хозяев, они постоянно приобретают новые механизмы ухода от иммунного ответа, в частности, стараются избегать обнаружения. Если эволюция паразита привела к получению им «шапки-невидимки», то феноптоз по очевидным причинам не поможет предотвратить эпидемию такого патогена — организм попросту не будет знать, что он заражен. Однако старение может помочь удалить потенциально зараженных особей, основываясь на статистической вероятности заражения, а не на возможно неточной информации, получаемой от иммунной системы.

Итак, если бы организмы имели точную информацию о том, какими болезнями они заражены, они бы убивали себя с помощью феноптоза при заражении стерилизующими хроническими заболеваниями и излечивали или подавляли симптомы всех остальных болезней. Однако неопределенность обнаружения и идентификации инфекций делает эту стратегию неэффективной. Поэтому старение могло развиться как примитивная, но универсальная и неспецифическая мера борьбы с хроническими патогенами, которая не требует точной информации о факте заражения и типе инфекции.

Рис. 27. Феноптоз: адаптивная смерть в ответ на инфекцию помогает избавиться от хронических патогенов, но очень вредна в присутствии излечимых патогенов. Эксперимент очень похож на приведенный на рис. 24, однако теперь долгоживущий вариант отвечает немедленной смертью на заражение патогенами. В присутствии стерилизующего хронического патогена такой вариант способен успешно размножаться и вытеснять короткоживущий вариант, поскольку инфекции удаляются из популяции за счет феноптоза, а размножение более эффективно за счет долгой жизни. Однако в присутствии относительно легко излечимого патогена феноптоз становится чрезвычайно вредным свойством: особи умирают из-за болезни, которая сама по себе не наносит существенного вреда. В этом случае короткоживущий вариант быстро побеждает долгоживущий.

В главе 27 мы обсуждали, что патогены забирают ресурсы у своих хозяев для производства инфекционных частиц. Из-за этого инфицированные хозяева обычно несколько ослаблены и, как следствие, менее репродуктивно успешны — они могут оказаться неспособны конкурировать за полового партнера или зачать потомство. Инфекции могут вызывать выкидыши и аномалии развития, зараженные матери могут быть ослаблены болезнью и из-за этого неспособны ухаживать за потомством. Для патогена важно прежде всего выживание хозяина, в то время как его размножение не столь существенно.

Кроме того, некоторые патогены намеренно стерилизуют хозяев в рамках своей репродуктивной стратегии. Рассмотрим пример саккулины (Sacculina sp.), ракообразного паразита других ракообразных — крабов. Активно плавающая личинка паразита напоминает личинки родственных саккулинам усоногих раков (Cirripedia). Однако взрослые формы этих групп разительно отличаются. Когда личинка саккулины находит подходящего краба, она сперва проделывает отверстие в его панцире при помощи специальных ферментов, а затем проникает в его тело как аморфная масса клеток и растет, подобно опухоли, проникая отростками во все органы, включая мозг и даже глазные стебельки. Краб кастрируется и полностью попадает под контроль саккулины. Массивный пульсирующий репродуктивный орган паразита появляется на том месте, где должны быть гениталии хозяина. Зараженные самки крабов заботятся о потомстве паразита как о своем собственном, забираются на возвышенности и, совершая характерные движения клешнями, помогают распространять личинки саккулины. Если же саккулина заражает краба-самца, то вырабатывает феминизирующие гормоны, которые заставляют самца вести себя подобно самке.

Продолжительность жизни саккулины определяется продолжительностью жизни хозяина и обычно составляет 1–2 года. В некоторых регионах до 50 % всех крабов могут быть заражены этой болезнью. Очевидно, что саккулины должны оказывать сильное селективное давление, и адаптивная смерть зараженного краба может быть эволюционно полезной.

Насколько часто встречаются стерилизующие патогены? Они широко распространены среди беспозвоночных и рыб, но относительно редки у высших позвоночных. Почему это так? Плодовитость хозяина, вероятно, определяет, может ли кастрация быть хорошей стратегией для паразитов, заражающих этот вид. Крабы откладывают многие тысячи яиц, поэтому очень небольшая доля здоровых плодовитых самок может оказаться достаточной для поддержания численности популяции; из-за снижения конкуренции выживет и найдет доступные ниши гораздо больше молоди.

Напротив, в популяциях видов с низкой плодовитостью, таких как человек, сравнимая доля стерильных особей женского пола приведет к демографической катастрофе. Падение плотности популяции хозяев затруднит распространение паразита, что в конечном итоге приведет либо к его исчезновению, либо к эволюции более «бережливых» форм, которые не кастрируют хозяев полностью. Таким образом, фертильность хозяина может косвенно влиять на распространенность стерилизующих инфекций.

Тем не менее хронические заболевания, снижающие фертильность, относительно часто встречаются и у млекопитающих, в том числе у людей. В основном это заболевания, передающиеся половым путем, такие как гонорея, сифилис, СПИД, генитальный герпес, токсоплазма и другие. Основное предположение гипотезы контроля патогенов заключается в том, что совокупное селективное давление, создаваемое этими инфекциями, достаточно для того, чтобы привести к эволюции короткой продолжительности жизни у млекопитающих. Ниже мы обращаемся именно к этим заболеваниям как к способным приводить к эволюции старения.

Читатель может заметить, что большинство этих заболеваний либо излечимы, либо не стерилизуют инфицированных больных полностью, либо стерилизация проявляется не у всех инфицированных пациентов. Это справедливо, и поэтому здесь необходимо сделать некоторое разъяснение. И ВИЧ, и сифилис, если их не лечить, частично стерилизуют своих носителей, а также передаются их потомкам, убивая или стерилизуя их тоже [119, 120]. С точки зрения эволюции разница между непосредственной стерилизацией родителей и убийством или стерилизацией их детенышей очень невелика 46.

Итак, почему инфекции, передаваемые половым путем, имеют тенденцию стерилизовать своих хозяев? Во-первых, они заражают репродуктивные органы, что может нарушить их функции. Во-вторых, стерилизация может быть эволюционно полезной для этих патогенов: если самка не способна зачать, она может участвовать в большем количестве половых актов и, следовательно, повысить вероятность инфекции. Поэтому патогены, передаваемые половым путем, представляют особый интерес для нашей модели.

Помимо стерилизации, являющейся частью их эволюционной стратегии, болезни, передающиеся половым путем, имеют еще одну необычную эпидемиологическую особенность: их передача зависит от доли зараженных особей, но не зависит от плотности популяции. Что это значит?

В главе 27 мы рассматривали эволюцию миксоматоза кроликов. При снижении плотности популяции хозяев количество заражений миксомавирусом также сокращалось. То есть распространение миксомавируса (болезнь, которая передается кровососущими насекомыми или воздушно-капельным путем) зависит от плотности популяции кроликов. Но в случае с заболеваниями, передающимися половым путем, ситуация иная, поскольку половые контакты так или иначе являются обязательными для размножения животных: если популяция становится слишком разреженной, то животные мигрируют в поисках пары.

Соответственно, число инфекционных контактов в случае заболеваний, передаваемых половым путем, в меньшей степени зависит от плотности популяции. А количество новых венерических инфекций больше зависит от частоты встречаемости инфицированных животных в популяции. Такие инфекции называются частотно-зависимыми.

Стерилизующие заболевания с частотно-зависимой передачей являются одним из наиболее опасных экологических факторов, способных привести популяцию хозяев к полному вымиранию [121]. Действительно, если передача патогена функционально связана с размножением животного, у популяции хозяев мало шансов на восстановление. Интересно, что моделирование выявляет резкий фазовый переход 47 в этой системе: либо болезнь присутствует на низком уровне и не оказывает большого влияния, либо болезнь экспоненциально расширяется и полностью уничтожает популяцию хозяев.

Сравнительно небольшое изменение в инфекционности патогена может переводить модель из одной фазы в другую. Таким образом, патогены, передаваемые половым путем, будут либо почти незаметными, либо вызовут катастрофу. У высших позвоночных, имеющих относительно низкую плодовитость и нуждающихся в спаривании для каждого раунда репликации, эти патогены могут являться фактором, формирующим эволюцию продолжительности жизни.

У других групп животных, таких как беспозвоночные или рыбы, половой путь передачи заболеваний может быть менее важен. У многих видов беспозвоночных спаривание не требуется на каждом этапе размножения. Например, самка плодовой мушки может спариться один раз в начале жизни и хранить сперму до конца своих дней. У рыб или двустворчатых моллюсков оплодотворение является внешним (экстракорпоральным): половые продукты выбрасываются наружу и не вводятся в тело партнера, поэтому риск передачи инфекций половым путем снижен. Скорее всего, у этих видов болезни, передающиеся половым путем, не играют большой роли для эволюции старения.

Однако у этих видов могут встречаться другие стерилизующие инфекции. Напомним, что у видов с высокой плодовитостью достаточно всего нескольких плодовитых самок, чтобы поддерживать численность популяции. Поэтому кастрирующие патогены не оказывают такого сильного воздействия на динамику численности популяций этих видов и поражают их чаще, чем животных с относительно низкой плодовитостью, таких как млекопитающие или птицы. Многие известные кастрирующие инфекции рыб и беспозвоночных не передаются половым путем: например, упомянутая выше саккулина передается свободноживущими личинками. Таким образом, пути передачи стерилизующих патогенов, являющихся движущей силой эволюции продолжительности жизни, могут отличаться в разных группах животных.

Итак, ключевое предположение гипотезы контроля патогенов заключается в том, что хронические стерилизующие инфекции оказывают постоянное селективное давление. Для этого необходимо, чтобы такие патогены постоянно присутствовали в окружающей среде. Но так ли это? Серьезная проблема модели, на которую обратит внимание любой паразитолог, — это эволюция устойчивости к патогенам. Почему организмы стареют, вместо того чтобы выработать устойчивость к патогенам и избавиться от старения?

46 Разумеется, если рассматривать современную эпидемиологическую ситуацию, то эти проблемы практически ушли на второй план благодаря огромному прогрессу, достигнутому в лечении инфекционных заболеваний: люди, живущие с ВИЧ, способны иметь здоровых детей, а сифилис и вовсе полностью излечивается. Однако если мы обсуждаем эволюционное формирование механизмов старения, которое продолжалось на протяжении миллионов лет в отсутствии средств лечения, то достижения медицины последнего столетия пока несущественны. Для того чтобы эти изменения оказали влияние на эволюцию продолжительности жизни, должно пройти еще несколько миллионов лет.

47 Термин «фазовый переход» означает, что в определенных условиях очень незначительные изменения таких параметров, как способность патогена передаваться между хозяевами, могут привести к значительным изменениям, например, к массовому вымиранию либо хозяина, либо патогена.

Давайте вернемся к быстрой эволюции устойчивости к вирусу миксомы, которая наблюдалась у кроликов в Австралии. Миксоматоз кроликов — смертельная болезнь, однако стерилизующие патогены также могут производить очень сильное селективное давление, которое тоже должно вести к быстрой эволюции устойчивости. Если бы хозяева могли приобрести иммунные механизмы, предотвращающие репликацию стерилизующих патогенов или делающие их менее вредными для организма, адаптивное старение стало бы ненужным и было бы утрачено в ходе эволюции. Тогда почему эволюция устойчивости к стерилизующим патогенам не происходит повсеместно и старение все еще присутствует в подавляющем большинстве живых организмов?

Примечательно, что у крабов не развилась устойчивость к саккулине. Однако можем ли мы распространять эти наблюдения на все виды животных? Старение наблюдается повсеместно, и, следовательно, если гипотеза контроля патогенов верна, стерилизующие заболевания должны быть сильным, универсальным и постоянно действующим фактором. Помимо отсутствия эволюции устойчивости, важно объяснить, как эта модель может функционировать, если мы не видим постоянных эпидемий кастрирующих инфекций, подобных саккулине, во всех популяциях животных.

Как обсуждалось в предыдущей главе, относительно незначительные изменения могут привести к тому, что эпидемия стерилизующего заболевания, передаваемого половым путем, перейдет из режима низкой встречаемости к катастрофическому вымиранию носителей. Когда такие патогены присутствуют в малых количествах, они не могут оказывать серьезного селективного давления, приводящего к развитию резистентности. Однако при повышении эффективности передачи, которое может быть вызвано увеличением продолжительности жизни хозяина, эти заболевания могут вызвать резкую вспышку и стать причиной локального вымирания. Такие случаи, вероятно, более распространены, чем саккулиноподобные заболевания, но все еще ограничены высшими позвоночными, для которых характерна низкая плодовитость и необходимость спаривания.

Существуют ли более универсальные сценарии, которые позволили бы патогенам быть эволюционными стражами старения, при этом оставаясь в тени? Есть еще два сценария, потенциально способных это объяснить: коинфекция несколькими патогенами и адаптация чужеродных патогенов.

Предположим, что популяция животных одновременно заражена несколькими мягкими хроническими заболеваниями. Каждая инфекция несколько уменьшает репродуктивную способность зараженной особи, но этого сокращения недостаточно, чтобы вызвать быструю эволюцию устойчивости. Кроме того, устойчивость к различным патогенам обуславливается разными мутациями (за примерами разных генов, приводящих к устойчивости к малярии и бактериальным инфекциям, мы можем вернуться к главе 8). Таким образом, отбор резистентных хозяев прогрессирует медленно и отстает от эволюции патогенов, обеспечивая долгосрочную устойчивость этой экосистемы.

Однако если несколько патогенов заражают один и тот же организм, их пагубное воздействие может суммироваться, что в конечном итоге приводит к полной стерилизации. Моделирование показывает, что случаи коинфекции должны расти с возрастом и что несколько мягких патогенов могут оказывать селективное давление в пользу короткой продолжительности жизни точно так же, как один патоген с сильным стерилизующим эффектом. Таким образом, нескольких относительно легких заболеваний может быть достаточно для сценария селекции, предсказанного гипотезой контроля патогенов.

Рис. 28. Несколько мягких патогенов в комбинации могут приводить к эволюции укороченной жизни. Эксперимент, приведенный на рис. 24, предполагает эпидемию патогена, снижающего фертильность в десять раз или более. Хотя такие патогены существуют в некотором количестве, необходимость инфекции с таким сильным уровнем стерилизации сужает универсальность модели. В эксперименте, представленном на этом рисунке, мы смоделировали популяцию, в которой циркулируют сразу несколько патогенов, с более слабым уровнем стерилизации, — в данном случае это четыре патогена, каждый из которых снижал количество детенышей зараженной особи в два с половиной раза. Оказалось, что совместная циркуляция нескольких слабо стерилизующих хронических патогенов способна оказывать такие же эффекты на эволюцию продолжительности жизни, как и один патоген с сильной стерилизацией (по [1]).

Количество видов паразитов на Земле в несколько раз превышает число свободноживущих видов. Некоторые патогены являются факультативными — они могут размножаться и в окружающей среде, и в организме хозяев. Таким образом, каждый свободноживущий вид постоянно «зондируется» различными инфекциями, передающимися от других видов или из окружающей среды. Когда такой патоген в ходе межвидовой передачи попадает в организм нового для него вида, он может оказаться несостоятельным в противодействии иммунной системе, с которой никогда раньше не сталкивался. Однако если он все еще способен реплицироваться на уровне, достаточном для его выживания в теле нового организма, то может эволюционировать и стать более приспособленным к новому хозяину. Эта адаптивная эволюция требует времени и может быть предотвращена более ранней смертью носителя.

Примером вируса, адаптирующегося к новому хозяину, является ВИЧ-2. Исходный вирус циркулирует в популяции обезьян, дымчатых мангобеев (Cercocebus atys), но может инфицировать людей, например охотников, контактирующих с кровью зараженных животных. ВИЧ-2 вызывает пожизненную инфекцию, но передается от человека к человеку гораздо хуже основного пандемического штамма, ВИЧ-1, появившегося у людей, скорее всего, в первой половине ХХ века [122]. Некоторые из вариантов ВИЧ-2 все же способны с низкой эффективностью передаваться между людьми, однако в основном штамм известен только по отдельным пациентам, непосредственно контактировавшим с обезьянами.

Вероятно, чтобы накопить адаптивные мутации, улучшающие передачу, вирусу нужно время, которое может определять способность патогена закрепиться в новой популяции. Для хронических инфекций это время определяется продолжительностью жизни хозяина, поэтому долгоживущие носители должны быть более склонны к вспышкам заболеваний этого типа. Соответственно, хозяева-долгожители, если они появляются в популяции, могут провоцировать вспышки новых хронических болезней. В то же время для короткоживущих животных новые патогены могут быть менее значимым фактором отбора, поскольку они не имеют достаточного времени для адаптации. Если бы продолжительность жизни людей была меньше, возможно, некоторые варианты ВИЧ либо вовсе не могли бы приспособиться к человеческой популяции, либо делали бы это с меньшей частотой.

Рис. 29. Высокая продолжительность жизни облегчает адаптацию новых патогенов.

Для приобретения способности эффективно заражать особей нового вида патогену необходимо время. В этом эксперименте патогену, приходящему из окружающей среды или из другого вида животных, требуется приобрести десять мутаций, чтобы повысить свою трансмиссию в десять раз. В хозяевах с короткой продолжительностью жизни (левая колонка) этот процесс занимает гораздо большее время, поскольку частично адаптированные варианты чаще удаляются из популяции из-за смерти хозяев. В хозяевах с высокой продолжительностью жизни (центральная колонка) патоген оказывается способен достичь адаптированного состояния. При этом адаптированный патоген способен хорошо размножаться даже в хозяевах с короткой продолжительностью жизни (правая колонка) (по [1]).

Геномы человека хранят следы эпидемий вымерших ВИЧ-подобных вирусов (ретровирусов HERV-K и ERV9), которым мы подвергались в своей недавней эволюционной истории. Это указывает на то, что вспышки ретровирусных инфекций могут происходить довольно часто и потенциально могут создавать селективное давление в сторону сокращения продолжительности жизни.

Итак, постоянные эпидемии стерилизующих заболеваний не являются необходимым условием для эволюционной стабильности короткой продолжительности жизни. Селекция, приводящая к старению, может быть опосредована совместным заражением несколькими более мягкими патогенами или спорадическими вспышками инфекций, вызываемых патогенами, передающимися от других видов. Будущие экологические исследования должны подтвердить или опровергнуть эти гипотезы.

После того как мы узнали, какие типы патогенов могут стоять за эволюцией старения, обсудим, могут ли организмы хотя бы иногда отличать стерилизующие хронические заболевания, на которые стˆоит реагировать адаптивной смертью, от излечимых патогенов, на которые не следует реагировать суицидом, и как эта информация может влиять на старение.

В главе 32 мы обсуждали, что феноптоз может служить хорошим средством борьбы с инфекциями у бактерий, большинство патогенов которых неизлечимы. Однако у высших животных, где большинство болезней могут быть побеждены иммунной системой, феноптоз не может быть эволюционно стабилен. Иммунная система не способна точно определить, является ли патоген хроническим или излечимым. Поэтому если бы феноптоз присутствовал у высших животных, он бы срабатывал в ответ не только на заражение хроническими стерилизующими патогенами, но и на обычную простуду или пищевое отравление. Следовательно, смертность оказалась бы избыточно высокой, а это не может быть эволюционно выгодным.

Есть ли способы, с помощью которых иммунная система может различить хронические и излечимые заболевания? Ранее, в главе 32, мы говорили, что прямых способов сделать это, скорее всего, нет. Биохимически и иммунологически разные стерилизующие болезни очень сильно отличаются, например, ВИЧ — это вирусное заболевание, в то время как сифилис — бактериальное. Поэтому общих признаков, на которые могло бы опираться иммунное распознавание, вероятно, нет. Есть ли какие-нибудь индикаторы, которые помогут иммунной системе хотя бы косвенно распознать хроническую болезнь и включить программу, подобную феноптозу?

В главе 30 мы выяснили, что воспаление может ускорять старение. Если болезнь излечивается, то воспаление краткосрочно, и, как следствие, величина, на которую сокращается жизнь, невелика. В случае хронических болезней воспаление продолжается долго, а следовательно, вызванное им ускоренное старение сокращает продолжительность жизни на относительно большую величину. То есть ускорение старения при воспалении — селективное средство борьбы с хроническими инфекциями, которое, в отличие от феноптоза, не несет опасности ложного срабатывания из-за заражения излечимыми патогенами.

Рис. 30. Ускорение старения при инфекции является эволюционно полезным признаком. Опыт проводили так же как, и на рис. 24, только на этот раз долгоживущий вариант при заражении ускорял скорость своего старения в два раза. Таким образом, если долгоживущая особь оказывалась заражена, то ее продолжительность жизни становилась сравнимой с продолжительностью жизни короткоживущего варианта. Такой долгоживущий вариант доминировал в присутствии хронического патогена, поскольку при заражении он относительно быстро умирал, а если оставался здоровым, лучше размножался благодаря своей длинной жизни. В присутствии излечимого патогена он тоже превосходил короткоживущий вариант, поскольку кратковременное заражение не оказывало большого эффекта на его продолжительность жизни. Эта модель может объяснить эволюционные причины, по которым воспаление ускоряет старение.

Могут ли другие эпидемиологические параметры помочь отличать один тип инфекций от другого? Если мы сравним хронические стерилизующие заболевания, описанные в главе 34, и острые инфекции, мы обнаружим, что скорость их передачи часто существенно различается. Скорость передачи(transmission) определяет, сколько восприимчивых хозяев один инфицированный носитель заражает за единицу времени. Для того чтобы эпидемия прогрессировала, каждый носитель должен заражать более одного здорового хозяина. Если продолжительность болезни коротка, как в случае острых излечимых инфекций, таких как корь или коклюш, то время ограничено и скорость передачи должна быть относительно высокой, чтобы заразить достаточное количество здоровых особей. Напротив, если заболевание хроническое, то время не является лимитирующим фактором и скорость передачи может быть гораздо ниже.

Более того, если хронический стерилизующий патоген обладает очень высокой инфекционностью и заражает хозяев с низкой плодовитостью, ситуация не будет эволюционно стабильной в долгосрочной перспективе. Она может развиваться в разных направлениях: либо хозяин, либо патоген вымрет, потому что стерилизация многих хозяев приведет к коллапсу их популяции, что сделает проблематичной и передачу патогена.

Патогены могут выработать более слабую стерилизацию или более низкую скорость передачи, чтобы быть более осмотрительными с популяцией хозяина. В качестве альтернативы хозяева могут выработать частичную устойчивость к патогену или, как наименее вероятный сценарий, повысить плодовитость, чтобы компенсировать ущерб, нанесенный болезнью. Однако если мы предположим, что хронические стерилизующие патогены, поражающие хозяев с низкой плодовитостью, остаются эволюционно успешными, то следует ожидать, что они будут передаваться с умеренной или медленной скоростью. В противном случае они не смогут занимать эту экологическую нишу на протяжении долгого времени.

Могут ли организмы хозяев как-то распознавать патогены с низкой инфекционностью? Может ли животное оценить эпидемиологический параметр инфекции, которой оно заразилось? Моделирование показывает, что возраст, в котором животное подверглось заражению, зависит от инфекционности, а следовательно, от типа инфекции: излечимые заболевания с высокой инфекционностью заражают хозяев на ранних стадиях их жизни. Например, корь, краснуха, скарлатина, полиомиелит, другие респираторные и кишечные заболевания с относительно высокой скоростью передачи — это в основном детские болезни. Непривитые дети заражаются, и если выздоравливают, то, как правило, приобретают долгосрочный или даже пожизненный иммунитет от этих болезней.

Напротив, хронические стерилизующие заболевания с низкой инфекционностью чаще поражают более возрастных носителей. Например, стерилизующие инфекции, передаваемые половым путем, достигают своего пика вскоре после полового созревания. Таким образом, хотя иммунная система и не может напрямую определить скорость передачи патогена, но если хозяин встречается с новой инфекцией в более позднем возрасте, то эта болезнь имеет более высокую вероятность оказаться хронической стерилизующей инфекцией, чем болезнь, поразившая этот организм в начале жизни.

Конечно, стерилизующие хронические заболевания могут заражать детей, а острые лихорадки — пожилых людей. Однако чем старше особь, тем выше шанс, что новая для нее инфекция окажется хроническим стерилизующим заболеванием, а не острой лихорадкой. Если эта идея верна, старые животные, зараженные новым патогеном, должны быть склонны к самоубийству. Можем ли мы найти факты, позволяющие проверить эту гипотезу?

Рис. 31. Возраст первого инфицирования патогеном может помочь иммунной системе отличить хронические и острые патогены.

Верхняя панель. Излечимые болезни с высоким уровнем инфекционности, вызывающие продолжительный иммунитет, обычно поражают хозяев в раннем возрасте. На рисунке приведены возрасты пациентов с диагносцированными ветрянкой, корью и вирусом коксаки B. В то же время хронические стерилизующие инфекции, такие как сифилис, ВИЧ и гонорея, поражают организмы в более позднем возрасте. (Спад в количестве инфекций этими заболеваниями с возрастом, вероятно, связан с изменениями полового поведения человека, он может отсутствовать у животных.) Видно, что патоген, впервые встреченный индивидуумом в позднем возрасте, с большей вероятностью окажется хроническим стерилизующим патогеном, чем патоген, встреченный в более молодом возрасте.

Нижняя панель. Феноптоз в ответ на инфекцию в позднем возрасте эволюционно выгоден. Эксперимент проводили так же, как и на рис. 27, с тем отличием, что долгоживущий мутант отвечал феноптозом на инфекцию лишь в позднем возрасте. В этом случае долгоживущий мутант был способен закрепиться в популяции в присутствии как хронического стерилизующего патогена (поскольку в этом случае заражение сокращало жизнь до уровня, сравнимого с короткоживущим вариантом), так и острого излечимого патогена (поскольку особи часто переживали инфекцию в молодом возрасте, не активируя феноптоз). Конечно, это еще не значит, что такая стратегия делает старение полностью ненужным: патогены могут изобретать механизмы ухода от детекции или предотвращения феноптоза. Феноптоз в позднем возрасте лишь сдвигает оптимум продолжительности жизни в сторону большего долгожительства. Эта модель объясняет эволюционные причины появления старения иммунной системы — иммуносенесцентности и рационализирует некоторые его свойства.

Иммунная система изменяется по мере старения организма. В англоязычной литературе это явление называется immuno-senescence — «иммунологическое старение или иммуносенесцентность»(от immunity — иммунитет и senescence — старение). Общепринятое представление об этом процессе заключается в том, что иммунитет пожилых людей хуже защищает от инфекций и делает их более склонными к воспалительным реакциям. Пандемия SARS-CoV-2 ярко высветила негативные последствия иммунного старения. Возраст был основным определяющим фактором смертности у пациентов с COVID-19.

Одним из самых заметных возрастных изменений в иммунной системе является инволюция 48 тимуса. Тимус является органом, где созревают Т-лимфоциты (или Т-клетки, тип белых кровяных телец), мигрировавшие туда из костного мозга. Назначение Т-лимфоцитов — убивать раковые и зараженные вирусами клетки. Возрастное уменьшение тимуса приводит к неспособности организма производить новые наивные Т-лимфоциты 49, то есть способные реагировать на новые белковые мотивы, а следовательно, защищать от новых инфекций. В то же время количество Т-клеток памяти, которые необходимы для предотвращения инфекций, уже знакомых организму, напротив, увеличивается.

Аналогичная динамика наблюдается и с В-лимфоцитами, которые производят антитела — специальные белки, способные связываться с молекулами патогена (антигенами) и инактивировать их. Количество наивных В-клеток, которые могут реагировать на новые антигены, неуклонно уменьшается с возрастом, а количество клеток памяти — увеличивается.

Рис. 32. Иммунная система человека меняет свои свойства с возрастом.

Иммунный ответ становится более воспалительным и хуже защищает от инфекций. Этот эффект затрагивает практически все функции иммунной системы и, в частности, включает истощение пула наивных B- и T-лимфоцитов, которые способны защищать от новых патогенов. Одним из самых выраженных событий, происходящих с иммунной системой, является инволюция вилочковой железы — тимуса, — в которой созревают наивные Т-лимфоциты. С возрастом эта железа значительно уменьшается в размерах.

Эти и другие изменения в иммунной системе приводят к низкой устойчивости к новым для организма заболеваниям. Например, сезонные эпидемии гриппа, вызванные новыми штаммами вируса, представляют серьезную опасность для пожилых людей. В то же время иммунная память уменьшается медленнее. Если штамм вируса гриппа уже вызывал эпидемию несколько десятилетий назад, пожилые люди благодаря их иммунной памяти могут пострадать даже меньше, чем молодые [123].

Возрастные изменения в иммунной системе часто рассматриваются как следствие накопления повреждений, то есть как проявление энтропического старения (см. главу 3). На самом деле эти изменения могут быть эволюционно выгодным механизмом, стратегией адаптивной смерти, которая помогает целенаправленно удалить особей, инфицированных хроническими патогенами. Этот аргумент может быть расширен, поскольку адаптивная смерть является лишь одним из способов ограничения передачи патогенов.

Эволюция способна создавать другие физиологические или поведенческие механизмы для предотвращения распространения заболевания. Если, как мы выяснили выше, болезнь, заражающая более старое животное, с большей вероятностью является хронической, то более старым хозяевам следует вкладывать больше энергии в механизмы предотвращения дальнейшей передачи этой болезни. Возможно, более тяжелые симптомы заболеваний, испытываемые старыми животными, являются частью адаптивной стратегии по ограничению распространения болезни? Например, апатия и снижение аппетита могут привести к социальной изоляции пожилой зараженной особи, тем самым уменьшая количество инфекционных контактов. Если это так, то старое животное должно заражать других с меньшей эффективностью, чем молодое, зараженное тем же патогеном.

Чтобы сформулировать эту гипотезу более точно, нам нужно прояснить фундаментальное различие между резистентностью и толерантностью к инфекционным заболеваниям.

Резистентность, или устойчивость, — это способность организма предотвратить репликацию патогена. Если мы инфицируем высокорезистентного хозяина, количество производимых и выделяемых им во внешнюю среду (секретируемых) инфекционных частиц будет меньше, чем у хозяина с низкой резистентностью. Напротив, толерантность к инфекциям означает снижение остроты симптомов. Толерантные носители демонстрируют незначительные симптомы независимо от количества инфекционных частиц.

Рис. 33. Резистентность и толерантность.

Эти два термина описывают свойства иммунной системы. Резистентность соответствует способности иммунной системы подавлять размножение патогена. Симптомы у зараженной особи могут быть сильными или слабыми — к понятию резистентности это не относится. Напротив, толерантность — это характеристика симптомов болезни. Если симптомы сильные, то толерантность к этой инфекции считается низкой, если слабые — то высокой. Интенсивность размножения патогена при измерении толерантности не играет большой роли. Обычно резистентность и толерантность коррелируют друг с другом, то есть если иммунная система способна контролировать размножение патогена, то симптомы при этом слабые, и наоборот. Однако в некоторых случаях эти два параметра могут изменяться независимо, например, если сильные симптомы появляются при попадании патогена в чувствительный орган, такой как головной мозг, то симптомы могут быть очень сильными, даже если размножение подавлено.

Как правило, толерантность и резистентность связаны друг с другом. Резистентные хозяева производят меньше частиц, а также имеют более мягкие симптомы. Однако в некоторых случаях резистентность и толерантность могут изменяться независимо друг от друга. Иногда носители могут содержать большое количество инфекционных частиц и не проявлять при этом видимых симптомов. Например, летучие мыши толерантны ко многим вирусным инфекциям — они могут иметь большое количество вирусов в крови и распространять заболевания, не демонстрируя явных признаков болезни. Эта черта делает летучих мышей естественным резервуаром для вируса Эбола, коронавирусов и многих других вирусных заболеваний. Противовирусный сигнальный белок — интерферон, который активируется у других млекопитающих в ответ на инфекцию, активен у летучих мышей постоянно, вероятно тем самым объясняя механизм их уникальной стратегии взаимодействия с вирусами.

С другой стороны, снижение толерантности иногда наблюдается без изменения резистентности. Например, иммунная система может слишком остро реагировать на инфекцию или другой раздражитель, повреждая или убивая организм. Это явление, называемое цитокиновый шторм, связано с чрезмерной выработкой сигнальных молекул цитокинов, таких как интерфероны. Эти молекулы обычно активируют клеточные механизмы противовирусной защиты и сообщают иммунным клеткам о возникших проблемах. Некоторые из этих молекул производятся самими иммунными клетками, помогая им координировать свои действия.

Но иногда избыток цитокинов может привести к коме или смерти организма. Обычно этот механизм рассматривается как эволюционно невыгодная, ошибочная реакция иммунного ответа. Однако в свете гипотезы адаптивной смерти цитокиновый шторм может быть хорошим кандидатом на роль направленного механизма самоубийства. Важно заметить, что пожилые люди более склонны к развитию цитокинового шторма, чем молодые.

Итак, давайте сформулируем эволюционную гипотезу возрастных изменений иммунитета в терминах резистентности и толерантности. Организмы пытаются отличить тяжелые хронические инфекции от легких или излечимых. Если пожилая особь сталкивается с патогеном, с которым она никогда раньше не встречалась, вероятность того, что патоген вызовет хроническое стерилизующее заболевание, выше, чем если бы этот контакт состоялся в более молодом возрасте. Поэтому старые животные инвестируют больше ресурсов в ограничение передачи патогенов.

Стратегии, направленные на сокращение распространения заболеваний, могут включать адаптивную смерть (феноптоз), усиление социальной изоляции или дорогостоящие расходы на подавление инфекции. Таким образом, теория контроля патогенов предсказывает наличие иммунных механизмов, которые эволюционировали, чтобы ограничивать передачу патогенов родственникам, возможно, в ущерб здоровью самой особи. За счет этого происходит снижение передачи инфекций более старыми носителями, что может сопровождаться снижением толерантности и более тяжелыми симптомами. Напротив, резистентность не должна падать, она может даже увеличиваться за счет инвестиций дополнительных ресурсов в иммунный ответ. Тестирование этих предсказаний является одним из способов проверки гипотезы контроля патогенов.

48 Инволю́ция (от лат. involutio — свёртывание, завиток) — обратное развитие, движение назад.

49 Каждый Т-лимфоцит способен реагировать только на один белок-антиген. Сначала иммунная система производит миллиарды разных лимфоцитов, каждый из которых распознает только один антиген. Потом те лимфоциты, которые распознают собственные белки организма, отбраковываются: если этот процесс дает сбой, то иммунная система будет убивать собственные клетки, и возникнет аутоиммунное заболевание. Отобранные клетки циркулируют в крови и лимфе, ожидая встречи с их собственным, уникальным антигеном. Эти клетки называются наивными Т-лимфоцитами, а их главная роль — реагировать на новые патогены. Если наивная Т-клетка сталкивается с тем уникальным антигеном, на который она способна реагировать, то она активируется и начинает делиться. Часть из ее потомков превращается в эффекторные Т-лимфоциты, которые активно убивают зараженные клетки организма, имеющие на поверхности тот самый антиген, который распознает эта конкретная линия Т-клеток. Другая часть становится Т-клетками памяти, которые будут десятилетиями сохраняться в организме и отвечать за долгосрочное поддержание иммунной защиты.

В этой части мы узнали, что инфекционные заболевания могут быть эволюционным фактором, определяющим продолжительность жизни, и описали возможные сценарии селекции. Мы пришли к выводу, что хронические стерилизующие инфекции могут являться основной эволюционной силой, приводящей к появлению и поддержанию адаптивного старения. Коинфекции несколькими мягкими патогенами и межвидовые инфекции также могут способствовать отбору ограниченной продолжительности жизни.

Наша модель чем-то напоминает теорию Вейсмана (см. главу 6), но, в отличие от нее, способна выдержать критику с позиций современной эволюционной биологии: она удовлетворяет неравенству Гамильтона (глава 28) и способна объяснить редкость нестареющих мутантов (глава 31). Более того, модель контроля патогенов включает в себя элементы других теорий. Она по-новому интерпретирует плейотропные гены как адаптивные «ремни безопасности», поддерживающие эволюционную стабильность оптимальной продолжительности жизни (глава 31). Модель также можно рассматривать как вариант теории одноразовой сомы, которая предполагает, что не энергия, а контроль эпидемий является универсальной «валютой» в балансе между продолжительностью жизни и репродуктивным успехом.

Кроме того, эта теория выделяет несколько субстратегий, регулирующих адаптивную смерть.

Ключевое значение для эволюции адаптивной смерти играет способность организма различать тяжелые хронические инфекции, которые эволюционно оправдывают адаптивную смерть, и легкие излечимые заболевания, которые создают ложноположительные сигналы. Уход патогенов от иммунной детекции, а также неспособность хозяина идентифицировать типы патогенов создают разнообразие стратегий адаптивной смерти. Мы нашли четыре типа таких стратегий.

Феноптоз — смерть в ответ на стимул; встречается там, где большинство патогенов неизлечимы и активация программы адаптивной смерти в ответ на каждую инфекцию оправдана. Эта стратегия встречается у одноклеточных организмов, таких как бактерии, дрожжи или простейшие.

Старение — адаптивная смерть, происходящая через определенный промежуток времени после рождения. Старение может приобретаться в ходе эволюции, если часть хронических патогенов умеет избегать иммунного обнаружения. Тогда организм может просто не знать, что он заражен, и совершает самоубийство, основываясь на вероятностном ожидании заражения таким вредным патогеном. Этот сценарий, по-видимому, объясняет старение у дрожжей и других одноклеточных.

Кроме того, если иммунная система достаточно развита, чтобы излечить большинство других заболеваний, феноптоз в ответ на каждую инфекцию становится слишком расточителен и старение оказывается более предпочтительным механизмом. Как и в предыдущем случае, адаптивная смерть от старости происходит, когда хозяин, согласно вероятностным ожиданиям, оказывается носителем тяжелых хронических заболеваний, таких как сифилис, ВИЧ или токсоплазмоз, значительно уменьшающих его репродуктивный потенциал.

Ускорение старения при инфекции — стратегия различения хронических и излечимых патогенов по длительности болезни. Если животные стареют быстрее при заражении хроническим патогеном, они будут жить значительно меньше. Напротив, излечимые заболевания с коротким периодом инфицирования не окажут существенного влияния на продолжительность жизни носителя. Тем самым эта стратегия значительно сокращает жизнь именно при хронической инфекции, но не при излечимой.

Рис. 35. Гипотеза эволюции разных видов адаптивной смерти.

Одноклеточным организмам трудно избавиться от патогенов, если они уже попали внутрь клетки. По этой причине большинство патогенов одноклеточных неизлечимы и феноптоз в ответ на инфекцию является оправданной стратегией борьбы с этими патогенами (глава 14). Поскольку патогены способны избегать детекции или ингибировать феноптоз, старение, то есть адаптивная смерть в позднем возрасте, могло эволюционировать уже в одноклеточных. Например, некоторые виды одноклеточных дрожжей стареют. В ходе эволюции многоклеточные животные выработали более совершенные механизмы излечения инфекций, позволяющие убивать только зараженные клетки. На этой стадии феноптоз становится невыгодным, поскольку он приводит к смерти от легких инфекций. Старение по-прежнему сохраняется для контроля существующих хронических патогенов. В дополнение к старению появляются дополнительные механизмы, позволяющие отвечать адаптивной смертью только на хронические, но не на излечимые патогены. Это, во-первых, ускорение старения при хронической инфекции и связанным с этим воспалением (глава 30) и, во-вторых, феноптоз при встрече с новым патогеном в позднем возрасте — иммуносенесцентность (глава 35). Дополнительно к этому эволюция может иногда переизобретать феноптоз. Модель предсказывает феноптоз в ответ на инфекции в голых землекопах (глава 41), а также феноптоз после размножения в семельпарных видах животных (главы 38 и 39).

Снижение иммунной защиты с возрастом(иммуносенесцентность) — феноптоз в ответ на заражение новым патогеном в пожилом возрасте. Мы выяснили, что относительная вероятность заражения хроническими заболеваниями растет с возрастом животного, в то время как вероятность заражения излечимыми — падает. Таким образом, пожилой особи эволюционно выгодно тратить больше энергии на ограничение распространения болезни. Старое животное должно с большей вероятностью жертвовать своим здоровьем или даже жизнью в ответ на заражение новым патогеном.

Таким образом, мы завершили создание теории адаптивной смерти и можем начать изучать экологические и эпидемиологические параметры, влияющие на эволюцию старения и продолжительность жизни. От чего зависит эволюция адаптивной смерти? При каких условиях эта модель должна работать, а при каких — нет? И наконец, может ли модель контроля патогенов объяснить загадки, изложенные в первых частях этой книги? Напомним, что мы выявили ряд странных моментов:

• взаимосвязь между продолжительностью жизни и полетом (глава 23);

• семельпарию (смерть после репродукции) у лососевых и плотоядных сумчатых (глава 15);

• огромные различия в продолжительности жизни между кастами эусоциальных насекомых (глава 16);

• странное избегание омоложения и продления жизни (глава 10);

• пренебрежимо медленное старение у голых землекопов (глава 26);

• баланс между плодовитостью и долголетием (глава 20);

• различия в продолжительности жизни между полами (глава 18);

• влияние факторов среды на старение, включая обонятельное и зрительное восприятие (глава 17).

В следующей части мы попытаемся рационализировать все эти наблюдения в контексте гипотезы контроля патогенов и обсудим некоторые их следствия.

В этой части мы рассмотрим, как экология хозяев и патогенов формирует эволюцию продолжительности жизни. Если старение хозяев определяется взаимодействиями с паразитами, то какие эпидемиологические параметры могут на него влиять?

Центральное предположение гипотезы контроля патогенов заключается в том, что пожилая особь жертвует собой, чтобы предотвратить заражение более молодых генетически близких организмов. Спасая своих родственников от инфекции, животное помогает распространению своих собственных генов. Это условие требует, чтобы передача заболевания между родственниками происходила чаще, чем между неродственными особями.

Если особь взаимодействует преимущественно с неродственными индивидуумами, то повышенная инфекционность может стать полезной, поскольку она ухудшит физическую форму конкурентов и, следовательно, поможет родственникам зараженной особи в борьбе за существование. Поэтому структура популяции, определяющая характер взаимодействий между хозяевами, должна играть центральную роль в эволюции их старения.

Рассмотрим различные типы сетей передачи на примере человеческих популяций. Охотники и собиратели живут группами, состоящими из нескольких родственных семей. В этом случае большинство особей внутри группы активно взаимодействуют друг с другом и очень мало — с членами других групп. При такой популяционной структуре заражение происходит преимущественно между родственниками.

Рис. 36. Вязкость — важнейшее свойство популяции, определяющее эволюцию продолжительности жизни. Если вязкость популяции низкая, то есть животные взаимодействуют хаотично, то хронические патогены оказывают меньшее эволюционное влияние на продолжительность жизни. Эксперимент аналогичен приведенному на рис. 24, но с тем отличием, что животные свободно двигались по всему полю и взаимодействовали друг с другом случайным образом. За счет этого заражение более не происходило в большей степени между родственными животными, и поэтому долгоживущие варианты побеждали в отборе, несмотря на присутствие хронического стерилизующего патогена (по [1]).

Расселение и передвижение животных ограничены их скоростью, а также естественными преградами. Если мы исследуем генетическое родство в зависимости от распределения животных в пространстве, то в большинстве случаев мы обнаружим, что близкие родственники проживают неподалеку друг от друга. Зависимость родства особей от расстояния может отличаться в зависимости от подвижности и поведения животных. Так, родство взаимодействующих, а следовательно, и заражающих друг друга индивидуумов может быть снижено у животных, которые селятся вдали от своих родителей после того, как покидают родное жилище.

Здесь мы находим объяснение связи между полетом и долголетием. Расстояние, на которое отселяются летающие животные, может быть очень большим. В среднем у летающих птиц оно в десять раз превышает показатель для нелетающих млекопитающих сопоставимых размеров [124]. Способность летать позволяет быстро перемещаться на большие расстояния и преодолевать препятствия, непроходимые для наземных животных. Следовательно, полет может повлиять на эволюцию долголетия не потому, что он защищает животных (в главе 24 мы обнаружили, что это не так), а потому, что он уменьшает родство взаимодействующих и заражающих друг друга особей. Если мы применим правило Гамильтона (b× r c), то у летающих животных параметр r будет слишком маленьким и неравенство не будет соблюдаться. Таким образом, модель контроля патогенов может объяснить загадочную связь между полетом и медленным старением.

А как же летучие мыши? Не все летучие мыши живут долго. Почему именно гибернирующие летучие мыши, живущие в пещерах, и вампиры — долгожители? Можно ли это объяснить инфекциями? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимы дополнительные исследования. Однако существует большая вероятность того, что все три признака способствуют эволюции более продолжительной жизни из-за роста эффективности передачи патогенов. Эта связь на первый взгляд может показаться запутанной: как высокая инфекционность может привести к эволюции более долгой жизни? Разве это не противоречит всему, сказанному выше?

Рис. 37. Высокая эффективность передачи патогена не позволяет контролировать эпидемию за счет короткой продолжительности жизни. Если скорость передачи патогена низкая, то доля зараженных среди особей старших возрастов является высокой и их смерть от старости помогает снизить патогенную нагрузку. Если патоген имеет высокую инфекционность, то особи заражаются в очень раннем возрасте, разница в количестве зараженных индивидуумов между возрастными группами выражена меньше или отсутствует. В этом случае гибель пожилых особей от старости не приводит к селективному удалению зараженных и не влияет на развитие эпидемии.

Настало время объяснить семельпарию — необычный феномен, когда животные размножаются только один раз в жизни и умирают вскоре после этого события. Может ли структура сетей передачи патогенов объяснить эволюцию семельпарии у тихоокеанского лосося и других проходных рыб 52? В сезон миграции реки часто переполнены рыбой до такой степени, что течение может быть заблокировано «плотинами» из тел мигрирующих лососей. Ясно, что экстремально высокая плотность популяции животных — прекрасная возможность для распространения паразитов, как и в случае с зимующими летучими мышами. Может ли одна и та же особенность структуры популяции, а именно тенденция животных собираться в большие группы, оказывать настолько разные воздействия на эволюцию продолжительности жизни: способствовать эволюции долголетия у летучих мышей и в то же самое время эволюции семельпарии у проходных рыб?

Ответ кроется в нюансах того, в какой степени родства находятся особи в этих группах. Зимующие колонии летучих мышей состоят из случайных животных, слетающихся вместе из отдаленных регионов и зачастую принадлежащих к разным видам. Взаимодействие внутри этих групп не зависит от родства. Напротив, проходные рыбы помнят запах той реки и даже того притока, в котором они выросли. Степень родства между рыбами в пределах одного притока относительно высокая и снижается при удалении от него. То есть в случае с летучими мышами мы имеем дело в значительной степени со случайными взаимодействиями, а в случае с проходной рыбой — с генетически структурированной популяцией, в которой вероятность взаимодействия прямо зависит от родства. Поэтому инфекционные заболевания у нерестовых рыб, вероятно, передаются преимущественно между родственниками, мигрирующими в один и тот же приток.

Второе различие между структурами популяций нерестовых рыб и летучих мышей, находящихся в спячке, заключается в том, что в случае с рыбами активные контакты начинаются только после достижения половой зрелости. В то время как летучие мыши могут заражаться до их полового созревания, у лосося пик заражения, вероятно, совпадает с нерестом, делая эпидемиологическую динамику похожей на болезни, передающиеся половым путем. Кроме того, самки лосося откладывают тысячи икринок, и, таким образом, нескольких плодовитых самок достаточно для поддержания численности популяции. В этих условиях кастрация хозяина является приемлемой стратегией для патогенов (см. главу 33).

Действительно, науке известно несколько стерилизующих заболеваний у рыб. Например, паразитические ленточные черви, цестоды (Cestodes), вызывают частичную или полную кастрацию [128]. Представим, что у лосося нет семальпарии, он может вернуться в океан после нереста и принять участие в следующем сезоне размножения. Очень высокая плотность рыбы в реке приведет к вспышке цестодных инфекций. К следующему году еще бо́льшая доля рыб вернется зараженной, и они будут снова распространять цестод в своем родном притоке, заражая преимущественно своих родственников. Эпизоотия цестод может сократить популяцию рыб в конкретном притоке, и этим могут воспользоваться обитатели соседних притоков, чтобы занять их место. Однако гибель зараженной рыбы сразу после размножения может предотвратить эпизоотию. Если животное заразилось паразитом в океане, оно может передать его другим рыбам во время миграции, но поскольку все они умрут от семельпарии, вспышка будет подавлена.

Следует еще раз подчеркнуть, что структура взаимодействий между родственниками, согласно теории контроля патогенов, имеет ключевое значение для эволюции адаптивной смерти в целом и семельпарии в частности. Если бы тихоокеанские лососи были менее точны в выборе притоков, семельпария бы не развивалась, потому что коэффициент родства r в неравенстве Гамильтона b× r c был бы слишком мал. Эта гипотеза может быть проверена путем сравнения количества патогенов и структур популяций в семельпарных и итеропарных (размножающихся несколько раз) видах рыб. Например, родственный тихоокеанскому атлантический лосось (Salmo salar) — итеропарный вид и может служить хорошим объектом для сравнения. В отличие от тихоокеанских лососей, атлантический лосось не так строго придерживается «расписания» миграций: например, некоторые особи могут провести всю жизнь в пресных водоемах. Возможно, из-за этого передача патогенов между неродственными индивидуумами у атлантических лососей выше, и семельпария оказывается невыгодной. Аккуратный анализ структур популяций этих рыб должен подтвердить или опровергнуть нашу гипотезу.

Далее, модель контроля патогенов также предсказывает, что паразиты могут научиться предотвращать гибель своих семельпарных хозяев. Обнаружение таких патогенов обеспечило бы мощную поддержку модели. Будущие исследования могут распространить эти идеи на другие семельпарные организмы, чтобы получить больше проверяемых предсказаний.

Особенно интересно было бы понять причины эволюции семельпарности у млекопитающих (см. главу 15). Структуры популяций хищных сумчатых не сильно отличаются от таковых у плацентарных животных, занимающих сходные экологические ниши: насекомоядных (Eulipotyphla) или хищных (Carnivora). Может ли модель контроля патогенов объяснить семельпарию в этом случае?

52 Проходные рыбы проводят большую часть своей жизни в море, но для размножения заходят в пресные воды.

Семельпария независимо эволюционировала в хищных сумчатых как минимум пять раз. Это происходило как у австралийских, так и у южноамериканских видов. Какое уникальное свойство может отличать этих животных от всех остальных млекопитающих с аналогичным образом жизни? Если структуры популяций не могут объяснить эту аномалию, возможно, сумчатые имеют некие уникальные иммунные особенности или страдают от болезней, которые отсутствуют у плацентарных хищников? Удивительно, но ответ может заключаться в… эпизоотиях трансмиссивного рака.

В 1996 году в популяции крупнейшего сумчатого хищника, тасманийского дьявола (Sarcophilus harrisii), была обнаружена эпизоотия странных опухолей. Эти опухоли, как правило, находились на голове, деформировали челюсти, закрывали глаза и в конечном итоге убивали животных. В районах, затронутых болезнью, количество дьяволов сократилось в десять раз. Когда ученые собрали образцы, чтобы выяснить, что вызывает эти опухоли, их ждало невероятное открытие: раковые клетки передавались от одного животного к другому и были возбудителем эпизоотии! Генетический анализ показал, что лицевая опухоль тасманийского дьявола (devil facial tumor disease, DFTD) впервые появилась около 1986 года у самки дьявола и продолжала распространяться в популяции в течение долгого времени после ее смерти. Больные животные являются химерами, содержащими клетки разных особей, причем иногда даже от разных полов 53.

DFTD передается с укусами во время драк. Заражение наиболее часто происходит в сезон размножения, когда самцы соревнуются за самок и особенно когда самцы и самки уединяются для спаривания. Сопоставимое число инфекций приходится на остальную часть года, когда дьяволы борются за туши животных, которыми питаются [129]. Инкубационный период болезни составляет несколько месяцев, а смерть обычно наступает в течение года после заражения.

Эта болезнь очень удивила ученых, поскольку трансмиссивные раковые заболевания у млекопитающих очень редки. Одним из немногих других известных примеров является трансмиссивная венерическая опухоль собак (canine transmissible venereal tumor, CTVT), которая, согласно генетическому анализу, возникла около десяти тысяч лет назад. CTVT обычно передается половым путем, но также может передаваться через укусы. В отличие от DFTD и обычных видов рака, CTVT редко приводит к смерти хозяина. Возможно, она эволюционировала в доброкачественный патоген подобно вирусу миксомы (см. главу 27). Таким образом, недавнее появление DFTD давало ученым уникальную возможность отслеживать раннюю эволюцию этого редкого класса заболеваний.

Удивительно, но в дальнейших исследованиях была открыта вторая линия DFTD! В то время как оригинальная линия DFT1 появилась у самки около 1986 года, DFT2 появилась у самца около 2011 года! Таким образом, половина известных трансмиссивных раков млекопитающих 54 — это недавно возникшие опухоли тасманийских дьяволов! Похоже, что дьяволы особенно восприимчивы к трансмиссивным опухолям. Является ли это их общей чертой с другими сумчатыми? И если да, то может ли быть так, что именно этот уникальный вид заболевания отвечает за эволюцию семельпарии? Попробуем собрать вместе все кусочки этой головоломки.

Во-первых, может ли DFTD или похожий трансмиссивный рак благоприятствовать эволюции семельпарии? Инфекции достигают пика во время сезона размножения. Болезнь обычно длится менее года, и поэтому у инфицированных животных мало шансов дожить до следующего спаривания. В районах, затронутых DFTD, дьяволы уже функционально семельпарны: хотя они не имеют убивающего их генетического механизма, большинство из них размножаются только один раз и не доживают до своего второго сезона из-за болезни.

Гипотеза, что DFTD может привести к эволюции генетически запрограммированной семельпарии, уже обсуждается в научной литературе [130], хотя до сих пор аргументы, связывающие DFTD с семельпарией, строились вокруг стратегий инвестирования энергии. Если вероятность дожить до следующего сезона размножения очень мала, то имеет смысл вложить все имеющиеся ресурсы в максимизацию репликативного успеха в этом сезоне. Согласно этой гипотезе, смерть в результате семельпарии является следствием недостаточных инвестиций в репарацию. Однако если эта модель верна, то семельпария должна была развиться у всех животных с сезонным размножением и высокой смертностью — но это не так. Семельпария среди млекопитающих наблюдается исключительно у хищных сумчатых!

Гипотеза контроля патогенов предполагает альтернативный сценарий отбора. Животные, инфицированные DFTD, имеют мало шансов дожить до следующего сезона размножения. В то же время они могут заражать окружающих особей во время драк, связанных не со спариванием, а с конкуренцией за пищу и территорию, которые происходят круглый год. Поэтому животные, переносящие болезнь, могут заразить своих соседей, часть из которых — их родственники. Смерть инфицированных особей на ранних стадиях болезни может спасти жизни их родственников и тем самым способствовать успеху генов инфицированных организмов!

Самцы передают DFTD чаще, поскольку они обычно более агрессивны и во время сезона размножения могут кусать как друг друга, так и самок. Это объясняет, почему у семельпарных видов сумчатых она проявляется преимущественно у представителей мужского пола. Хотя дьяволы в настоящее время итеропарны, у самцов наблюдается обратимая потеря веса и ухудшение здоровья после спаривания. Эти последствия не приводят к смерти, как у сумчатых куниц или сумчатых мышей, но их существование указывает на сходные физиологические черты. Возможно, они являются рудиментом утраченной семельпарии: предки тасманийских дьяволов тоже могли быть семельпарны. Хотя DFTD обнаружили совсем недавно, можно предположить, что трансмиссивные опухоли периодически возникали в популяциях сумчатых хищников и уже неоднократно приводили к эволюции семельпарии.

Но почему нашей модели обязательно нужны трансмиссивные опухоли? Можно легко представить вирусные или бактериальные заболевания с похожими свойствами: длительный инкубационный период, высокая смертность и высокая инфекционность. Почему они не могут вызывать эволюцию семельпарии у своих хозяев? В главе 27 мы выяснили, что эпидемии болезней с высокой вирулентностью 55 и высокой инфекционностью приводят к эволюции устойчивости хозяина и эволюции более мягких штаммов патогенов. Таким образом, период времени, в течение которого эпидемия тяжелой болезни может стимулировать эволюцию семельпарии, ограничен — коэволюция хозяина и патогена быстро устранит факторы селекции.

Повторное введение исходного «тяжелого» штамма патогена (скажем, путем его переноса из другого вида хозяев) не поможет изменить ситуацию: хозяева уже сталкивались с родственным адаптированным доброкачественным вирусом и могли стать невосприимчивыми ко всем вирусам этой группы (та же идея лежит в основе вакцинации). Следовательно, они могут стать защищенными от смертельно опасных исходных штаммов 56. Поэтому классические патогены могут быть не очень хорошими селективными факторами семельпарии млекопитающих, поскольку их эволюционная устойчивость ограничена. Если же патоген — в данном случае трансмиссивный рак — возникает снова и снова и если устойчивость к нему не вырабатывается или вырабатывается, но не защищает от других линий рака, то на длительном эволюционном интервале семельпария может оказаться оптимальной эволюционной стратегией.

Почему хищные сумчатые могут быть особенно чувствительны к возникновению трансмиссивного рака? Может ли их иммунная система по каким-то причинам быть неэффективной в распознавании раковых клеток, полученных от другой особи? К сожалению, мы мало что знаем об иммунной системе сумчатых. Однако в литературе есть некоторые указания на то, что эта гипотеза может быть верной. Причина может заключаться в особенностях эмбрионального развития сумчатых.

Во время беременности у плацентарных млекопитающих, таких как люди, мыши или собаки, формируется плацента, обеспечивающая эмбрион кислородом и питательными веществами. Плацента построена из клеток эмбриона и потенциально может быть атакована иммунной системой матери как чужеродная ткань. Однако плацентарные млекопитающие разработали механизмы подавления иммунной реакции, благодаря которым предотвращается отторжение плаценты.

Хотя сумчатые не формируют настоящую плаценту, их эмбрионы прикрепляются к стенкам матки и питаются за счет этого прикрепления. Иммунного подавления здесь не происходит, и поэтому прикрепление эмбриона сопровождается воспалением, которое может потенциально повредить эмбрион [131]. Поэтому у сумчатых может существовать эволюционный конфликт между продолжительностью прикрепления эмбриона в матке и эффективностью иммунного распознавания чужеродных тканей. Чтобы увеличить время прикрепления эмбриона, эволюция может ослаблять иммунитет, что, в свою очередь, может сделать животных восприимчивыми к трансмиссивным раковым заболеваниям.

Исследования показали, что сумчатые действительно могут иметь дефекты в некоторых аспектах распознавания чужеродных тканей. Так, если смешать лейкоциты (иммунные клетки крови), взятые из двух плацентарных животных одного вида, то они будут убивать друг друга. А вот белые кровяные тельца домового опоссума (Monodelphis domestica) не проявляют таких свойств, что говорит о том, что некоторые компоненты распознавания чужеродных тканей у сумчатых действительно отсутствуют. Тем не менее здоровые транспланты тканей — аллографты — отторгаются у опоссумов, подобно тому, как это происходит у плацентарных [132]. Таким образом, несмотря на частично обнадеживающие результаты, требуется более детальное исследование, чтобы подтвердить и расширить эти выводы для выяснения того, предрасположены ли сумчатые к трансмиссивным ракам и какова роль особенностей иммунной системы в этом феномене.

Если гипотеза верна, то почему только плотоядные сумчатые приобретают семельпарию? Почему этого не происходит с кенгуру и коалами? Возможно, ответ заключается в том, что инфекционные раковые заболевания распространяются преимущественно при укусах, то есть для их эффективной передачи необходимы не только особенности иммунной системы, но и острые зубы, способные проникать через кожу и отсутствующие у других сумчатых. У плацентарных хищников, таких как тигры или медведи, тоже есть острые зубы, однако их иммунная система более совершенна и не допускает трансмиссивных опухолей.

Таким образом, гипотеза, объясняющая независимую параллельную эволюцию семельпарии у сумчатых хищников, основанную на парадигме контроля патогенов, предполагает нарушение иммунного распознавания чужеродных тканей у сумчатых, а также способность передавать опухолевые клетки с укусами, что делает их восприимчивыми к трансмиссивным ракам. Эти экзотические заболевания, в свою очередь, определяют эволюцию адаптивной смерти хозяина, цель которой — удалить инфицированных животных. Изучение распространенности трансмиссивных раковых заболеваний у сумчатых, а также особенностей иммунной системы этих видов может послужить хорошей проверкой для предсказаний модели контроля патогенов.

Подводя итоги нашей попытки рационализировать семельпарию в контексте гипотезы контроля патогенов, два фактора кажутся определяющими: во-первых, структура сетей передачи патогенов, во-вторых, наличие высоковирулентных болезней, чья передача сопряжена с размножением. В случае с проходными лососевыми эта передача связана с высокой плотностью рыбы в реке во время нереста, в случае сумчатых хищников — с пиком заражений трансмиссивными раками во время брачного сезона.

53 В главе 18 мы уже обсуждали, что клетки самцов млекопитающих (причем не только половые, но абсолютно все) содержат XY-хромосомы, а клетки самок — ХХ. Можно представить себе изумление ученых, когда они обнаружили опухоли с XX-генотипом у XY-самцов!

54 Всего у млекопитающих описаны четыре случая трансмиссивных опухолей. Помимо упоминавшейся выше болезни собак и двух линий DFTD, известна инфекционная опухоль у сирийских хомячков.

55 Высокая вирулентность означает, что болезнь смертельна или сильно истощает организм. Напомним, что вирулентность — это абстрактный термин, используемый для описания тяжести симптомов.

56 В этом заключается и идея трансмиссивных вакцин: нишу занимает доброкачественный патоген, который не позволяет вирулентному патогену в ней обосноваться.

Может ли гипотеза контроля патогенов объяснить огромную разницу в долголетии между кастами эусоциальных животных? Может ли эволюция отрегулировать продолжительность жизни этих животных, чтобы защитить колонию ценой жизни ее отдельных членов? Вероятно, да.

Почему королевы в эусоциальных видах насекомых и млекопитающих живут намного дольше рабочих особей? Королевы составляют минимальную долю от общей численности колонии, и поэтому их невероятно долгая для насекомых продолжительность жизни не может повлиять на общий эпидемиологический риск. Если долгоживущая королева заражена, она может передать болезнь нескольким долгоживущим рабочим, но это не изменит общую эпидемиологическую динамику в колониях, состоящих из тысяч животных. Кроме того, королевы, как правило, находятся в охраняемой зоне внутри колонии, практически не контактируя с окружающей средой. Рабочие особи, ухаживающие за яйцами и королевами, такие как пчелы-няньки, также имеют ограниченный контакт с внешним миром, а потому мало подвержены риску заражения. Напротив, фуражиры, совершающие частые вылазки для сбора пищи, подвержены наибольшему риску заражения и, как правило, имеют низкую продолжительность жизни. Таким образом, рабочие особи живут недолго, чтобы снизить риски, связанные с инфекциями, а продолжительность жизни королев не влияет на эпидемическую обстановку из-за их низкой численности в колонии.

Теперь мы, наконец, можем также ответить на вопрос, заданный в главе 10: почему пчелы избегают омоложения и прибегают к нему, только если выживание всей колонии находится под угрозой? Частое омоложение увеличит продолжительность жизни пчелы, а следовательно, и эпидемиологические риски. Способность жить дольше используется у пчел, бабочек данаид монархов и других видов, только если она критически необходима для выживания. Если короткая жизнь достаточна для успешного размножения, то она оказывается эволюционно выгодной, поскольку помогает ограничить распространение инфекций.

Таким образом, гипотеза контроля патогенов может объяснить загадку продолжительности жизни у эусоциальных животных, у которых королевы живут намного дольше, чем рабочие, а рабочие могут омолаживаться, но делают это, только если колония подвергается рискам. Впрочем, из ряда эусоциальных животных выделяются голые землекопы. У них и королевы и рабочие стареют пренебрежимо медленно. Может ли модель контроля патогенов объяснить это явление?

Что может быть причиной отсутствия старения у животного? Если старение эволюционировало для противодействия хроническим инфекциям, то приобретение альтернативных иммунных механизмов, которые позволят животным полностью избавиться от инфекций, даст им возможность жить дольше. Организм, который развил сверхэффективную иммунную систему, может отказаться от старения. Однако возможна ли такая иммунная система? Учитывая изменчивость патогенов в природе и их быструю эволюцию, это крайне маловероятно.

В чем же разгадка пренебрежимо медленного старения голых землекопов? Может ли подземный образ жизни защитить их от патогенов? Другие подземные животные стареют, значит, дело не только в этом. Нам нужно сосредоточиться на уникальных чертах голых землекопов, которые отличают их от других млекопитающих. Эусоциальность — самая необычная из них. Может ли структура эусоциальной популяции обеспечить абсолютную защиту от инфекций?

Колония голых землекопов, как и других эусоциальных животных, — это метаорганизм, в котором королева соответствует репродуктивному органу, а рабочие особи — соматическим (то есть не принимающим участие в размножении) тканям. Клетки наших соматических тканей, такие как кожа или кишечник, постоянно отмирают и заменяются другими. Зараженные вирусами клетки включают апоптоз, чтобы предотвратить дальнейшее распространение инфекции. Аналогичным образом рабочие особи эусоциальных видов животных могли бы убивать себя, чтобы предотвратить эпизоотию в колонии.

Действительно, если каждый инфицированный организм умирает, колония может быть полностью очищена от инфекционных болезней, делая старение излишним. В главе 32 мы обнаружили, что такая стратегия может быть слишком расточительной в случае видов, чья иммунная система способна эффективно излечивать инфекции: животные будут напрасно умирать от излечимых болезней. Однако в эусоциальном сообществе стоимость жизни рабочей особи относительно мала, поскольку та не может самостоятельно размножаться.

Могли ли голые землекопы переизобрести феноптоз, который используют бактерии, чтобы противодействовать инфекциям? Есть ли какие-либо свидетельства повышенной восприимчивости голых землекопов к инфекциям? Об иммунитете у этих животных известно очень мало. Тем не менее некоторые работы указывают на то, что голые землекопы гиперчувствительны к вирусным инфекциям. Так, заражение вирусом простого герпеса (HSV), безвредного для мышей, вызывало у голых землекопов смерть [133]. Вспышка коронавирусной инфекции в лабораторных колониях убивала рабочих особей, но в меньшей степени — королев [134]. Последний результат согласуется с моделью контроля патогенов, так как для королев стоимость адаптивного суицида должна быть выше, чем для рабочих.

Более того, анализ иммунных клеток голых землекопов показал отсутствие у них натуральных киллеров — специализированных иммунных клеток, убивающих раковые и зараженные вирусами клетки [135].

Если голые землекопы действительно сверхчувствительны к инфекции, это может помочь им контролировать патогены, делая старение ненужным. Будущие исследования необходимы для того, чтобы выяснить, действительно ли голые землекопы реагируют самоубийством на заражение, выяснить механизмы этого самоубийства и разницу между иммунной реакцией королев и рабочих особей. Эти эксперименты должны проверить предсказание модели контроля патогенов.

Наконец, гипотеза контроля патогенов может объяснить отсутствие шерсти у голых землекопов и у человека. Эктопаразиты, такие как блохи или вши, прикрепляются к шерсти и служат переносчиками инфекционных заболеваний. Потеря волосяного покрова может уменьшить значение этого источника инфекций [136]. Поскольку долгая жизнь требует лучшего контроля патогенов, потеря меха может быть связанной с ней адаптацией. У наших родственников, таких как шимпанзе (Pan troglodytes), удаление эктопаразитов является неотъемлемой частью социального поведения и занимает большое количество времени. Возможно, наша гладкая кожа спасает нас и голых землекопов от этих гигиенических усилий.

В кратком изложении части 5 мы рассмотрели различные типы адаптивной смерти и пришли к выводу, что современные многоклеточные организмы, такие как млекопитающие, утратили феноптоз, но приобрели старение, иммуносенесцентность и способность ускорять свое старение в ответ на хроническое воспаление. Похоже, что некоторые высшие животные, такие как семельпарные виды и голые землекопы, переизобрели древний тип адаптивной смерти.

Однако между этими двумя стратегиями есть некоторые различия. У голых землекопов феноптоз может быть прямым ответом на инфекцию, как у бактерий. Напротив, семельпария могла эволюционировать, чтобы удалять животных на основе высокой вероятности инфекции без прямых сигналов от иммунной системы. В последнем случае сигналом, запускающим программу адаптивной смерти, является размножение, которое в этих экологических нишах сопряжено с высоким риском заражения. Таким образом, семельпарию и повышенную чувствительность к инфекциям можно считать вторичным приобретением феноптоза в ходе эволюции.

Животные, имеющие много детенышей, обычно стареют быстрее, чем менее плодовитые. Эта взаимосвязь лежит в основе классической эволюционной модели старения — гипотезы одноразовой сомы (глава 9). Любая эволюционная модель, претендующая на универсальность, должна быть способна объяснить эту взаимосвязь. Как эту задачу решает модель контроля патогенов? Существует по крайней мере три независимых аргумента, позволяющих вписать связь между плодовитостью и скоростью старения в эту теорию.

Как мы уже обсуждали в главе 20, чем короче продолжительность жизни животного, тем выше доля ежегодно умирающих особей. Это означает, что количество доступных для молодняка ниш выше у короткоживущих видов по сравнению с долгоживущими. Поэтому для животных с короткой жизнью эволюционно выгоднее иметь больший выводок. Потомство имеет больше шансов занимать свободные ниши, выживать и размножаться.

В свою очередь, большая продолжительность жизни приводит к сокращению доступных ниш, что создает более высокую конкуренцию среди молодых особей и делает низкую плодовитость более выгодной с эволюционной точки зрения.

Если продолжительность жизни определяется как результат борьбы с патогенами, то плодовитость может быть скорректирована в зависимости от продолжительности жизни. Следовательно, продолжительность жизни может быть первичным фактором, который влияет на плодовитость, а не наоборот.

Как обсуждалось в главе 33, у высокоплодовитых животных очень небольшого количества фертильных самок достаточно для поддержания численности популяции. Поэтому стерилизующие патогены, такие как саккулина, могут быть более распространены именно среди животных с высокой плодовитостью. В свою очередь, циркуляция большого количества стерилизующих инфекций может привести к сильному селективному давлению в пользу короткой продолжительности жизни.

Взаимосвязь между плодовитостью и долголетием напрямую вытекает из эпидемиологической модели, описанной в главе 28. Если упростить результаты моделирования и их интерпретацию, то критическим событием является вытеснение высокоинфицированных долгоживущих вариантов менее инфицированными короткоживущими животными, которые могут контролировать патогены за счет своей более короткой жизни. Моделирование показывает, что это происходит быстрее, если животные (неинфицированные короткоживущие и долгоживущие штаммы) производят больше потомства в единицу времени.

Рис. 38. Экологические взаимодействия между фертильностью и продолжительностью жизни.

Почему у млекопитающих дольше живут самки, в то время как у птиц — самцы? Давайте попробуем использовать гипотезу контроля патогенов для поиска потенциальных разгадок этой головоломки. Есть ли какие-либо различия между полами, если мы посмотрим на них со стороны эпидемиологических моделей? В главе 33 мы обнаружили, что значительная доля стерилизующих патогенов у млекопитающих (и, возможно, у птиц) передается половым путем. Могут ли патогены, передаваемые половым путем, определять асимметрию продолжительности жизни между полами? Как кажется, да, могут.

Полигамия делает самцов суперраспространителями инфекций и способствует сокращению продолжительности жизни.

У многих млекопитающих самцы могут иметь больше половых партнеров, чем самки. Разница в количестве половых партнеров зависит от типа брачной системы. Система спаривания, в которой один самец имеет гарем из самок (полигамия), гораздо более распространена, чем полиандрическая система, где одна самка имеет гарем из самцов. Таким образом, у самцов больше шансов оказаться суперраспространителями венерических болезней, поскольку у них более высокий риск заражения и они могут передать инфекцию нескольким самкам.

Из-за этого, возможно, есть эволюционный смысл ограничить продолжительность жизни именно у самцов. Действительно, разница между продолжительностью жизни между самцами и самками у видов с полигамной системой спаривания выше, чем у моногамных видов, где самец спаривается только с одной самкой [137]. Возможно, у полигамных видов эволюционирует более раннее устранение потенциально зараженных самцов.

Однако может ли модель контроля патогенов объяснить обратную зависимость продолжительности жизни от пола у птиц? По каким причинам в этом случае самки могут жить меньше?

Во-первых, полигамия широко распространена у млекопитающих, в то время как у птиц полигамными является лишь небольшая часть видов (около 2 %). Кроме того, расселение птиц на большие расстояния может уменьшить различия в продолжительности жизни между полами: описанный выше сценарий работает только в контексте вязкой популяции, где сексуальные партнеры родственны друг другу. Если животные часто взаимодействуют с особями, не являющимися их родственниками, популяция не является вязкой и модель предсказывает снижение селективного давления на более короткую продолжительность жизни самцов. У эволюции может не быть весомых причин жертвовать самцами, чтобы защитить от заражения неродственных им самок. Поэтому разница в продолжительности жизни между полами может снижаться.

Однако у многих видов птиц самки стареют быстрее самцов, то есть разница в скорости старения не просто исчезает, а меняет знак! Каковы могут быть эволюционные выгоды короткой жизни у самок? Модель контроля патогенов предполагает по меньшей мере две потенциальные причины: асимметрию стерилизации патогенами и вертикальную передачу (о ней мы говорим чуть ниже). В конце концов, обе эти причины сходятся в одном — патогены могут влиять на фертильность самок больше, чем на фертильность самцов.

Патогены могут использовать стерилизацию самок для увеличения собственного распространения и приводить к эволюции меньшей продолжительности жизни у самок.

Патогены, передаваемые половым путем, могут использовать стерилизацию как часть стратегии репликации. Если самка не беременеет, она может поменять сексуального партнера, тем самым повышая вероятность передачи заболевания. В то же время стерильность у самцов не изменяет их полового поведения. Таким образом, возбудители заболеваний, передаваемых половым путем, могут в первую очередь подавлять фертильность самок, а не самцов. Если это так, то эволюционная ценность самок может падать с возрастом быстрее, чем самцов и, таким образом, их меньшая продолжительность жизни может быть эволюционным преимуществом.

Передача возбудителя от матери к ребенку (вертикальная передача) может вести к эволюции меньшей продолжительности жизни у самок.

Самки интенсивно контактируют с потомством. Это проявляется у живородящих видов во время беременности. У большинства видов млекопитающих и птиц самки обычно ухаживают за детенышами и, следовательно, имеют больше шансов заразить их. По этой причине эволюционная ценность инфицированных самок может быть ниже, чем инфицированных самцов. Этот эффект похож на стерилизацию, так как в конечном итоге он также уменьшает плодовитость инфицированной самки через уменьшение плодовитости ее потомства.

Моделирование и экологические исследования должны показать, может ли различие в продолжительности жизни самцов и самок формироваться в зависимости от мобильности, типов брачных систем, вызываемой патогенами стерилизации и вертикальной передачи инфекции от родителя к потомству.

Интересным объектом для этих исследований могут быть летучие мыши. Если гипотеза контроля патогенов верна, то у короткоживущих видов летучих мышей, популяции которых достаточно вязкие для отбора на более короткую продолжительность жизни, самки должны жить дольше, чем самцы, как и у большинства других млекопитающих. Напротив, у долгоживущих видов, чья популяционная структура, согласно предсказаниям модели, должна быть менее вязкой и более похожей на птичью, самцы должны жить дольше самок, как у птиц.

Еще одна тема, которая заслуживает обсуждения в контексте гендерных отношений, — менопауза, то есть естественное женское бесплодие, наступающее в среднем после пятидесяти лет. Часто можно услышать аргумент о том, что люди, и особенно женщины, живут так долго, поскольку могут помогать растить внуков, и если бы они не участвовали в воспитании внуков, то жили бы меньше. Эта логика предполагает, что снижение фертильности в старших возрастных группах (менопауза) уже существует у других животных. Старение остального тела, согласно этой логике, нейтрально и влияет на животных только в пострепродуктивном возрасте, когда их эволюционная ценность становится нулевой 57. Пожилые женщины имеют ненулевую эволюционную ценность из-за того, что заботятся о внуках, и это объясняет, почему они живут после наступления менопаузы.

Эти аргументы имеют фундаментальный дефект: снижение рождаемости с возрастом берется как изначальная предпосылка и принимается без каких-либо эволюционных доводов. У некоторых видов, таких, например, как гренландские киты, самки могут сохранять фертильность на протяжении по меньшей мере столетия [138]. Половое созревание гренландской акулы происходит только к ста пятидесяти годам. Таким образом, зародышевая линия может оставаться функциональной в течение длительного периода времени, и нет никаких физиологических причин, кроме старения, по которой плодовитость должна снижаться с возрастом. Именно старение является причиной снижения репродуктивной способности, а не наоборот.

Если мы примем, что старение является причиной снижения фертильности, то в чем тогда эволюционная причина появления менопаузы? Предположим, что старение возникло как средство

Рис. 39. Эволюционные предпосылки менопаузы.

Мы почти закончили разгадывать загадки, которые обозначили в первой части книги. Осталось решить лишь несколько вопросов. В этой главе мы обсудим, почему окружающая среда может влиять на темпы старения и как объяснить это с эволюционной точки зрения, используя гипотезу контроля патогенов. Мы постараемся разобраться с ролью эпидемий в эволюции пластичности старения.

В главе 16 мы уже говорили, что репродуктивный успех короткоживущих животных может требовать продления жизни. Например, перелетные бабочки данаиды монархи не смогут завершить миграцию, если проживут недолго. В то же время оседлые формы монархов, которым довелось родиться вне сезона миграции, могут успешно размножиться за менее продолжительное время. В этом случае более короткая жизнь совместима с успешной репликацией и является более предпочтительной, поскольку помогает лучше контролировать инфекции.

Аналогичные экологические взаимодействия могут существовать между неблагоприятными экологическими условиями и диапаузой. Если продолжительность жизни животного коротка и ему не повезло родиться в неблагоприятный период, например в условиях недостатка пищи или неоптимальной температуры, он может не дожить до того времени, когда окружающая среда снова станет благоприятной для размножения. Для таких животных эволюционно выгодно замедлить старение и подождать, пока состояние среды не вернется в благоприятное состояние. Разумеется, увеличенная продолжительность жизни может быть использована патогенами, однако потенциальные потери, связанные с этой опасностью, могут оказаться меньше, чем эволюционный выигрыш от пережидания неблагоприятного периода.

Как уже обсуждалось выше, пластичность жизненного цикла должна быть более выражена у короткоживущих видов. Если общая продолжительность жизни вида велика, то нет необходимости продлевать ее. Например, перелетные птицы в отличие от бабочек могут совершать миграции, не увеличивая продолжительность жизни. Долгоживущие животные, вероятно, доживут до конца неблагоприятного периода без необходимости замедлять старение. Таким образом, пластичность старения может быть необходимой для выживания у короткоживущих видов и избыточной у долгоживущих.

Мало того, пластичность может быть эволюционно невыгодна, поскольку патогены могут перехватывать механизмы регуляции старения и продлевать существование зараженного хозяина. Самые яркие примеры такого воздействия патогенов были обнаружены именно у видов с высокой пластичностью старения (см. главу 29). Поэтому, если пластичность не является необходимой для выживания, она, скорее всего, будет удалена эволюцией, чтобы усилить защиту от инфекций. Следовательно, чем дольше жизнь животного, тем меньше должны быть относительные эффекты пластичности продолжительности жизни.

И действительно, изменения в продолжительности жизни червей более выражены, чем у мух, а у мух — сильнее, чем у мышей [140]. Пластичность старения у людей, вероятно, еще меньше. Итак, мы нашли экологическую роль пластичности продолжительности жизни и ее связь с патогенами. Если окружающая среда не дает короткоживущему животному шанс размножаться, оно замедляет старение и ждет, пока условия не станут более благоприятными.

Но каким образом животные оценивают условия окружающей среды? Самым простым способом был бы подсчет количества актов деторождения. И действительно, размножение может ускорять старение у короткоживущих животных, таких как мухи. В 20-й главе мы обсуждали, что девственные самки мух живут дольше плодящихся. Очевидно, что если животное активно размножается, то экологические причины задерживать старение отсутствуют. Любопытно, но значительную роль в ускорении старения мух играет не откладывание яиц, а спаривание. Это указывает на то, что связь между воспроизводством и старением происходит не на уровне распределения ресурсов между размножением и репарацией, а на уровне передачи сигналов.

Почему это так? Если количество актов размножения будет единственным параметром, влияющим на продолжительность жизни, кастрация животных патогенами сделает их долгоживущими распространителями инфекций 58. Поэтому полагаться исключительно на количество актов размножения для регуляции продолжительности жизни может быть ненадежно. Как же построить надежную стратегию, позволяющую сделать пластичность старения менее уязвимой для манипуляций со стороны патогенов?

Организмы могут анализировать параметры окружающей среды и оценивать, насколько она благоприятна для размножения. Например, если организм стерилизован инфекцией, частота спариваний или количество питательных веществ могут служить дополнительными параметрами, указывающими, что среда благоприятна и причин для замедления старения нет.

С помощью каких механизмов организмы могут анализировать благоприятность окружающей среды? Наиболее очевидным показателем является концентрация в крови питательных веществ, таких как сахар, аминокислоты или жиры. Если уровень питательных веществ в крови низкий, животные могут подавлять размножение и замедлять старение. Это может объяснить продлевающие жизнь эффекты голодания (см. главу 16) и укорачивающие жизнь эффекты ожирения 59. Однако ресурсы организма, растущего в богатой среде, могут быть использованы патогеном, и уровень питательных веществ в крови может снизиться. В этой ситуации обонятельная и вкусовая рецепции становятся важными источниками информации о качестве окружающей среды (см. главу 17).

Качество питания часто влияет на скорость роста животного. Если молодые особи недоедают, они растут медленнее и остаются небольшими даже в зрелом возрасте. Поэтому одни и те же гормоны, например, так называемый инсулин-подобный фактор роста (insulin-like growth factor, IGF), производство которого зависит от количества питательных веществ, может ускорять как рост, так и старение. Если среда бедная, то производство этого гормона падает, а животные и растут и стареют медленнее. Это может объяснить, почему некоторые низкорослые мутанты у собак, мух или людей живут дольше или стареют медленнее [39]. Этот феномен, возможно, связан не с ростом как таковым, а с пластической адаптацией старения к неблагоприятной среде обитания.

Дополнительная связь между размером тела и долголетием может быть связана с низкой плодовитостью мелких особей. Организмы, обитающие в бедных средах, не только плохо растут, но и могут созревать позже и производить меньше потомства, чем особи нормального размера. Например, самки дрозофилы, растущие в среде, содержащей недостаточно питательных веществ, малы во взрослом возрасте, и их яичники содержат гораздо меньше яиц, чем у мух нормального размера, выращенных на богатой среде. Более низкие темпы роста могут перепрограммировать организм, замедляя и размножение и старение.

Гипотетический таймер пластичности старения может регулироваться несколькими разными факторами, включающими число актов спаривания и размножения, а также скорость роста, питание и запах пищи. Множественность факторов, влияющих на пластичность продолжительности жизни, может усложнить манипулирование скоростью старения со стороны патогенов, поскольку им понадобится вмешаться сразу в несколько путей восприятия и передачи информации, чтобы замедлить старение хозяина.

Таким образом, гипотеза контроля патогенов дает эволюционное объяснение эффектов голодания, включая вовлечение обонятельных и вкусовых рецепторов и центральной нервной системы в регулирование продолжительности жизни. Мы также нашли объяснение, почему животные меньшего размера, такие как собаки маленьких пород, живут дольше и почему размножение может негативно влиять на долголетие.

Единственная загадка пластичности продолжительности жизни, которую осталось объяснить, — это почему старение у плодовых мушек ускоряется от вида мушиных трупиков (см. главу 17). Читатель легко сможет сам ответить на этот вопрос: вероятно, большое количество трупов является показателем наличия эпидемий инфекционных болезней, и ускорение старения может быть полезным для контроля этих эпидемий.

58 И действительно, некоторые стерилизующие инфекции могут продлевать жизнь носителей (см. главу 29).

59 Следует отметить, что ожирение негативно влияет на продолжительность жизни и здоровье, усиливая воспаление, что согласуется с моделью контроля патогенов. Было бы интересно сравнить ожирение человека с накоплением жира, например, у впадающих в спячку животных, которые полагаются на него как на часть стратегии выживания и толстеют перед наступлением холодов, или у крупных морских млекопитающих, которые используют подкожный жир для теплоизоляции. У этих животных мы не ожидаем увидеть усиление воспалительных реакций жировой тканью.

Это последний вопрос, на который остается ответить в этой части книги, и, безусловно, наиболее интимный.

Мы, представители вида Homo sapiens, — вероятно, самый радикальный пример долголетия, связанного с высоким интеллектом. Помимо свойственных нам низкой рождаемости и долгого созревания, наш интеллект может быть напрямую вовлечен в предотвращение эпидемий. Сложное поведение позволяет животным и людям использовать рациональные стратегии, чтобы не заразиться инфекциями. Например, мы избегаем странно выглядящих особей, поскольку они могут быть заражены. Брезгливость и другие гигиенические рефлексы, очевидно, эволюционировали для предотвращения болезней.

Если интеллект помогает в борьбе с патогенами, это может объяснить связь между ним и долголетием. Вполне возможно, что благодаря нашему интеллекту мы преодолели «водораздел» и победили большинство инфекций, которые в прошлом ограничивали нашу способность к эволюции биологического бессмертия. Если это так, то даже если наши попытки вылечить старение потерпят неудачу, человечество рано или поздно достигнет Святого Грааля вечной молодости, используя традиционный эволюционный метод. В этом случае через несколько миллионов лет мы сможем пожать лапу голому землекопу.

Гипотеза контроля патогенов является наиболее полной эволюционной моделью старения с точки зрения ее простоты, способности объяснять наблюдаемые явления и качества полученных предсказаний. Вместе с тем было бы несправедливо умолчать о ее слабых местах и пробелах.

Вязкость популяций животных. Прежде всего, связи между вязкостью популяций и эпидемиями пока были только смоделированы in silico, то есть получены теоретически путем математических вычислений. Находятся ли реальные параметры в диапазонах, отвечающих требованиям модели, или нет? Экологические исследования должны дать ответ на этот вопрос.

Количество стерилизующих патогенов. Стерилизующие патогены обнаруживаются в популяциях животных и человека. Однако создают ли эти заболевания достаточное селективное давление, которое могло бы объяснить старение как повсеместное явление? Точные количественные оценки распространенности стерилизующих заболеваний еще предстоит сделать 60.

Эволюция малой продолжительности жизни. Другой проблемой, отмеченной некоторыми читателями моих научных статей и слушателями докладов, является эволюция короткой продолжительности жизни. Базовая модель (см. главу 28) объясняет, как эпидемии могут препятствовать эволюции долгожительства у короткоживущих организмов. Но как долгоживущее животное может в результате эволюции прийти к короткой жизни? Если эволюция начинается с ситуации, в которой преобладают долгоживущие варианты, то эволюция более короткой продолжительности жизни действительно требует дополнительных условий.

Одно короткоживущее животное не сможет изменить эпидемиологическую ситуацию в своем окружении. Следовательно, оно не сможет использовать преимущества своей более короткой жизни для борьбы с эпидемиями, поскольку будет заражено своими долгоживущими сверстниками. В то же время оно будет иметь меньший репродуктивный успех из-за того, что раньше умрет от старости.

Для того чтобы короткоживущие особи могли использовать свои преимущества и быть конкурентоспособными, им необходимо сформировать зону, свободную от долгоживущих особей. Такая изоляция может возникнуть, если популяция подвергается серьезным колебаниям численности и фрагментируется на небольшие группы с высоким эффектом основателя 61. Если одна из таких групп будет основана короткоживущими вариантами, то может появиться область, свободная от долгоживущих животных, и после этого отбор в пользу более короткой жизни сможет пойти согласно сценарию, описанному в главе 28.

Тем не менее проблема эволюции более короткой жизни может быть не столь существенна, по крайней мере для млекопитающих. Как правило, млекопитающие эволюционируют в сторону увеличения размеров тела. Закон Копа (Cope’s rule) гласит, что маленькие животные обычно развиваются в крупных. А крупные животные более склонны вымирать, нежели эволюционировать в сторону меньших размеров. Действительно, случаи обратной эволюции от крупного размера к более мелкому очень редки. Поскольку размер коррелирует с долголетием, вероятно, млекопитающие редко эволюционируют в сторону уменьшения продолжительности жизни. Из-за этого сценарий эволюции более короткой продолжительности жизни не является ключевым компонентом гипотезы контроля патогенов, по крайней мере, в случае млекопитающих, хотя в каких-то ситуациях он вероятно реализуется.

Следует еще раз повторить, что многие связи и феномены, описанные в этой части книги, являются гипотезами или экстраполяциями, основанными на неполных научных данных. Например, мы до сих пор точно не знаем, действительно ли голые землекопы сверхчувствительны к инфекциям и действительно ли хищные сумчатые предрасположены к трансмиссивным ракам. Отсутствие полной информации, безусловно, является слабым местом теории. Однако если посмотреть на эту проблему с другой стороны, фальсифицируемость гипотезы заключается в том, что сформулированные ею предсказания можно опровергнуть, используя научные методы, а значит, теория как минимум научна. Верна она или нет? Дальнейшие исследования должны помочь нам проверить эти и другие предсказания гипотезы контроля патогенов.

6 °Cледует отметить, что аналогичные аргументы можно выдвинуть и против классических эволюционных моделей: не существует количественных оценок эволюционной стабильности плейотропных генов, а также энергетических бюджетов, лежащих в основе теории одноразовой сомы. В первом случае очень трудно сделать точные расчеты, поскольку предлагаемое явление слишком абстрактно, чтобы его можно было количественно оценить. В случае одноразовой сомы расчеты, вероятно, дадут результаты, противоположные предсказанным, поскольку диетические ограничения продлевают продолжительность жизни, а не уменьшают ее. Напротив, параметры динамики популяции животных и снижение рождаемости, связанное с инфекционными заболеваниями, четко определены и легко поддаются количественной оценке.

61 Эффект основателя проявляется, когда небольшое количество животных или людей дает начало новой большой группе. В этом случае огромную роль играет генетика основателей. Ярким примером являются американские индейцы, произошедшие от маленькой группы переселенцев, некогда прошедших через перешеек между Азией и Америкой. Из-за того, что в этом небольшом сообществе по случайности оказался один или несколько носителей группы крови 0, эта редкая в Сибири группа крови получила широкое распространение среди коренных американских народов [141].

В этой части с помощью гипотезы контроля патогенов мы объяснили загадки, описанные в первых частях книги. Хотя некоторые объяснения основаны на предсказаниях, которые требуют подтверждения, гипотеза контроля патогенов гораздо лучше объясняет наблюдаемые факты, чем любая другая эволюционная теория старения, предложенная до сих пор. Она может ввести в эволюционный контекст пластичность продолжительности жизни, а также аномальное старение таких организмов, как птицы, летучие мыши или голые землекопы. Согласно критериям научного метода, способность объяснять наблюдения в сочетании с простотой предпосылок делает гипотезу контроля патогенов самой сильной эволюционной гипотезой старения из всех предложенных на сегодняшний день.

В последней части книги мы, наконец, обсудим, как использовать гипотезу контроля патогенов в наших попытках вылечить старение.

Рис. 40. Таблица разных аспектов старения и их объяснений с точки зрения разных гипотез.

Зеленым цветом отмечены согласующиеся факты, белым — нейтральные. Красным цветом отмечены противоречия, желтым — предсказания (по [13]).

Если гипотеза контроля патогенов верна, она должна в корне изменить наше восприятие старения. Положим, старение действительно является программой адаптивного самоубийства, тесно связанной с иммунной системой. Какие практические выводы следуют из этой модели? Как модель поможет нам разработать новые эффективные методы борьбы со старением и возрастзависимыми заболеваниями?

Микробная теория Луи Пастера оказалась исключительно полезной и позволила создать вакцины и терапии против множества заболеваний, считавшихся неизлечимыми. Может ли эволюционная теория старения быть сопоставимо продуктивной в случае старения? В заключительной части мы обсудим, как модель контроля патогенов может заставить нас поменять приоритеты и подходы к разработке антивозрастной терапии.

Гипотеза контроля патогенов предполагает, что старение является адаптивным запрограммированным процессом. Хотя эта формулировка может показаться слишком широкой, чтобы служить прямым руководством к разработке лекарств, она критически важна для планирования исследований. В качестве примера эксперимента, который был бы проведен иначе в условиях парадигмы запрограммированного старения, можно упомянуть так называемый гетерохронный парабиоз.

Кровеносные системы двух мышей или крыс одной родственной линии 62, но разных возрастов могут быть искусственно соединены друг с другом (эта экспериментальная модель и называется гетерохронным парабиозом). Через некоторое время старая мышь становится физиологически моложе, а молодая — физиологически старше. Этот эксперимент был интерпретирован следующим образом: плазма молодой мыши содержит омолаживающие факторы, а плазма старой — состаривающие.

Эффект был открыт в 1972 году [142], но затем незаслуженно заброшен западным научным сообществом и исследовался преимущественно советскими учеными [143]. В 2005 году работа биологов Ирины и Майкла Конбой из Стэнфордского университета вернула парабиоз на карту западной науки [144]. В XXI веке основной целью исследований стал поиск факторов омоложения в молодой крови. Однако более поздние результаты 2020 года показали, что замена плазмы старого животного 5 %-ным раствором альбумина, основного белкового компонента плазмы, обеспечивает эффект омоложения, практически не отличимый от эффекта молодой плазмы [145]. Хотя некоторые полезные эффекты молодой крови, возможно, существуют, кажется, что основным фактором омоложения является удаление вредных компонентов крови старых мышей. В ходе парабиоза эти компоненты разбавляются между двумя особями, и их концентрация уменьшается.

Эта модель хорошо согласуется с теориями запрограммированного старения, но не вписывается в классические непрограммные эволюционные модели, рассматривающие старение прежде всего как потерю функции, а не как ее приобретение.

Обратите внимание, что между первым экспериментом по парабиозу и опытами с раствором альбумина прошло пятнадцать лет (2005 и 2020 годы соответственно). Очевидно, что, если бы существование адаптивного запрограммированного старения допускалось, по крайней мере, некоторыми исследователями, контрольный эксперимент с заменой плазмы на раствор альбумина был бы проведен гораздо раньше.

Этот пример показывает, как эволюционные теории формируют восприятие старения, которое оказывает огромное влияние на планирование экспериментов.

Теория эволюции Дарвина сформировала мышление и восприятие в современной биологии. Семнадцать видов галапагосских вьюрков 63, вдохновивших открытие теории эволюции, на сегодняшний день практически не упоминаются в научной литературе, однако концепции наследственности, изменчивости, вызываемых случайными мутациями, и отбора наиболее подходящих вариантов лежат в основе практически каждой биологической гипотезы или эксперимента. Исследование вьюрков позволило Дарвину постулировать универсальные эволюционные задачи живой материи — выживание и размножение. Без этого открытия понимание биологии во всей ее невероятной сложности вряд ли было бы возможно.

Аналогичным образом эволюционная теория старения должна стать центральным элементом геронтологии. Для проверки правильности гипотезы контроля патогенов нам нужно исследовать такие экзотические явления, как гиперчувствительность голых землекопов к вирусам, трансмиссивный рак сумчатых хищников, иммунную систему летучих мышей и эпидемии паразитов в популяциях лососей. Эти исследования необходимы для проверки правильности модели, однако на будущих этапах они, как и дарвиновские вьюрки, скорее всего, не понадобятся для разработки методов лечения старения.

Если гипотеза контроля патогенов окажется верна, подход к лечению старения должен радикально измениться. В настоящее время ученые сосредоточены на поиске и репарации повреждений. Если же старение — адаптивная программа, то мы должны найти ее и отключить, и это совершенно другой проект, требующий принципиально иных подходов. В этом случае нам придется подвергнуть полному пересмотру все полученные до сих пор экспериментальные данные и интерпретировать их в рамках парадигмы запрограммированного старения. Эти усилия помогут выяснить: какие критические элементы механизмов старения все еще неизвестны; какие эксперименты необходимо провести; какие еще шаги мы можем предпринять, чтобы выявить и отключить программу старения.

В оставшейся части книги мы попытаемся предложить некоторые механистические идеи, вдохновленные гипотезой контроля патогенов, которые могут привести нас к пониманию программы старения.

Модель контроля патогенов предполагает, что экологическое предназначение старения заключается в защите родственников зараженной особи от инфекций (см. главу 28), то есть старение играет иммунную роль. Эта гипотеза подразумевает тесную взаимосвязь между старением и иммунной системой. Аналогичные идеи можно легко найти в научной литературе. В 30-й главе уже упоминалась концепция воспалительного старения, предложенная Клаудио Франчески. Центральная роль иммунитета и воспаления, которая может лежать в основе всех остальных признаков старения, недавно обсуждалась в нескольких качественных обзорах [116].

Действительно, иммунитет или воспаление связаны с каждым признаком старения и каждым возрастзависимым заболеванием [146]. Однако все еще остается без ответа вопрос: является ли воспаление основной движущей силой старения или же воспалительные механизмы активируются вследствие старения? Консенсуса по этому вопросу нет, и конкурирующие группы ученых считают, что другие явления, такие как соматические мутации, являются движущей силой старения [53]. Воспаление было включено в число признаков старения только в 2023 году [16]. Тем не менее число ученых, считающих, что воспаление играет центральную роль в старении, неуклонно растет. Какую новую информацию или идеи может дать этим ученым гипотеза контроля патогенов? Давайте подумаем, как может быть устроена потенциальная программа адаптивного старения.

Если старение — это программа, то из каких элементов она должна состоять? В ней должны быть:

1) механизмы, измеряющие время, — таймеры;

2) механизмы, убивающие организм, — киллеры;

3) механизмы, которые могут изменять темп старения в зависимости от окружающей среды, — регуляторы пластичности продолжительности жизни.

Исследователи, которые верят в модели накопления повреждений, часто отвергают разделение между таймерами и киллерами. Они утверждают, что, даже если более короткая продолжительность жизни эволюционно выгодна, эффективность механизмов восстановления может быть отрегулирована таким образом, что накопление клеточных и молекулярных повреждений убьет организм в оптимальное время.

Представьте себе маленькое отверстие в шине, настолько точного размера, что шина сдувается строго к тому времени, когда у автомобиля заканчивается гарантия. Это не требует никаких дополнительных элементов, и здесь, по сути, совмещены механизмы таймера и киллера. Гипотезы накопления повреждений предполагают существование большого количества таких «отверстий», наносящих вред множеству систем в стареющем организме. Если бы отверстий было немного, то активация всего нескольких ремонтных систем (латание нескольких отверстий в шине) привела бы к остановке старения организма, что не подтверждается экспериментально.

Рис. 41. Три вида механизмов адаптивного старения: таймеры, киллеры и регуляторы

Возрастные изменения в иммунной системе являются одними из самых глубоких и заметных системных событий, происходящих во время старения. Иммунная функция достигает своего пика приблизительно в период полового созревания, а затем начинает снижаться. Таким образом, иммунный спад, вероятно, — самое раннее проявление старения. В главе 35 мы уже обсуждали эти возрастные изменения в контексте инволюции тимуса (уменьшение его размера и функции) и снижения числа наивных иммунных клеток, Т- и В-лимфоцитов. Наивные лимфоциты необходимы, чтобы распознавать новые патогены, реагировать на них и надолго их запоминать.

Адаптивный иммунитет может быть «натренирован» с помощью вакцин. Из-за уменьшения количества наивных лимфоцитов с возрастом снижается способность организма реагировать на новые патогены и вакцины.

Старение иммунной системы не ограничивается Т- и В-лимфоцитами и адаптивным иммунитетом. Врожденный иммунитет тоже меняется с возрастом. Эта ветвь иммунной защиты включает в себя ряд механизмов, обнаруживающих и инактивирующих патогены, в частности, специальные клетки, макрофаги и естественные киллеры, которые могут захватывать и разрушать патогены, а также убивать клетки, инфицированные вирусами, и раковые клетки. Врожденный иммунитет также включает в себя интерфероны и другие сигнальные молекулы, циркулирующие в крови и тканях и передающие клеткам сигналы тревоги. Эти молекулы могут активировать защитные программы в неиммунных клетках, привлекать иммунные клетки и модулировать другие аспекты врожденного и адаптивного иммунитета.

Эта сигнализация и функции клеток, участвующих в работе врожденного иммунитета, изменяются с возрастом. Например, активность одного из классов сигнальных белков иммунитета, интерферонов I типа, участвующих в привлечении и активации естественных киллеров и макрофагов, уменьшается у пожилых людей [147]. С возрастом растет количество специальных регуляторных клеток, которые могут подавлять активность Т-лимфоцитов [148]. Подробное медицинское описание изменяющейся иммунной системы выходит за рамки этой книги, и здесь мы сосредоточимся на воздействии этих изменений на смертность и экологию животных.

Очевидно, что возрастные изменения иммунной системы могут привести к увеличению смертности пожилых организмов из-за снижения устойчивости к инфекционным заболеваниям. В главе 35 мы обсуждали, что эта смертность может быть особенно полезной для устранения заболеваний с низкими темпами передачи, которые с большой вероятностью являются хроническими. Кроме того, снижение иммунитета может ослабить распознавание раковых клеток, что приводит к более высокой частоте опухолей у старых организмов. Таким образом, ослабление иммунной системы может непосредственно способствовать увеличению вероятности смерти с возрастом даже в отсутсвие инфекций.

Итак, изменение иммунитета способствует повышению вероятности смерти, однако смертность как явление не эквивалентна старению. Может ли иммунная система модулировать по крайней мере некоторые из аспектов старения остального организма? Эксперименты показывают, что это так. Исследователи-иммунологи Мэттью Юсефзаде, Рафаэль Флорес, Лаура Нидернхофер и их коллеги продемонстрировали это в экспериментах с мышами, несущими мутацию, снижающую количество белка репарации ДНК, ERCC1 [149]. Важно, что в их элегантных генетических экспериментах эта мутация вызывала сенесцентность только в иммунных клетках. Несмотря на это, признаки ускоренного старения были обнаружены и в других органах — легких, печени, сосудах, кишечнике, клетки которых содержали нормальные количества белка ERCC1. Смертность мутантных мышей тоже увеличивалась.

Трансплантация иммунных клеток, содержащих мутацию в белке ERCC1, нормальным мышам тоже вызывала признаки ускоренного старения и повышение смертности. Важно отметить, что еще большее ускорение старения наблюдалось, когда иммунные клетки от старых немутантных мышей пересаживали молодым мышам. И напротив, пересадка здоровых иммунных клеток мышам-мутантам снижала эффект ускоренного старения, вызванного мутацией ERCC1 в их иммунных клетках.

Эти результаты показывают, что старение иммунной системы действительно имеет системные последствия для всего организма. Состарившиеся иммунные клетки могут ускорить старение всего тела, в то время как молодые иммунные клетки — его замедлить.

Гипотеза контроля патогенов позволяет вписать эти открытия в эволюционный контекст. Если старение является частью иммунитета, то центральная роль иммунной системы в координации старения точно соответствует модели. Поэтому, если модель контроля патогенов верна, омоложение иммунной системы должно стать одним из центральных подходов к разработке средств лечения старения.

Важно еще раз подчеркнуть: в отличие от модели накопления повреждений, модель контроля патогенов предполагает, что старение — это приобретение функции, а не ее потеря. Согласно этой модели, с возрастом организмы могут не только терять некоторые иммунные функции, но и приобретать функции, активно вредящие иммунитету и организму. Нам следует пересмотреть наши взгляды на иммуносенсцентность как на процесс распада и снижения эффективности. Согласно гипотезе контроля патогенов, иммунная система остается эффективной, однако меняются ее приоритеты: вместо защиты индивидуума она начинает защищать его родственников от заражения.

Поэтому усилия по лечению старения должны быть направлены не только на восполнение недостающих функций, но и на поиск и инактивацию повреждающих механизмов, которые, вероятно, находятся внутри стареющей иммунной системы.

Но каким образом иммунная система может модулировать системное старение? Выше мы уже обсуждали удаление сенес-

Рис. 42. Клетки иммунной системы регулируют старение в других органах тела.

Первоначально клеточное старение было обнаружено Леонардом Хейфликом и Полом Мурхедом в 1961 году и описано как ограниченная способность культивируемых клеток к делению [150]. Выделенные из организма клетки соединительной ткани — фибробласты — могут поделиться примерно сорок раз, после чего они перестают это делать, хотя и живут еще какое-то время. Такие клетки претерпевают характерные морфологические и биохимические изменения: растут в размерах, накапливают лизосомы, иногда становятся полиплоидными (то есть содержат более двух копий генома).

Так были впервые обнаружены сенесцентные клетки. Эти клетки устойчивы к апоптозу — запрограммированной смерти (см. главу 14), но метаболически активны и секретируют цитокины — сигнальные молекулы, влияющие на поведение иммунных клеток и активирующие иммунные реакции в нормальных, неиммунных клетках. В совокупности эти молекулы называются связанным с сенесцентностью секреторным фенотипом (senescence-associated secretory phenotype, SASP) [151].

Первый обнаруженный механизм индукции клеточного старения был связан с укорочением теломер. Напомним, что такое теломеры и почему они укорачиваются. Хромосомы большинства эукариот линейны, и на их концах располагаются повторяющиеся последовательности ДНК, называемые теломерами. Каждый раз, когда хромосома реплицируется, ее теломеры становятся немного короче. Это неизбежно из-за неспособности ферментов, копирующих ДНК, реплицировать ее концы 64.

В зародышевой линии, то есть в клетках, которые в конечном итоге должны дать начало новому организму, теломеры удлиняются ферментом, называемым теломеразой. Позже, во время эмбриогенеза, активность теломеразы падает в большинстве соматических клеток, что приводит к укорочению теломер с каждым последующим делением. Когда теломеры становятся слишком короткими, клетки активируют механизм реакции на повреждение ДНК, который может убить клетку, вызывая апоптоз, а может привести к сенесцентности. У молодых организмов сенесцентные клетки удаляются иммунной системой, в частности макрофагами и естественными киллерами. Однако с возрастом способность иммунной системы убивать эти клетки снижается.

Накопление сенесцентных клеток в тканях ведет к хроническому воспалению, вызывает ряд повреждающих эффектов и, как правило, вредно для здоровья организма. Цитокины, выделяемые сенесцентными клетками — SASP, — могут превращать здоровые клетки с нормальными теломерами в сенесцентные клетки. Таким образом, накопление сенесцентных клеток является процессом с положительной обратной связью: если эти клетки не удаляются, то их количество может расти с повышенной скоростью.

Клетки могут переходить в сенесцентное состояние не только из-за укорочения теломер, но и в том случае, если ДНК повреждается ультрафиолетовым излучением или химическими соединениями — например, активными формами кислорода или лекарствами, используемыми в химиотерапии рака. Кроме того, сенесцентность может быть вызвана вирусной инфекцией или активацией онкогенов. Исторически сенесцентные клетки рассматривались как противоопухолевая адаптация, которая помогает организмам предотвращать возникновение рака. Действительно, неограниченный рост раковых клеток был бы невозможен, если бы их теломеры укорачивались, а механизм перехода клеток в сенесцентное состояние не был бы отключен.

Неудивительно, что в большинстве опухолей повышается активность теломеразы и происходит инактивация р53, ключевого регуляторного белка, необходимого для реакции на повреждение ДНК и индукцию клеточного старения. Однако p53 может вызывать не только клеточное старение, но и апоптоз. Почему эволюции выгодно, чтобы потенциальные раковые клетки переходили в сенесцентность вместо того, чтобы просто убивать себя апоптозом? Изначальным ответом на этот вопрос был SASP: молекулы, секретируемые сенесцентной клеткой, привлекают макрофаги и естественные киллеры, которые удаляют не только саму сенесцентную клетку, но и соседние раковые клетки, по каким-то причинам не вошедшие в сенесцентное состояние.

Однако эта модель оказалась ошибочной. Если иммунная система полностью функциональна, клеточное старение действительно помогает удалить предраковые клетки. С другой стороны, накопление сенесцентных клеток и, в частности, секретируемых ими молекул — SASP — не предотвращает, а способствует возникновению и развитию опухолей! Было показано, что различные цитокины, компоненты SASP (например, интерлейкины 65 6 и 8, IL-6 и IL-8), активируют размножение раковых клеток, метастазы, рост сосудов в опухоли, что необходимо для ее питания. Более того, факторы SASP помогают раковым клеткам избегать распознавания иммунной системой [152]. Таким образом, гипотеза о роли клеточного старения в предотвращении рака была опровергнута.

Биологическая роль клеточного старения остается загадкой, если рассматривать его с точки зрения классических эволюционных моделей. Действительно, если старение не является адаптивным запрограммированным процессом, то существование токсичных сенесцентных клеток не может быть объяснено. Согласно традиционному подходу, эти клетки должны быть для чего-то нужны и их искусственное удаление должно иметь неблагоприятное воздействие на здоровье. Так, Том Кирквуд, автор теории одноразовой сомы (см. главу 9), является оппонентом удаления сенесцентных клеток как средства борьбы со старением. Он полагает, что такой терапевтический подход может иметь негативные побочные эффекты, которые могут перевесить потенциальную пользу [153].

Гипотеза контроля патогенов может привести теорию в соответствие с данными и рационализировать существование вредных для здоровья сенесцентных клеток. Если старение является запрограммированной адаптацией, то здесь нет никакого противоречия: сенесцентные клетки существуют, чтобы убить организм. Поэтому удаление этих клеток может быть полезным для здоровья человека и не нести значительных побочных эффектов.

Могли ли сенесцентные клетки эволюционировать только для того, чтобы убивать нас? Это тоже маловероятно. Клеточное старение кажется слишком сложным механизмом, чтобы служить единственной цели — убийству организма. Кроме того, некоторые животные, такие как нематоды, не имеют клеточного старения, но все равно стареют. Таким образом, клеточное старение не является необходимым для старения. Вполне вероятно, что сенесцентные клетки эволюционировали для какой-то другой специфической роли, но затем приобрели вторичную функцию в старении.

Как указано выше, значение сенесцентных клеток в предотвращении рака в настоящее время кажется сомнительным. Вместо этого исследователи предполагают, что клеточное старение может принимать участие в ремоделировании тканей. Можно выделить два случая:

• эмбриогенез (развитие и формирование эмбриона). Во время эмбриогенеза стареющие клетки немедленно удаляются иммунной системой, а если клеточное старение невозможно из-за мутаций, то развитие эмбриона нарушается [154];

• сенесцентные клетки индуцируются во время заживления ран и участвуют в модуляции процесса регенерации [155].

Однако в обоих случаях сенесцентные клетки, как представляется, не играют ключевой роли. Что касается первого примера, отсутствие сенесцентных клеток во время эмбрионального развития может быть частично компенсировано апоптозом. Относительно второго случая можно сказать, что ранозаживляющие и другие регенеративные способности ухудшаются по мере старения организма — возможно, сенесцентные клетки не слишком для этого полезны. Таким образом, биологическая роль сенесцентных клеток до конца не выявлена.

Если старение является частью иммунной системы, может быть, основная роль сенесцентных клеток — тоже иммунная? Действительно, исследования взаимодействия сенесцентных клеток с вирусами имеют долгую и богатую историю. Около 10 % всех раковых заболеваний вызываются вирусами. Онкогенные вирусы, как известно, иммортализуют клетки, давая им способность делиться бесконечно. В частности, клетки HeLa — первая бессмертная клеточная линия, широко используемая в исследованиях, — происходят от рака шейки матки, вызванного вирусом папилломы человека HPV-18. Чтобы иммортализировать клетки, онкогенные вирусы выработали механизмы предотвращения сенесцентности.

Ключевой белок p53, участвующий в клеточном ответе на повреждения ДНК и в клеточном старении, был открыт шестью группами ученых независимо друг от друга. Пять из этих шести групп изучали онковирусы, и некоторые из них сперва приняли p53 за вирусный белок. Позже было выяснено, что p53 — это клеточный белок, который активируется при заражении, но подавляется вирусными белками. В случае вируса обезьян 40 (SV40) белок, ответственный за связывание и инактивацию р53, называется большим Т-антигеном(large T-antigen).

Более того, оказалось, что не только онковирусы вызывают клеточное старение. Ряд РНК-содержащих вирусов, таких как вирус денге или SARS-CoV-2, тоже приводят к сенесцентности. В случае SARS-CoV-2 накопление вирус-индуцированных сенесцентных клеток в легких усугубляет патогенез. Удаление этих клеток облегчало симптомы болезни у хомяков, зараженных SARS-CoV-2 [156]. Также известно, что вирус гепатита В (HBV) вызывает и ингибирует сенесцентность [157].

Итак, клеточное старение индуцируется и ингибируется вирусами. Такой характер взаимодействий показателен для элементов иммунной системы. Что будет, если заразить сенесцентные клетки вирусами? Эта тема исследована недостаточно, однако было показано, что репликация по крайней мере одного вируса — везикулярного стоматита (VSV) — снижена в сенесцентных клетках. Более того, секреторный фенотип, SASP, производимый сенесцентными клетками, может защитить здоровые клетки от вирусной инфекции [158].

Таким образом, сенесцентность может быть индуцирована вирусной инфекцией, сами сенесцентные клетки могут быть противовирусными, а переход клетки в сенесцентность может подавляться вирусными механизмами. Нужно отметить, что активация SASP включает несколько классических путей передачи сигналов врожденного иммунитета, участвующих в защите от вирусов и вовлеченных в активацию синтеза и реакцию на интерфероны 66. Поэтому весьма вероятно, что сенесцентные клетки являются частью противовирусного иммунного ответа и могут рассматриваться как часть врожденного иммунитета [159].

Таким образом, возможно, при вирусной инфекции сенесцентные клетки играют роль «иммунного ополчения». При заражении вирусом клетка практически любой «профессии» может стать сенесцентной, то есть приобрести иммунную функцию. Задача сенесцентных клеток может состоять в том, чтобы защищать другие клетки при помощи SASP, при необходимости тоже рекрутировать их в «ополчение» и взаимодействовать с макрофагами, лейкоцитами и другими специализированными иммунными клетками, которые в рамках этой метафоры соответствуют профессиональным солдатам. После того как инфекция побеждена, сенесцентные клетки «демобилизуются», то есть удаляются клетками иммунной системы. Скорее всего, это необходимо потому, что они все еще могут содержать подавленные, но способные к реактивации вирусы. Так происходит в молодом здоровом организме.

Рис. 43. Гипотеза «иммунного ополчения».

В главе 29 мы обнаружили, что иногда увеличение продолжительности жизни короткоживущих животных необходимо для их успешного выживания и размножения. Пластичность продолжительности жизни позволяет им переживать сезонные изменения среды, неблагоприятные периоды или совершать миграции, невозможные при короткой продолжительности жизни. У долгоживущих животных эта необходимость гораздо меньше, поэтому пластичность продолжительности жизни у них должна устраняться эволюцией, чтобы не позволить патогенам продлевать жизнь хозяина. Зависимость пластичности старения от общей продолжительности жизни ожидаема: чем меньше живет животное, тем более пластичным должно быть его старение (см. главу 16). Например, благоприятное воздействие ограничения диеты на продолжительность жизни обратно пропорционально общей продолжительности жизни животного [140]:

• черви живут 20 дней, увеличение продолжительности жизни при голодании — 200 %;

• мухи живут 100 дней, увеличение — на 100 %;

• мыши живут 2 года, увеличение — на 30–50 %.

Почему этот факт так важен для исследования долголетия?

Большинство экспериментов в области старения проводятся на короткоживущих животных. Очевидно, что эксперименты с долгоживущими видами занимают намного больше времени, а следовательно, менее эффективны. С другой стороны, короткоживущие виды как модельные системы имеют существенные недостатки: результаты, полученные на одном модельном объекте, трудно экстраполировать на другой модельный объект, а тем более на человека.

Например, было обнаружено, что увеличенное количество белка SIRT2 продлевает продолжительность жизни дрожжей. На основании этих результатов вещество-активатор SIRT2, ресвератрол, было предложено как лекарственное средство против старения. Однако дальнейший анализ показал, что повышенное количество SIRT2 не влияет на продолжительность жизни мышей [162], тем самым подрывая научные основания для клинического использования ресвератрола.

Временной промежуток между выпуском ресвератрола и экспериментом на мышах составил 19 лет, а сам эксперимент включал сотни животных и был чрезвычайно дорогим. За этот период Sirtris Pharmaceuticals, компания-производитель ресвератрола, была продана за астрономическую сумму в 720 миллионов долларов фармацевтическому гиганту GSK plc., а затем… закрыта из-за провала лекарства в клинике. Несмотря на недоказанную эффективность, ресвератрол все еще продается как биологически активная добавка. Общий объем его продаж в 2023 году превысил 100 миллионов долларов.

Основной причиной трудностей переноса результатов, полученных в одной модели, в другую является разница в эффективности механизмов пластичности старения, а также то, что механизмы регулирования продолжительности жизни тоже могут отличаться между видами. Например, как мы уже рассказывали в главе 17, дрозофилы живут меньше, если видят трупики других дрозофил, а удаление определенных нейронов в их мозге устраняет этот эффект. Ожидаем ли мы, что удаление аналогичных нейронов будет иметь аналогичный эффект у мышей или людей? Вероятно, нет. Поэтому изучение механизмов сокращения продолжительности жизни под воздействием впечатления от увиденных трупиков, хотя и имеет большое фундаментальное значение (вы можете оценить, сколько раз я упоминал этот эффект в книге), вряд ли даст результаты, которые непосредственно приведут к изобретению лекарств, продлевающих жизнь. Этот пример очевиден; однако если мы будем иметь дело с менее экзотическими факторами окружающей среды, такими как питание или интенсивность света, как оценить потенциал разрабатываемых нами терапий? Перспективен или нет тот или иной подход?

Даже у мелких грызунов пластичность старения может быть выражена сильнее, чем у долгоживущих млекопитающих. Поэтому результаты, полученные на мышах и крысах, должны быть подтверждены на более крупных животных, таких как обезьяны или собаки. Масштабные эксперименты с долгоживущими крупными животными чрезвычайно дороги, и проводимый Вашингтонским университетом проект по исследованию старения у домашних собак (Dog Aging Project) занимает совершенно уникальное место в этой области [163]. Проект призван собирать данные о старении и тестировать лекарства на собаках, чьи владельцы согласились стать участниками исследования. Тем не менее подобные эксперименты занимают много времени и едва ли могут быть масштабированы до уровня, позволяющего проводить тестирование существенного количества лекарств и терапий.

Итак, с одной стороны, пластичность старения стоит за многими большими экспериментальными открытиями, которые предоставляют ценные данные, необходимые для понимания старения как явления. Например, без результатов в продлении жизни за счет диетических ограничений геронтология выглядела бы совершенно по-другому. С другой стороны, пластичность затрудняет перенос результатов между модельными организмами и особенно от других видов к человеку.

Как исследователи могут отличить воздействия, влияющие на эволюционно-консервативные механизмы старения, общие для многих видов, от тех, которые активируют специализированные программы пластичности, наблюдающиеся только у отдельного модельного организма?

Нужны ли нам методы лечения, воздействующие на механизмы пластичности старения? В главе 31 мы предположили, что базовые механизмы старения могут быть защищены от манипуляций со стороны паразитов. Эволюция не хочет, чтобы организм стал биологически бессмертным зомби, распространяющим болезни. Поэтому программа старения приобрела защиту от взлома и стала очень устойчивой к паразитам а, возможно, также к генетическим мутациям и терапевтическим вмешательствам. Рано или поздно каждый организм должен умереть от старости. Поэтому отключение основного механизма старения, которое бы сделало людей биологически бессмертными, может быть очень сложной задачей, так как для этого необходимо преодолеть защиту, которую патогены пытаются взломать на протяжении миллионов лет.

Однако существуют механизмы пластичности, регулирующие темпы старения в ответ на экологические сигналы. Эти механизмы потенциально могут активироваться патогенами, мутациями и лекарствами. В самом деле, наиболее яркие примеры продления жизни паразитами встречаются у эусоциальных насекомых, имеющих огромные различия в продолжительности жизни между кастами (глава 29).

Программы пластичности старения могут переключаться генетическими мутациями. Например, мутация гена daf2 — одна из первых описанных мутаций, продлевающих жизнь в нематодах C. elegance. По-видимому, она запускает во взрослых червях механизмы выживания, которые обычно активны в личинках типа dauer larva[164].

Наиболее перспективный на сегодняшний день антивозрастной препарат рапамицин также, вероятно, действует через активацию механизмов пластичности продолжительности жизни. В пользу этого говорит тот факт, что эффекты рапамицина частично задействуют те же механизмы, что и эффекты ограничения питания (глава 9). Кроме того, рапамицин известен как иммуномодулятор. Первоначально он использовался в качестве иммунодепрессанта для предотвращения отторжения тканей у пациентов после пересадки почек. Вероятно, рапамицин активирует эндогенные механизмы, задерживающие старение в ответ на ограничение питания, а также препятствует ускоренному старению, вызванному хронической инфекцией или воспалением.

Если наша концепция верна, то получить фармацевтические препараты, воздействующие на естественные механизмы пластичности старения, намного проще, чем создать препараты, инактивирующие базовые механизмы старения. Методы лечения, воздействующие на пластичность, могут существенно продлить здоровье человека или даже его жизнь, но не смогут окончательно решить проблему старения, поскольку пластичность продолжительности жизни имеет свои пределы: никакие экологические факторы не могут продлевать жизнь животного или человека бесконечно. Чтобы достичь биологического бессмертия у людей, необходимо инактивировать базовые механизмы старения.

Итак, исследование механизмов пластичности старения может позволить лишь ограниченно улучшить здоровье пожилых пациентов. В то же время это может быть относительно легкой задачей, решаемой в течение ограниченного времени. Таргетирование базовых механизмов старения (таймеров и киллеров) может быть очень сложным и трудоемким делом, но оно окупится гораздо более значительным улучшением состояния пациентов, а возможно, даже приведет нас к биологическому бессмертию.

Таким образом, понимание механизмов пластичности старения имеет ключевое значение для разработки антивозрастных терапий. Это не ограничивается необходимостью экстраполяции результатов, полученных с использованием короткоживущих животных, на долгоживущие виды.

Вероятно, существуют два принципиально разных типа антивозрастных терапий: один нацелен на работу с программами пластичности, другой нацелен на отключение базовых механизмов старения. Если это действительно так, ученым, фармакологам и инвесторам необходимо заранее знать, к какому из типов относится конкретная мишень и какого типа препарат будет создан в случае успешного завершения проекта.

Может ли гипотеза контроля патогенов предоставить инструменты для понимания пластичности старения? Можем ли мы установить, вовлечен конкретный белок в механизм пластичности или нет? Какие мишени являются видоспецифическими? Предполагаемый ответ, следующий из гипотезы контроля патогенов, — положительная селекция.

Рис. 44. Согласно гипотезе контроля патогенов, продолжительность жизни животных каждого вида имеет экологический оптимум. Однако продолжительность жизни каждой конкретной особи может отличаться в зависимости от условий среды. Степень пластичности старения может быть разной у разных видов животных. На рисунке приведены некоторые факторы, влияющие на скорость старения у разных видов.

Гипотеза контроля патогенов указывает конкретные направления действий для разработки лекарств и терапевтических подходов. Если эта гипотеза верна, она должна привести к сдвигу парадигмы во всей области исследования старения и разработки лекарств. В настоящее время старение связывают с биохимическими повреждениями, метаболизмом и питанием. Напротив, гипотеза контроля патогенов предполагает, что старение — это результат работы иммунной системы, и поэтому геронтологию можно рассматривать как часть иммунологии.

Если старение действительно является механизмом предотвращения инфекций, то иммунитет должен быть вовлечен в регуляцию процессов старения. Поэтому исследование связей между старением и иммунитетом, а также подход к целенаправленному омоложению иммунной системы должны стать приоритетными направлениями развития геронтологии.

Кроме того, сенесцентные клетки также могут быть частью противовирусного иммунного ответа. Поэтому исследование клеточного старения в контексте вирусной инфекции может дать ценную информацию о механизмах сенесцентности, его регуляции и роли в ускорении старения инфекциями.

Наконец, гипотеза о контроле патогенов предсказывает, что признаки положительной селекции в генах старения могут помочь идентифицировать гены, участвующие в регуляции пластичности продолжительности жизни. Эта информация может помочь при выборе мишеней для разработки противовозрастных терапевтических вмешательств. Список следствий и выводов теории контроля патогенов не ограничивается этими идеями. Дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования, скорее всего, подскажут новые направления и гипотезы.