Наука

Почему старение не неизбежно

admin
Всего просмотров:

Среднее время на прочтение: 15 минут, 12 секунд

Люди стареют постепенно, но некоторые животные быстро проходят свой период старения в конце жизни, в то время как другие не стареют вообще, а некоторые даже могут обратить этот процесс вспять. Разнообразие образцов старения в природе должно служить предупреждающим знаком для всякого, кто склонен к обобщению, — особенно к обобщению того, что старение неизбежно.

Бактерии размножаются симметрично, простым делением надвое. Что может считаться «старением» у бактерий, если после размножения нет различий между родителем и ребенком? Простейшие одноклеточные организмы, например амеба, тоже размножаются симметрично, но, что удивительно, они все равно придумали способ стареть. И даже среди макроскопических форм жизни, жизненные циклы организмов необычайно разнятся, подстраиваясь под местную экологию и частоту размножения. Едва ли это может быть результатом вселенского неотвратимого процесса; в действительности такая корректировка под условия — признак адаптации.

ВНЕЗАПНАЯ СМЕРТЬ: Мухи-однодневки, как в этой куче, обычно быстро и внезапно умирают в конце своего репродуктивного цикла. Фото: Фекундап Сток

Продолжительность жизни разнится от маленьких и больших «мафусаилов» (Мафусаил — ветхозаветный персонаж, согласно легенде, проживший 969 лет; его именем часто нарицательно называют долгожителей, — прим. Newочём) до генетических камикадзе, умирающих от весеннего дня. Погруженные в воду стрекозы живут четыре месяца, взрослые мухи-однодневки — полчаса. Мы живем около 70-ти с лишним лет, но меристемы гинкго могут достигать миллионов лет. Этот размах становится еще более впечатляющим, когда мы понимаем, что генетическая основа старения широко распростренена среди разных видов: от дрожжевых клеток до китов. Каким-то образом одинаковый генетический механизм, унаследованный от общих предков во время зарождения жизни на Земле, преобразовался и стал производить жизненные циклы, длинною от часов (дрожжевые клетки), до тысяч лет (деревья секвойи и осинообразный тополь).

Не только длина жизни, но и тип износа за это временя значительно разнится. Старение может происходить в постоянном темпе в течение всей жизни (большинство ящериц и птиц), или может не быть никакого старения десятилетиям, а затем — внезапная смерть (цикады и агавы).

Наш собственный «внутренний наемный убийца» работает незаметно, как злая императрица, отравляющая своего мужа. Но у прочих видов есть внутренние убийцы, которые делают свое дело быстрее, а у других, кажется, вообще нет генетических программ смерти. Такое разнообразие — верный сигнал черты, сформированной естественным отбором, а не непреложного закона энтропии.

Поскольку биомаркеры старения значительно разнятся от одного вида к другому — более того, от одного индивида к другому — тяжело придумать единое, универсальное определение. Мужчина может преждевременно поседеть, а детеныш голого землекопа может быть покрыт морщинами. Однако для страхового статистика, есть четкий ответ на этот вопрос, хотя он может нравится только статистику: старение — это увеличение уровня смертности. Другими словами, становясь старше, животное сталкивается с все более высоким риском смерти.

Например, у двадцатилетнего молодого человека 99.9% вероятность дожить до своего двадцать первого дня рождения. Иными словами, его шанс смерти: 1 из 1000 в год. Если бы так и продолжалось, то у сорокалетнего тоже был бы 1 из 1000 в год шанс умереть до своего сорок первого дня рождения. Это мы бы назвали «отсутствием старения». На самом деле, у сорокалетнего шанс умереть до своего сорок первого дня рождения — 2 из 1000. Эта удваивающаяся за двадцать лет смертность — доказательство постепенного старения.

Дальше — хуже. Риск шестидесятилетнего 10 из 1000, а для восьмидесятилетнего — 60 из 1000.

ЖИЗНЬ И СМЕРТЬ: Данная таблица показывает шансы человека умереть в определенном возрасте. Когда человек взрослеет, его шансы умереть резко возрастают. Данные взяты из актуарных таблиц Социального обеспечения за 2010 год

Вероятность умереть не просто возрастает, а возрастает все быстрее. Увеличение износа или шанса умереть с каждым следующим годом, происходящее по достижению зрелого, возраста называется «ускоряющимся старением». Но у прочих видов другие порядки. Вероятность смерти может увеличиться, а затем выровняться — это называется «замедляющееся старение» или даже «плато смертности». Если мы будем придерживаться этого определения старения, то мы должны сказать, что если вероятность смерти не увеличивается, вид вообще не стареет. Это последовательно, хотя и странно, что если вероятность смерти снижается от года к году, то вид стареет в обратную сторону — это называется «отрицательным старением».

Существует другая объективная мера старения — снижение фертильности. Если смертность — это вероятность смерти, то фертильность — это вероятность размножения. Мужчины утрачивают фертильность постепенно в течение взрослой жизни. У женщин снижение фертильности происходит более быстро, и она падает до нуля во время менопаузы. Но у разных видов разные последовательности и разные расписания. У некоторых видов фертильность возрастает во время большей части жизни, у других образует «отрицательное старение».

Например, черепаха Бландинга, вид коробчатой черепахи, распространенной на Среднем Западе Америки, взрослеет медленно в течение десятилетий, и она не растет, но ее фертильность продолжает увеличиваться. По-видимому, ее риск умереть также снижается с возрастом. С эволюционной точки зрения потеря фертильности — первична. С точки зрения естественного отбора, если вы не можете размножаться, то и жить вам незачем.

Нам кажется естественным разделить виды на живущих долгое и короткое время, смешать в кучу насекомых, живущих день, и отделить их от деревьев и китов, живущих сотни лет. Но большая часть этого различия может быть из-за размера. Все, от роста до размножения и старения, происходит медленнее в громадине с медленным метаболизмом и тоннами тканей, которые надо питать. Поэтому пчела, живущая двадцать лет, производит на нас большее впечатление, чем живущий двадцать лет лось.

Но предположим, что мы вообще уберем длину жизни из обсуждения и сравним разные виды на основе формы, а не продолжительности историй их жизни. Независимо от длины их жизни, для сравнения мы представляем их одинаковыми отрезками. Вместо того, чтобы спрашивать, сколько они живут, мы выясним, умирают ли их популяции постепенно, или многие из них умирают в младенчестве, а впоследствии — реже, или же все смерти происходят в конце жизненного цикла. График, опубликованный в Nature в 2014 году, именно это и показывает; и по этой схеме можно судить о широте изобретательности природы. Присутствуют все вообразимые комбинации: с быстрым старением, без старения, с обратным старением, соединенные с недельным, годовым, вековым временем жизни. Странные пары совершенно неожиданно оказались на схеме соседями. Например, в верхнем ряду схемы с низкой смертностью, резко поднимающейся к концу жизни, люди рядом с лабораторными червями и тропическими рыбами (гуппи)! На самом деле, по особенностям старения мы, люди, ближе к лабораторным червям, чем к шимпанзе.


На графиках вверху представлены различные способы того, как животные и растения стареют в природе. Светлая нисходящая линия на каждом графике — это кривая выживания, а жирная кривая под ней — фертильности. Нисходящий уклон линии выживания означает, что все меньше и меньше индивидов остается в живых с течением времени. Эти графики построены таким образом, что прямая диагональная линия нейтральна, она означает отсутствие старения. Линии, выпуклые над диагональю, представляют нормальное старение, а вогнутые под ней — обратное старение или «негативное старение». Например, линия людей долгое время остается плоской, а потом резко спускается. Это означает, что многие люди проживают весь жизненный цикл, и их смерти кластеризуются в возрасте 80 и 90 (статистические данные были зафиксированы для современной Японии).

Но для животных и растений в двух нижних рядах показатели смерти являются устойчивыми. Кривые черепах и дубов выравниваются. Это означает, что они реже умирают в старости, чем в молодости, что является обратным старением.

Жирная линия, представляющая фертильность, проста. Фертильность может увеличиваться при росте животного или растения в размере, или может снижаться с репродуктивным старением, например, с менопаузой. Заметьте, что все животные в верхнем ряду утрачивают фертильность задолго до смерти. Это создает эволюционную загадку1.

На этой диаграмме кривая выживания — прямая диагональ, совпадающая с отсутствием старения, например как у гидры или рака-отшельника. (Гидра похожа на пресноводную медузу длиной в полсантиметра, обитает в прудах.) Все животные в верхнем ряду демонстрирует «настоящее старение» — для них вероятность смерти увеличивается со взрослением. На следующих двух рядах расположены растения и животные, которые не стареют или стареют наоборот. В последнем случае, чем они старше, тем меньше риск смерти. Это характерно для большинства деревьев, и черепахи следуют этому же образцу, так же как моллюски и акулы (не представлены).

Нижняя жирная кривая — это фертильность. Животные в верхнем ряду перестают размножаться задолго до вероятной смерти. Это создает эволюционную загадку для ортодоксальных неодарвинистов: если единственная цель естественного отбора — максимизировать размножение, то почему тогда эволюция позволяет репродукции упасть до нуля, хотя многие после этого остаются в живых? Возрастающая кривая фертильности указывает на то, что размножение с возрастом увеличивается, что является другим видом отрицательного старения. Если задуматься о том, что дерево с каждым годом вырастает всё больше, неудивительно, что с возрастом оно производит больше семян. Испанский горный цветок, представленный в третьем ряду, — это Borderea pyrenaica, растущее на скалистых обрывах Пиренейских гор. Если его не тревожить, оно может жить до 300 и более лет без признаков старения: но заметьте, что фертильность не начинает развиваться до 20 лет.

Посыл этой диаграммы в том, что природа может делать со старением (или не-старением) все, что ей заблагорассудиться. Возможен любой масштаб, любая форма, и каждый вид изящно приспособлен к своим экологическим условиям. Без ограничений.

Мгновенное старение

В конце репродуктивного цикла старение и смерть могут происходить очень быстро. В природе скоропостижная смерть в пострепродуктивный период — обычное явление, затрагивающее самые разные организмы от поденки до осьминога и лосося, не говоря уже о тысячах однолетних цветковых растений. Подобный жизненный цикл биологи называют «семельпария» (от латинского «единовременный акт размножения»).

Причины смерти семельпарных организмов весьма разнообразны. Осьминоги просто перестают питаться. Самцы богомола идут на грандиозную жертву ради продолжения рода, принося себя в пищу самке-партнерше. Лосось разрушает свое тело ускоренным образованием стероидных гормонов.

К тому времени, когда взрослые особи лосося достигают места нереста, их метаболизм уже непоправимо нарушен. Надпочечники выбрасывают стероидные гормоны (глюкокортикоиды), которые вызывают ускоренное, почти мгновенное старение. Лососи перестают питаться. Более того, стероидные гормоны разрушают их иммунную систему, поэтому их тела полны грибковых заболеваний. Почки атрофируются, а соседние клетки (они называются межпочечными и связаны с синтезом стероидных гормонов) сильно увеличиваются. Также поражается и кровеносная система быстро стареющих рыб. В их артериях появляются повреждения, схожие, что интересно, с повреждениями, приводящими к заболеваниям сердца у стареющих людей. Плыть вверх по течению сложно, но их тела разрушаются не из-за машинального лавирования. Это происходит из-за последовательных биохимических изменений, на генетическом уровне запрограммированных начаться после нереста.

Некоторые организмы генетически запрограмированы не питаться после размножения и, в результате, умирать от голода; это быстрее и надежнее обычного старения. У взрослых поденок вообще отсутствуют рот и пищеварительная система. Слоны за свою жизнь разгрызают и размалывают так много стеблей и листьев, что изнашивают шесть комплектов зубов. Но после того, как испортится шестой комплект, новый уже не вырастает, и толстокожее животное умирает от голода.

Пчелиные матки не проявляют признаков старения. Это — удивительные, нестареющие существа.

Долголетие

В 2014 году фотограф Рейчел Сассман опубликовала иллюстрированную книгу о древних организмах под названием [http://nautil.us/issue/22/slow/what-a-9000_year_old-spruce-tree-taught-me-|«Старейшие в мире живые существа»] (The Oldest Living Things in the World). Все они были растениями. Одной из причин этого, по крайней мере, если сравнивать с подвижными животными, стало то, что растениям не нужно заботиться о наличии достаточно сильных для ходьбы мышц ног. Оставаясь на одном месте, растения способны стать больше, сильнее, жить дольше и быть куда более способными к размножению, чем любое животное. Они получают преимущество в плане долголетия.

У растений есть еще один секрет долголетия. В начале жизни развивающегося животного половые клетки, или зародышевая линия, отделяются от остального тела, или сомы. Необходимо сохранить без повреждений лишь зародышевую линию, которая станет потомством; с клетками сомы телу необязательно быть таким аккуратным, на них можно сэкономить время, пока они обновляются. Но у растений другая система. Их зародышевая линия и сома не разделяются. У растений, как и у животных, есть стволовые клетки, которые обеспечивают рост не только самого растения, но и семян и пыльцы, которые затем станут потомством. У деревьев стволовые клетки находятся в тонком слое под корой, который называется меристема. Меристема располагается во всех ветвях и побегах дерева и обеспечивает рост новых листьев, почек и семян. Возраст меристемы некоторых гинкговых — нецветковых деревьев, берущих свое начало в пермском периоде 270 млн лет назад, — может достигать миллиона лет.

Тем не менее, у большинства деревьев, похоже, наступает возраст, по достижении которого вероятность смерти растет с каждым годом. Волчки (побеги, развившиеся из спящей почки) начинают расти прямо из ствола дерева, в то время как рост наиболее удаленных от него веток замедляется. Есть некоторые свидетельства того, что с возрастом деревья становятся более уязвимыми к грибку и заболеваниям, но обычно старые деревья становятся жертвами механических опасностей, вызванных их огромными размерами. За множество десятилетий стало очевидно, что сама способность продолжения роста, дающая им возможность «обратного старения», в конце концов губит их.

Вечно молодая: «бессмертная медуза» возвращается в стадию полипа после нереста. Потом она снова вырастает. Фото: Чэнь Имин

Обратное старение

Бессмертная медуза Turritopsis nutricula хотя и не начинает ходить в детский сад с 65 лет, получила свои 15 минут славы, когда в 2010 году в научных статьях ее окрестили «бессмертной медузой». Взрослая особь Turritopsis унаследовала один ловкий трюк: после нереста она возвращается в стадию полипа и заново начинает свой жизненный цикл. Это достигается путем превращения зрелых клеток обратно в стволовые, что противоречит обычному направлению развития от стволовых клеток к дифференцированным — по сути, это движение назад по односторонней дороге развития. В заголовках Turritopsis называли «Морским Бенджамином Баттоном».

Жуки кожееды (Trogoderma glabrum) проделывают похожий трюк, но только когда могут умереть от голода. В течение своей жизни на туше в лесу кожеед проходит через шесть разных последовательных личиночных стадий: сначала как яйцо, потом как многоножка, и, наконец, как водомерка, прежде чем стать жуком с шестью лапами. В 1972 году двое энтомологов, работающих в Висконсинском университете, изолировали личинки на шестой стадии развития (прямо перед переходом в стадию взрослой особи) в пробирках и обнаружили, что без пищи они возвращались в пятую стадию личинки. Если их лишали еды на много дней, они уменьшались и проходили все стадии в обратном порядке, пока не превращались в только что выведенную личинку. Затем, если их снова начинали кормить, они снова проходили все стадии развития и становились взрослыми особями с обычной продолжительностью жизни. Позволяя им развиться до шестой стадии, а затем лишая их пищи, пока они не возвращались в первую стадию, ученые выяснили, что кожееды способны повторять этот цикл снова и снова. Этим они увеличили их жизненный цикл с восьми недель до более чем двух лет.

Древний вариант старения

Гидры — это радиально симметричные беспозвоночные, на переднем конце тела которых расположен рот, окруженный щупальцами, которые вырастают снова, если их отрезать — как монстр из греческой мифологии с множеством голов, в честь которого они и были названы. Их изучение, которое началось с собранных в естественных условиях особей разного возраста, длится уже четыре года, и, судя по всему, гидры не умирают самостоятельно и не становятся более уязвимыми перед хищниками и болезнями. В теле человека определенные клетки, такие как клетки крови, кожи и слизистой оболочки желудка, постоянно сходят и обновляются. У гидры так происходит со всем туловищем, которое каждые несколько дней обновляется за счет стволовых клеток. Некоторые клетки сходят и погибают; другие, если они достаточно большие, вырастают в клонов гидры, которые отпочковываются от туловища и живут самостоятельно. Это древний способ размножения, при котором не нужно спаривание. Гидрам необязательно заниматься сексом — для них это лишь удовлетворение прихотей.

В одной недавно опубликованной статье утверждается, что гидра все же стареет, а проявляется это в более редком клонировании. Автор статьи предполагает, что клоны гидры, возможно, наследуют возраст своего родителя. Гипотеза заключается в том, что возраст аннулируется лишь при половом размножении. Если это так, то старение гидры возвращает нас к протистам — микробам-предшественникам с более сложным, чем у бактерий, устройством. Некоторые из них имели ограниченную продолжительность жизни: они могли делиться до тех пор, пока у них не кончался репродуктивный газ — если они, конечно, не размножались через обмен генами (что-то вроде спаривания у протистов), что обнуляло их возраст. Амебы и микробы рода Paramecium — примеры этих самых протистов, одноклеточные из огромного рода, когда-то разросшегося до более чем 100 000 видов и включающего в себя морские водоросли, слизевые грибы, инфузории и другие организмы, не относящиеся к царствам животных, грибов, растений и бактерий.

Остановить старение

Пчеломатки и рабочие пчелы обладают одинаковыми наборами генов, но продолжительность их жизни сильно различается. Маточное молочко отключает старение пчелиной матки. Когда появляется новый улей, пчелы-кормилицы выбирают — насколько мы понимаем, на свое усмотрение — одну детву (личинка пчелы — прим. Newочём) и держат ее на жидкой королевской диете. Некая физиологически активная химическая «амброзия» в маточном молочке заставляет пчелу-счастливицу вырасти не рабочей пчелой, а королевой. Маточное молочко дарит пчеломатке чрезмерно развитые половые железы, которые придают ей выдающиеся размеры и форму. Королева совершает единственный полет в начале своей карьеры, во время которого она может спариться с десятком различных трутней, сохранив их сперму на предстоящие годы.

Отягощенная яйцами, выросшая пчеломатка, слишком тяжелая для полетов, превращается в машину для размножения. Она откладывает поразительное количество яиц: до двух тысяч в день, что больше, чем весит она сама. Конечно, такие репродуктивные привилегии требуют целую свиту из рабочих, которые будут кормить ее, убирать отходы и доносить ферромоны (химические сигналы) пчеломатки до остальных в улье.

Рабочие пчелы живут лишь несколько недель и потом умирают от старости. И их не просто изнуряют больные части тела или полеты в агрессивной среде. Мы знаем это, потому что закономерность их выживания определяется согласно знакомой математической форме: кривая Гомпертца — характеристика выживания, свойственная людям и многим другим животным, показывающая процесс старения. В то же время пчеломатки, несмотря на идентичность их генов генам рабочих пчел, не демонстрируют симптомов увядания. Они могут жить и приносить потомство годами, а иногда десятками лет, если улей здоровый и стабильный. Они — это безвозрастное чудо. Пчела-королева умирает только тогда, когда заканчивается сперма, которую она получила при своем венчальном полете. В такой момент она может продолжить откладывать яйца, но они будут получаться неоплодотворенными и из них могут вылупиться только трутни без жала. В таком случае те самые рабочие, которые ранее были при дворе, убивают истощенную монаршую особу. Они роятся вокруг ее и жалят до смерти.

Пострепродуктивная продолжительность жизни

Зачем нужна менопауза? Нам не безразличны наши дети и родственники, и мы продолжаем посвящать им свое время и силы даже после того, как они взрослеют и сами обзаводятся семьями. Именно поэтому типичное объяснение жизни, которая не прекращается после того, как прерывается период фертильности называется «гипотезой бабушки». Женщины генетически заинтересованы в том, чтобы их внуки выросли здоровыми. Может быть, в возрасте шестидесяти лет они привносят больше в копилку своего генетического наследия, ухаживая за внуками, чем рожая больше собственных детей. Эта гипотеза звучит убедительно по крайней мере в случае людей, но демографические исследования показывают, что статистической проверкой ее подтвердить сложно.

Киты и слоны также являются примерами организмов, чья жизнь продолжается и за пределами периода фертильности. И они тоже относятся к социальным животным. Так что, вероятно, для своих внуков они гораздо важнее, чем мы предполагали. Но в нашем графике присутствуют и другие животные, которые живут после репродуктивного периода. К ним относятся гуппи, водяные блохи, круглые черви, пиявки, и на фоне каждого из них любой безалаберный папаша будет казаться Мэри Поппинс. Они откладывают яйца, и этим их родительский долг исчерпывается. Никто из них не пошевелит крылом (или плавником), чтобы позаботиться о детях, что уж тут говорить о внуках. Но современная теория эволюции утверждает, что никакой естественный отбор не поддерживает их жизнь, и мы можем только ожидать их скорейшую кончину.

В 2011 году у меня и Чарльза Гуднайта возникла идея того, как продолжительность пострепродуктивной жизни может эволюционировать, и эта идея звучала довольно невероятно в теории, но когда мы проверили цифры, она действительно оправдала ожидания. Мы полагали, что более старый, «отживший свое» сегмент популяции служит для поддержания стабильности жизни популяции при циклах пищевого изобилия-голодания. Когда еды много, они поедают ее избыток и, тем самым, сдерживают рост популяции. Когда еда в дефиците, старики стоят первыми в очереди на смерть.

Природа богата манерами старения, что предполагает ее способность включать и выключать старение по желанию. Если этого не забывать, нас можно простить за чрезвычайный скептицизм при изучении теорий, которые предполагают обязательное существование старения. Чем бы наша теория старения не оказалась в итоге, она должна быть гибкой, разрешать многообразие и исключения.

Биолог-теоретик Джош Миттельдорф получил кандидатскую степень в Университете Пенсильвании. Он руководит сайтом AgingAdvice.org и ведет еженедельную колонку на сайте ScienceBlog.com. Миттельдорф был приглашенным исследователем и преподавателем в различных университетах, включая Массачусетский технологический, Гарвард и Беркли.

Дориан Саган — известный писатель, философ экологии и теоретик. Его эссе, статьи и отзывы на книги печатались в таких изданиях, как: Natural History, Smithsonian, Wired, New Scientist, and The New York Times и многих других.

Ссылки:
1. Взято из книги Дж. Миттельдоррфа и Дориона Сагана «Взлом код старения»©.

Иллюстрации: Нора Круг
Оригинал: Nautilus.

Перевели: Алина Халфина и Оля Кузнецова.
Редактировал: Евгений Урываев.