Воскресенье, 22.09.2019, 10:46
Старение: факты, гипотезы, модели
Лаборатория математического моделирования процессов старения
Приветствую Вас Гость | RSS
Меню сайта
Статистика

Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0
Главная » Статьи » Гипотезы старения

Эволюционно-генетическая (балансовая) теория старения
По практическим соображениям балансовая теория сформулирована в виде отдельных принципов; их число в случае детализации или обобщения можно несколько увеличить или уменьшить; в данном обзоре приведен более компактный вариант.

1. Продолжительность жизни складывается из дли­тельности роста и полового созревания, зрелости и ста­рости. Эволюционные закономерности, которые фор­мируются на каждом этапе, могут не совпадать. Макси­мальная продолжительность жизни белых крыс линии Вистар равна 3 годам, человека — немногим более 100 лет. Коэффициент, показывающий скольким годам жиз­ни человека эквивалентен один месяц жизни крысы, на разных этапах эволюции колеблется от 1,78 до 5,94 [18]. Временнáя раскладка онтогенеза человека показывает растянутое детство. Существует ли четкая тенденция эволюционного контроля за темпом роста и полового созревания? Г.И. Шпет [19] рассмотрел этот вопрос с привлечением сведений для большого числа биологиче­ских видов. По его данным, среди насекомых макси­мальную скорость роста имеют филогенетически моло­дые жесткокрылые, перепончатокрылые, двукрылые и чешуекрылые, в то время как тараканы, стрекозы и по­денки, являющиеся наиболее древними видами, растут медленно. Медленность развития и низкая плодовитость характерны также для древних рыб. Акула-катран, неко­торые осетровые достигают половой зрелости только к 12—18 годам, но в соответствии со своей филогенеческой молодостью быстрым ростом отличаются сельдеобразные. Рептилии растут более медленно по сравнению с эволюци-онно более молодыми птицами. Древнейшие из рептилий — гаттерии — достигают половой зрелости к 20 годам, тогда как репродуктивный возраст даже крупных птиц не превышает 12 месяцев. Представляет интерес сравнение среди млекопитающих насекомоядных с грызунами, по­скольку представители этих отрядов сходны по размерам и строению тела. Филогенетически более молодые грызуны растут и созревают быстрее насекомоядных. Серая крыса, домовая мышь, морская свинка приносят детенышей в возрасте 2—4 месяца, тогда как землеройка-бурозубка, еж, выхухоль созревают к 1—2 годам. Грызуны приносят по­томство два—пять раз за год, насекомоядные, как правило, не более одного раза.

Таким образом, имел место эволюционный переход от медленно растущих видов к быстро растущим, что сопровождалось укорочением относительной длитель­ности дорепродуктивного периода и при сопоставимых размерах тела снижением продолжительности жизни.

Увеличение интенсивности роста и темпа полового созревания на определенном этапе — магистральное направление эволюции. Однако процветающие виды могут иметь приспособления к своей экологической нише — фактор вторичного снижения темпов роста. Эволюционно молодые цикады отличаются медленным ростом, как и более древние тараканы; жук-олень дает рекордный пример замедленного развития, достигая половой зрелости только на шестом году жизни.

Наиболее значительное замедление темпов роста и увеличение продолжительности жизни характерны для эволюции гоминид; самая большая скорость этих сдви­гов (+ 14 лет за 100 тыс. лет эволюции) имела место 150—200 тыс. лет назад, когда завершалось формирова­ние Homo sapiens. Если говорить о современных млеко­питающих, то продолжительность жизни видов, зани­мающих крайние позиции, различается в 40—60 раз. Итоговый результат ускорения и замедления отражает для отдельного вида преобладание одной тенденции.

У 195 видов млекопитающих установлена корреля­ция продолжительности жизни с весом тела, коэффици­ентом цефализации (соотношение веса мозга и веса тела), длительностью беременности, возрастом полово­го созревания, числом детенышей в помете, числом пометов на протяжении жизни, самостоятельностью новорожденных, коллективностью образа жизни и с некоторыми другими показателями [20]. Вклад особи в следующее поколение определяется числом актов ре­продукции (которое пропорционально продолжительно­сти жизни) и числом потомков, производимых в одном репродуктивном цикле. Естественный отбор направлен на максимизацию каждого из этих параметров, однако их одновременная максимизация невозможна. Так, уве­личение размеров тела взрослой особи, снижающее вероятность гибели от случайных причин, сопровожда­ется увеличением размеров плода, вследствие чего воз­растает длительность эмбриогенеза, снижается число детенышей и общая плодовитость. Обратная корреляция между продолжительностью жизни и числом детены­шей в помете отражает итог переплетения генетических, физиологических, популяционных и экосистемных ме­ханизмов, потенциально противостоящих друг другу и «притирающихся» на компромиссной основе. Показа­тельно, что корреляция между числом потомков, рож­денных за всю жизнь, и самой продолжительностью жизни равна нулю. Это указывает на равенство млеко­питающих перед отбором (их одинаковую приспособ­ленность к условиям обитания в своих экологических нишах) безотносительно к длительности индивидуаль­ного существования. Короткоживущие мыши также хорошо приспособлены к условиям своего существова­ния, как и долгоживущие слоны. С другой стороны, примитивная ехидна, еще не испытавшая эволюционно­го «ускорения», и шимпанзе из «замедлившихся» при­матов имеют одинаковую продолжительность жизни (около 50 лет). Все это позволяет сформулировать п е р в ы й п р и н ц и п балансовой теории старения: механизмы, определяющие продолжительность жизни и плодовитость, могут функционировать надежно на любом уровне, совместимом с выживанием вида.

Эту дефиницию можно рассматривать как одну из формулировок концепции Кирквуда.

2. Если рассматривать совокупность особей в рамках популяции, то процессы, обеспечивающие выживание и направленные на сохранение численности особей, мож­но считать внутренней функцией, а репродукцию —


внешней. Сузив поле зрения до одной особи, понятие внутренней функции можно ограничить процессами, направленными на сохранение специфических качеств живого вещества, а любые проявления активности орга­низма, например охоту и репродукцию, отнести к внеш­ним функциям. Выживание особи и популяции (вида) опирается на единство этих жизненных отправлений. Проблема жизнеспособности — это проблема баланса между внутренними и внешними функциями. Клетка не может существовать без хаускиппинга (housekeeping, сохранение «домашнего хозяйства»), популяция (вид) — без размножения, а эволюция старения и продолжи­тельность жизни — проблема согласованности этих функций. Abrams и Ludwig [21], трактуя влияние стиму­лированной репарации на продолжительность жизни червя Paranais litoralis, приходят к определению старе­ния в рамках предлагаемой нами терминологии, а имен­но: старение «является результатом оптимального ба­ланса ресурсов между репродукцией и соматической репарацией». В настоящее время молекулярно-гене­тические подходы в известной мере заслонили надкле-точную, системно-физиологическую реализацию внут­ренних функций. Между тем эволюция «не сочла за труд» организовать такую эмбриональную акцию, как вынесение у млекопитающих семенников за пределы брюшной полости, что на 2—3 °С снижает температуру тела и соответственно частоту мутаций. Потовая железа — нефрон, вынесенный из почки в кожу — немаловаж­ное эволюционное приобретение, с которым связана общая терморегуляция организма. У человека она весь­ма совершенна — при угрозе перегрева организм выде­ляет в сутки до 16 л пота, так что выражение «человек потеющий» имеет почти столько же смысла, сколько выражение «человек разумный» [22].

Все энергетические процессы в организме идут с выделением тепла, что обеспечивает поддержание ста­бильной температуры тела. Концепция «темпа жизни» ставит старение и продолжительность жизни в прямую связь с работой метаболической машины. Соотношение между весом и поверхностью тела у мыши такое, что ее обмен энергии составляет 160 кал/г в день, тогда как у человека — 24 кал/г, а у слона — только 13 кал/г. В своей «топке» мышь сгорает быстрее слона. Вес и размер отра­жают наиболее важные характеристики организма, в том числе надежность внутренних и внешних функций: круп­ное животное медленнее «горит», имеет более низкую вероятность погибнуть от внешних причин и меньшую плодовитость. Соответствие (баланс) между надежностью внешних и внутренних функций устанавливается и под­держивается естественным отбором.

Еще в 1917 г. А.Н. Северцов [23] писал, что между доживанием особей до зрелости, выживанием взрослых и продолжительностью жизни существует взаимосвязь. Проявления ненадежности внутренних функций, повы­шающие смертность в дорепродуктивном возрасте, жестко устраняются отбором. Однако по мере увеличе­ния возраста особи эффективность отбора снижается. Во-первых, потому, что увеличивается число осуществ-

ленных актов репродукции и снижается ущерб от того, что какая-то из внутренних функций, став несовершен­ной, снизит репродуктивное сальдо. Во-вторых, по мере увеличения возраста снижается число особей, сумевших выжить в агрессивной среде, и становится малоперспек­тивным популяционный материал, на котором отбор может закрепить мутации, увеличивающие надежность внутренних функций. Рентабельность информационных и энергетических затрат на сохранение стабильности внутренних функций тем ниже, чем выше возраст, в котором эти затраты могут окупиться. Любое повыше­ние надежности внешних функций (т. е. увеличение до­ли особей, доживающих до старших возрастов) повы­шают эту рентабельность, любое снижение надежности внешних функций (т. е. уменьшение доли особей, дожи­вающих до старших возрастов) снижает ее.

Обобщая вышесказанное, можно сформулировать в т о р о й п р и н ц и п балансовой теории: темп старе­ния прямо пропорционален вероятности случайной гибели в естественных условиях обитания вида.

Отметим высказывание крупнейшего генетика Вейс-мана [24]: «...процессы отбора, при помощи которых возникает изменение продолжительности жизни, можно было бы даже точно вычислить, если бы были известны необходимые данные: физиологические силы тела и отношения к внешнему миру, т. е. степень вероятности в определенную единицу времени подвергнуться слу­чайной смерти». Обозначив «физиологические силы» как внутренние, а «отношения к внешнему миру» как внешние функции организма, получим тезис, соответст­вующий второму принципу балансовой теории.

3. Отбор всегда реализуется на материале, образую­щем экосистему. Так, репродуктивная функция бабуи­нов зависит от межвидовых конкурентных соотноше­ний, складывающихся в зоне их обитания. Эти соотно­шения — один из регуляторов распределения ресурсов на «поддержание», т.е. на внутренние функции, и на воспроизведение [25]. Множество примеров такого типа рассматривается в публикациях, посвященных концеп­ции Кирквуда (см. выше). Действуя на длительном от­резке времени, такие закономерности закрепляются в виде взаимных «приспособлений» сосуществующих видов. Например, соотношения размеров тела двух ви­дов, принадлежащих одной экосистеме, близки к кон­станте, несмотря на то что абсолютные размеры тела в разных парах такого типа варьируют [26]. При одинако­вых размерах тела стабильное существование пары хищник—жертва возможно только при более медлен­ном достижении половой зрелости хищника [27]. Такие различия направлены на оптимальное (с точки зрения надежности экосистемы — сбалансированное) распре­деление видов по экологическим нишам.

Отсюда следует тр е т и й п р и н ц и п балансовой теории старения: сопряженная эволюция видов способст­вует рассеиванию точек баланса между надежностью внешних и внутренних функций, что проявляется в диф­ференциации видов в пределах экосистемы по плодовито­сти, темпу старения и продолжительности жизни.


Возвращаясь к концепции Кирквуда, напомним, что использование ресурсов в разных пропорциях внутри одного вида зависит от давления среды обитания; меж­видовые колебания отражают «экосистемный баланс точек внутривидового балансирования».

4. Синица в домашних условиях живет до 9 лет, но на воле, в природных условиях в течение года погибают 3/4 взрослых особей. Потенциал долголетия европей­ской малиновки — 12 лет, однако в природных услови­ях ежегодно погибает 2/3 взрослых особей. Для пони­мания эволюции старения важно, что в естественных условиях для многих видов характерна малозависящая от возраста смертность, т.е. гибель исключительно или преимущественно от внешних причин. Млекопитающие, а на определенных этапах своей истории и человек, не выпадают из этого правила. На тех, кто прожил 40 и более лет, в одном из захоронений позднего палеолита (Тафоральтская пещера в Марокко) приходится не более 1 % скелетов. Изучение останков американских индей­цев арикара (датировка захоронения 1750—1785 гг.) показало, что только 4% прожили 50 лет и более.

Таким образом, старость и связанная с нею смерть не имеют места в жизненном цикле многих видов в естественных условиях, для некоторых — реальны, но не часты. Вследствие этого старшие возрастные перио­ды спрятаны в «эволюционной тени» и мало доступны для «очищающего» естественного отбора. Наличие «эволюционной тени» делает возможным активное за­крепление факторов, усугубляющих спонтанный возрас­тной износ организма. Представление об этом восходит к геронтологическим взглядам И.И. Мечникова. В его интоксикационной гипотезе старения обсуждаемая кон­цепция заложена очевидным образом: эволюция приве­ла к значительному развитию у млекопитающих толсто­го кишечника, будучи «заинтересованной» пользой от этого анатомического образования и «пренебрегая» его способностью приносить «гнилостный» вред. «Плюс-компонент» («полезные» мутации) предназначается особям молодого и зрелого возраста (и является селек­тивной реальностью), а «минус-компонент» («вредные» мутации) адресуется старшим возрастам (и является малореализуемой потенцией, поскольку до этих возрас­тов доживают единичные особи). Новую волну интереса к этой идее вызвала концепция Медавара—Вильямса [28, 29], завершенность которой придал Хэмилтон [30]. В современном толковании этой концепции централь­ным является представление о плейотропии, под кото­рой понимается влияние одного наследственного фак­тора (гена) на несколько признаков.

Рассмотрим судьбу мутаций, плейотропные эффекты которых различны (благоприятны, нейтральны, небла­гоприятны) и разобщены во времени (проявляются в младших или в старших возрастах). Мутации, дающие селективное преимущество молодым особям, закрепля­ются отбором; два их типа («плюс/минус» и «плюс/ноль») приводят к тому, что жизнеспособность и/или плодовитость в старших возрастах ниже, чем в

младших возрастах. В этом случае, опираясь на «плюс-компонент», эволюция активно работает на формирова­ние старости. Реалистический подход подводит к кон­цепции, согласно которой плейотропные эффекты мута­ций возникают не в разграниченных, а в перекрываю­щихся возрастных группах; важно, что неблагоприят­ный эффект проявляется позже.

Если ограниченная устойчивость жизненных функ­ций — кардинальное свойство биологического «микро­мира», если конфликт, неуправляемость стихий и на­сильственная смерть — кардинальное свойство биоло­гического «макромира», то стратегия жизни заключает­ся в том, чтобы «заслонить» одно разрушение другим и минимизировать ущерб. Такая стратегия позволяет эко­номить ресурсы, оттесняя эффекты «вредных» мутаций на старшие возраста, до которых доживают немногие.

Этот процесс осуществляется не «для чего», а «почему»: потому что плейотропная мутация, благоприятный (с точки зрения дарвиновской приспособленности вида) эффект которой проявляется в младших, а неблагоприятный — в старших возрастах, вытесняет дикий ген, так что обуслов­ленный ею фенотипический эффект переходит в число базисных характеристик вида. Если оба эффекта плейо-тропной мутации — благоприятный и неблагоприятный — реализуются одновременно, отбор приводит к их разобще­нию, при помощи генов-модификаторов отодвигая «минус-компонент». Движущие силы таких преобразований не всегда равноценны, и тогда плейотропная мутация, не пол­ностью вытесняя дикий ген, фиксируется в генофонде с определенной частотой. Возникает балансированный гене­тический полиморфизм (этот термин, созвучный и по су­ществу близкий другим позициям эволюционно-генетической теории, является давним приобретением популяционной генетики, в общем случае не касающейся геронтологических проблем).

Таким образом, на основании существования плейо-тропии можно сформулировать ч е т в е р т ы й п р и н -ц и п балансовой теории: старение есть следствие закрепления мутаций, увеличивающих приспособлен­ность молодых особей; антагонистическая плейотро-пия — одна из предпосылок этого процесса.

5. Гипотеза о запрограммированной (адаптивной) смерти, предложенная Вейсманом, является отражением идей об организации живых систем, связанной с их одно-или многоклеточным строением. Многоклеточные орга­низмы, у которых половые клетки отделены от соматиче­ских, в принципе могут жить или умирать без вреда для популяции (вида). Однако «вечные» животные конкури­руют с молодняком, «заедают век детей и внуков» и в конце концов уничтожают «прогресс». В отсутствие за­программированной смерти возникает перенаселенность, поэтому программа саморазрушения организма — неиз­бежный регулятор численности популяций.

Аргумент о перенаселенности за счет нестареющих и неумирающих особей строится на подмене понятий: отсутствие запрограммированной смерти уподобляется отсутствию смерти вообще безотносительно к ее причи-


нам. Между тем ограниченные ресурсы питательных веществ, болезни и взаимодействия типа хищник— жертва эффективно кoнтpoлиpyют численность популя­ций. Главная «забота» диких животных и первобытных человеческих популяций — контроль за тем, не сменя­ются ли поколения слишком успешно, грозя вымирани­ем. Эти аргументы не опровергаются попытками пере­формулировать гипотезу Вейсмана в понятиях молеку­лярной биологии [31] или постулировать конкретные механизмы предполагаемого самоуничтожения [32, 33].

Таким образом, постулат о запрограммированной (адаптивной) смерти следует рассматривать не как обя­зательность, а только как возможность такой смерти. В определенных условиях формирование программы са­моразрушения возможно. Дело в том, что повышение выживаемости в младших возрастах за счет ее снижения в старших — только одно из следствий существования «эволюционной тени». Не менее эффективным с точки зрения приспособленности вида может быть увеличение плодовитости в младших возрастах за счет снижения в старших. Представим себе биологический вид, для ко­торого в силу большой вероятности случайной смерти характерно резкое снижение численности выживающих особей, причем размножение и родительское поведение повышают вероятность смерти. В таких условиях веро­ятность доживания до второго цикла репродукции очень мала. Признаками, на которые будет действовать есте­ственный отбор, станут: 1) увеличение репродуктивного потенциала за счет еще большего переключения жиз­ненных ресурсов на размножение; 2) выработка приспо­соблений, увеличивающих вероятность доживания до второго, третьего и т.д. циклов репродукции. В конеч­ном итоге будет реализована одна из двух стратегий: однократное или многократное размножение.

Сила естественного отбора определяется различием между максимальным (ожидаемым) и реализованным вкладом в следующее поколение. Эта величина велика в дорепродуктивном периоде и стремится к нулю по мере уменьшения числа выживших особей и увеличения числа завершенных актов репродукции. Это значит, что с увеличением возраста эффективность естественного отбора для повторно размножающихся видов снижается постепенно, а для однократно размножающихся — рез­ко. В первом случае после очередного акта репродукции особь имеет ненулевую вероятность дожить до следую­щего (и ненулевую репродуктивную ценность), во вто­ром — первая репродукция полностью «обесценивает» особь. В первом случае каждый акт репродукции явля­ется одним из многих и не может служить сигналом на включение программы саморазрушения, во втором — репродукция есть уникальное событие, которое может выполнять роль сигнала. Неудивительно, что сторонни­ки гипотезы о запрограммированной смерти в качестве главного аргумента приводят биологические особенно­сти однократно репродуцирующих видов (монокарпиче-ских растений, некоторых насекомых и погибающих после первого нереста рыб). Однако возможная выгода от устранения родительского поколения не определяет-

ся только однократностью размножения и зависит от иных особенностей вида. Если бы обессиленные мигра­цией косяки кеты оставались на месте нереста и конку­рировали с молодью за пищу, имея минимальные шансы еще раз проделать маршрут река—океан—река, запро­граммированное устранение взрослых особей могло бы быть выгодным для вида. Адаптивная выгода может заключаться не только в устранении, но и в сохранении пострепродуктивных особей. Эту возможность в свое время обсуждал И. И. Мечников на примере одиночной пчелы, самка которой после первой и единственной кладки яиц не умирает, а продолжает жить и ухаживает за потомством. По-видимому, жизненный цикл лосося оказал слишком большое влияние на геронтологию. О том, что сопряженность размножения и гибели в единой программе «смена поколений» отражает не стратегиче­ский, а только оперативный уровень эволюционного контроля продолжительности жизни, свидетельствует биология атлантического лосося [34], для которого ха­рактерна пластичность (изменчивость) онтогенеза. Так, самки и самцы могут достигать половой зрелости в возрасте и 1 года, и 3—4 лет, причем оба типа особей уча­ствуют в размножении более одного раза. Австралийская сумчатая мышь рода Antechinus иллюстрирует тактику однократного размножения, необычную для наземных животных: ее пострепродуктивное старение занимает не­сколько недель, что делает это животное уникальным для геронтологических исследований [35]. В любом случае стиль репродукции и родительское поведение согласованы с продолжительностью жизни (и «стилем умирания») в соответствии с первым принципом.

Итак, п я т ы й и ш е с т о й п р и н ц и п ы балансо­вой теории можно сформулировать следующим обра­зом: у повторно репродуцирующих видов старение сопряжено с эволюционным закреплением плейотроп-ных эффектов и не свидетельствует об адаптивности (запрограммированности) смерти; однократное раз­множение делает возможным формирование генети­ческой программы саморазрушения, связанной со спе­циализацией вида и не отражающей общей эволюцион­ной стратегии.
 
Полностью в файле

"Эволюционно-генетические механизмы старения"

Категория: Гипотезы старения | Добавил: avpisaruk (08.10.2009)
Просмотров: 2453 | Рейтинг: 3.5/2 |
Всего комментариев: 0
Имя *:
Email *:
Код *:
Форма входа
Поиск
Ссылки
  • НИИ геронтологии
  • Геронт. эксплорер
  • Геровитал
  • Элементы
  • Мой компас
  • Старение.ru
  • Биомолекула.ru
  • Copyright MyCorp © 2019Бесплатный конструктор сайтов - uCoz