Старение — программа
«Выживает сильнейший,» — иногда пафосно заявляют всякие «хозяева жизни», перевирая исходное значение мысли Дарвина.
«Выживает наиболее приспособленный,» — имел в виду Дарвин, разъясняют нам эволюционные биологи.
Приспособленный к чему? К максимальному воспроизводству в текущих условиях. Кто же этот «приспособленный»? Отдельный человек или кролик? Нет, конечно. Особь не выживет по-любому. Выживает тот коллектив генов, который создал самого «приспособленного» кролика. Такого, который обскачет собратьев в обеспечении своим генам максимального выживания путем создания как можно большего количества их копий.
А что такое «максимальное выживание»? По какому параметру будем максимизировать? «Это уже на ваш вкус,» — говорит нам Теория игр. Хотите локальный максимум ваших копий в отдельный момент времени? Получите, распишитесь. Только не жалуйтесь, что ах, как счастье быстротечно, после того как вымрете от исчерпания ресурсов.
Хотите жить долго и счастливо? То есть максимизировать площадь под кривой ваших копий во времени? Тогда будьте добры научиться контролировать потребление ресурсов вашими репликаторами или хотя бы наделите их скиллами по пережиданию длительных периодов неблагоприятных условий. А лучше и то, и другое.
Но самый шик — отрастить им интеллект, чтобы они сами за вас начали контролировать свою популяцию, планировать потребление своих ресурсов, да ещё и придумывали более и более эффективные способы эти ресурсы добывать. Такие репликаторы могут наплодить целых 7,5 миллиардов ваших генных кооперативов по 30–40 триллионов копий каждый. Для бактерий это, конечно, смехотворные цифры, но для эукариотов вполне себе показатель.
Правда, интеллект растить долго, да и есть шанс не дорастить, говорят нам неандертальцы. Всё так: если ты как молодой, дерзкий стартап-кооператив решаешь методом «триллион макак на печатных машинках» закодить в своих репликаторов умение думать, то до тех пор, пока твой код не готов к продакшн релизу, приходится популяцию этих самых бета-репликаторов самому ещё и контролировать. А то другая сабрутина под названием плодитесь_и_размножайтесь () того и гляди норовит услать в /dev/null все твои усилия. Поэтому кооперативу «Гены и сыновья» и пришлось сначала отточить умение не давать своим созданиям вымереть или сильно размножиться. Для чего он сначала накодил механизмы контроля притока и оттока популяции. Научившись контролировать приток особей через выключение репродукции, а отток через феноптоз — либо резкий как у лосося, либо плавный как у нас с мышкой.
Запрограммирована ли смерть у тихоокеанского лосося? Думаю, почти любой, кто в теме, признает, что да. А вот насчет того, запрограммирована ли она у нас, идут жаркие дебаты.
Это страшное слово — «программа»
Что отличает программу от непрограммы? Тут всё очень просто. Программа — это когда изменения происходят специально. Непрограмма — когда стохастически, случайным образом.
Ведь никто не утверждает, что эмбриогенез случаен. Или что половое созревание — стохастический процесс. Нет, всё четко запрограммированно: этапы, сроки. И именно поэтому мы не наблюдаем единичных половозрелых младенцев или 80-летних рожениц, как должны бы были, если бы это были случайные процессы. И если природа старения случайна, то почему одни виды животных живут несколько дней, а другие — сотни лет? Ведь для схожих случайных процессов свойственны и схожие статистические распределения их результатов. Но почему-то параметры этих распределений сильно разнятся даже для таких близких родственников, как мышь (2–3 года жизни), белка (10–12 лет) и голый землекоп (30 лет):
Более того, у социальных животных срок жизни может отличаться на порядок даже у близнецов с идентичной ДНК. Матка живет в 20–40 раз дольше, чем рабочая особь.
Наряду с этим мы знаем, что у очень разных видов есть общие молекулярные механизмы старения. Что у червей, что у млекопитающих — например, пресловутый каскад инсулиноподнобного фактора роста (ИФР-1), который сначала помогает организму созревать, а потом умирать. При этом скорости старения очень разные: нематода живет 2–3 недели, а мышь 2–3 года. И это тоже плохо сочетается с гипотезой случайной природы возрастных изменений.
При этом все геронтологи согласны с тем, что в нашем организме с возрастом снижается способность починки повреждений и очистки от мусора. И что именно это снижение ведет к накоплению и того, и другого, и в конечном счете к смерти — то есть все согласны, что этот процесс деградации является главной причиной нашего старения.
Единственный камень преткновения — случайно ли это возрастное снижение или целенаправленно? Мне кажется, что все данные указывают на то, что роль случайности в этом процессе минимальна. Мы видим, как организм целенаправленно с 15 лет уничтожает наш тимус, с 25 — наш мозг, с 45 — наши мышцы, а с 60 — наши кости. И те же процессы, только ускоренные в 20–30 раз, мы наблюдаем даже у мышей. И поверить в то, что все они случайны, очень сложно.
Где гены старения? Кто этим процессом управляет?
Я уже писал про главный механизм управления и синхронизации важных процессов в организме — эпигенетику. С возрастом у всех она меняется одинаково — «эпигенетические часы» отлично предсказывают наш биологический возраст, и то, что периодический откат этих эпигенетических часов факторами Яманаки продлил жизнь мышам, для меня эту гипотезу подтверждает.
Кто этим часам задает ритм и гонит их вперед? Скорее всего, наш мозг. А точнее, гипоталамус с гипофизом, основываясь на циркадных ритмах от шишковидной железы. Вот интересное исследование, показывающее как стресс через кортикостероидные гормоны вызывает у 5-летних детей эпигенетические изменения, схожие с теми, что мы видим при обычном старении. Кто кортизол вырабатывает? Ось гипоталамус-гипофиз-надпочечники. И приведенное исследование хорошо подтверждает роль эпигенетики в выполнении программы старения — стресс ее ускоряет, факторы Яманаки откатывают.
Причем мы видим насколько схожи эти процессы у всех организмов. Примитивная нейроэндокринная система есть еще у нематод — по сути, зачатки оси гипоталамус-гипофиз-гонады. И именно эта ось контролирует их рост и развитие. Она же при нехватке еды включает режим нестарения — дауэрную стадию, в которой нематода может находиться месяцами, а потом опять включает процесс роста, и червь созревает, размножается и умирает за свои стандартные несколько недель.
Кстати, помните вышеупомянутый каскад инсулиноподобного фактора роста (ИФР-1)? Вот это тоже один из генов старения. У нематод он называется daf-2. Его нокаут (удаление) продлило жизнь нематодам в 10 раз, а мышам — в 2. И этот каскад очень эволюционно стар, прям суперстар (сорри) — он есть и у дрожжей, и у нематод, и у нас.
При этом, конечно же, мы пока до конца не понимаем всех механизмов этих процессов. Если (вернее, когда) поймем, то все дебаты о природе старения будут разрешены. На вопрос «где программа» будет однозначный ответ: вот она, гены такие-то, механизмы их контроля такие-то, вводные параметры — вот, алгоритм такой-то.
Как проверить гипотезу запрограммированности старения?
У меня здесь весьма простой и прикладной подход: если гипотеза программы старения позволит нам это старение остановить или хотя бы продлить нашу жизнь в 10 раз, мне этого будет более чем достаточно. Пока никакие другие гипотезы не нашли средств продления жизни лучше чем голодание, причем для приматов оно малоэффективно.
Еще гипотеза: если старение — это программа, у неё должны быть какие-то ключевые механизмы, варьирующие главный параметр программы — продолжительность жизни. Влияя на эти механизмы, мы должны видеть влияние на результат программы. Что нам и демонстрируют результаты продления жизни в разы с помощью нокаута генов развития/старения на нематодах и мышах.
Как эволюция оттачивала механизмы старения?
Не знаю, свечку не держал. Выскажу лишь осторожное предположение, что миллиарды лет назад, старения, скорее всего, не было. Как его не наблюдается, например, у вирусов. Но в какой-то момент оно возникло у одноклеточных и дало им преимущество в выживании путем предотвращения их вымирания из-за перенаселения (или еще какими-то путями). Мы знаем два таких механизма старения у одноклеточных — апоптоз и теломеры. Причем эти механизмы отлично показывают действие группового отбора — для каждой отдельной клетки ограничивать свое деление или самоуничтожаться явно не помогает выполнять задачу воспроизводства. А вот их генам очень даже помогает.
Когда же возникли многоклеточные, война между отбором на уровне особи и отбором групповым получила новый виток. Групповой отбор поощрял новые и новые механизмы старения, а индивидуальный отбор пытался их взломать.
И за сотни миллионов лет те виды, у которых не было достаточно прочных механизмов защиты от взлома, свою программу старения обходили, закрепляли гены этого взлома в своей популяции из-за давления отбора на индивидуальном уровне, которое, конечно же, сильнее давления отбора группового (так как репродуктивное преимущество особи от продления жизни реализуется гораздо быстрее наступления негативных последствий этого преимущества для всей популяции). Но в итоге эти виды, когда это преимущество уже закреплялось в генах достаточно большого количества особей, вымирали из-за голода, вызванного перенаселением, от которого такой вид страдал хотя бы один раз в течение миллионов лет эволюции. А избежали вымирания только те виды, в которых групповой отбор закрепил достаточное количество дублирующих механизмов старения, и те, которые научились пережидать «голодные времена» в виде спор или «затаившихся яиц» как нестареющая гидра.
Кстати, разнонаправленное действие (антагонистическая плейотропия) ИФР1 — это как раз тот механизм, который позволяет программе старения оставаться в популяции. Причем механизм очень хитрый, потому что этот ген дает эволюционное преимущество особям на ранних стадиях развития — быстрый рост, — что закрепляет его в популяции, в обмен на то что эти быстро размножающиеся особи остаются смертными.
При этом такая разнонаправленность ИФР-1 не является какой-то неизбежностью и не вызвана каким-либо физическим законом. Эволюция могла бы без неё отлично обойтись, если бы у неё не стояло задачи не допускать перенаселение. Ведь сцепка быстрого роста со старением накладывает явные ограничения для плодовитости каждого отдельного индивидуума. И те особи, которые смогли бы эту сцепку разорвать, получили бы явное эволюционное преимущество в воспроизводстве.
Неужто эволюция не смогла бы за миллиарды лет отвязать гены полового созревания от их негативных проявлений в виде инволюции тимуса и других проявлений старения? Ведь она смогла изобрести сногсшибательные вещи — сначала из одноклеточных сделать многоклеточных, потом рыб выгнать на сушу, научив их дышать воздухом, а затем некоторых еще и научить летать. Смогла создать огромных динозавров и китов, а также много других совершенно фантастических форм жизни и экосистем. Но при этом у подавляющего большинства ее созданий одна и та же сцепка между генами полового созревания и старением: хоть у нематоды, хоть у человека. Куда более правдоподобно, что эволюция эту сцепку разрывать активно «не хотела», а не «не могла».
И да, у подавляющего большинства видов, но не у всех. Есть виды, у которых нет прямой зависимости между плодовитостью (а это главный критерий результативности генов развития) и старением. У кого-то плодовитость с возрастом только возрастает:
Где палеонтологические доказательства вымерших бессмертных видов?
А как могли бы выглядеть такие палеонтологические доказательства? Как отличить окаменевшие останки бессмертного организма от смертного? Тем более что старение возникло, скорее всего, ещё в одноклеточных, как мы видим на дрожжах. И, кстати, одноклеточное старение и есть косвенное палеонтологическое доказательство.
Ну и на правах гипотезы: 252 миллиона лет назад, на земле вымерло около 90% всех видов. Одна из возможных причин этой катастрофы — взрывной рост одноклеточых бактерий, уничтоживших одно из базовых звеньев в экологической пирамиде. Ведь при вымирании целого звена экологической пирамиды, всё, что над этим звеном в пирамиде находится, тоже рискует вымереть. И таких катастроф на Земле было несколько:
Разве эволюция не могла бы просто изобрести бессмертный вид, который не вызывает перенаселение?
Прежде всего, драйвером эволюции являются всё же гены, а им, грубо говоря, наплевать, множим их мы или наши потомки. При этом пути эволюции неисповедимы — могло пойти так, могло эдак. Могли мы уметь летать и дышать азотом? Может, и могли бы. Но и так неплохо получилось.
Кстати, эволюция, быть может, уже смогла изобрести такой «бессмертный» вид — это любимая геронтологами гидра, которая не стареет. Но для этого ей пришлось научиться криптобиозу (пережидать голодные времена), а также размножаться и половым путем, и почкованием. Когда еды много, гидра клонирует себя почкованием. А когда мало, она отращивает себе либо мужские, либо женские половые органы, и занимается любовью, оставляя оплодотворенные яйцеклетки ждать лучших времён на дне океана. Вот таким образом она научилась пережидать неблагоприятные условия — родители могут умереть от голода, но дети голод переждут, так как их развитие заморожено до наступления лучших времен. Точно как дауэрная личинка нематоды.
А ещё один вид на пороге бессмертия — это мы, Homo Sapiens. Только чтобы научиться не вымирать от перенаселения, нам надо было сначала отрастить себе мозги, а потом с их помощью придумать культуру и общество, да ещё и научно-технический прогресс, который обеспечит нас техническими возможностями не умирать от истощения ресурсов при любой популяции. То, что мы сломаем эту дурацкую программу старения, у меня сомнений не вызывает. Вопрос времени.
И очень хотелось бы, чтобы это произошло не через 50 лет, а через 20. Но что-то Человек разумный пока не разумеет, что в этом вопросе промедление смерти подобно.
