При случае спросите какого-нибудь австралийца о падающих медведях (Thylarctos plummetus). Вы увидите, как его брови нахмурятся, лицо посуровеет, глаза помрачнеют: падающие медведи – это не шутка. Близкие родственники коал, они имеют с этим видом много общего, включая преимущественно древесный образ жизни и сходный ареал на востоке Австралии, но они заметно крупнее, с более рыжим мехом. Есть и три других важных отличия. Во-первых, в то время как коалы питаются главным образом листьями, падающие медведи исключительно плотоядны. Нападения на людей случаются редко, но, хотя смертельных случаев пока не зафиксировано, возможны серьезные травмы, не в последнюю очередь потому, что метод охоты этого животного – как указывает его название – бросаться на добычу с дерева, и удар может вызвать сотрясение мозга, шок и даже повреждение позвоночника. Чаще всего нападают на ничего не подозревающих иностранных туристов, и эта любопытная статистика, как предполагается, отражает общие различия в питании между австралийцами и приезжими: первые потребляют много богатой солью дрожжевой пасты Vegemite, которая придает им специфический запах, отпугивающий хищников.
Во-вторых – и я думаю, вы уже это поняли, – падающих медведей не существует. Неясно, с каких пор бытует этот образчик австралийского фольклора, возможно, ему не одна сотня лет, пусть даже в наше время он и служит в основном для того, чтобы пугать туристов. Есть предположение, что это сохранившиеся в фольклоре отголоски древней памяти предков о еще более крупном (и вполне реальном) хищнике Thylacoleo carnifex, известном также под названием «сумчатый лев». T. carnifex давно вымер, хотя и не настолько давно, чтобы не пересечься во времени – на более чем десять тысячелетий – с первыми людьми, появившимися на территории Австралии. Строение тела этого стокилограммового хищника позволяет предположить, что он легко мог лазить по деревьям, а мускулатура его челюстей свидетельствует о том, что он без проблем убивал самых крупных млекопитающих своего времени, включая человека.
Однако более вероятно, что рассказы о падающих медведях появились уже после европейской колонизации – основой им послужил забавно утрированный рассказ о падении с дерева коалы, который, по-видимому, приземлился на какого-то человека или рядом с ним. Коалы действительно падают с деревьев, но вот вам и третье различие: падающие медведи делают это специально, а коалы только случайно. При этом они раскидывают лапы, чтобы максимально увеличить площадь тела при ударе о землю, и часто остаются невредимыми, даже упав с высоты 20–30 м. У коал случаются переломы, но они, по-видимому, удивительно хорошо срастаются. По этой причине – и потому, что они вообще хорошо умеют держаться за ветки, – падение с деревьев далеко не главная причина смертности среди коал; сомнительное первенство в этом принадлежит ДТП и хламидиозу, но те счастливчики, которым удается избежать этих бед, как и падений с дерева, все-таки не доживут до старости. Они умрут от голода из-за потери зубов. Приходится сделать вывод, что коалы каким-то образом эволюционировали так, чтобы терять зубы до того, как они перестанут в них нуждаться. Но в этом нет никакого смысла.
Коалы довольно привередливые едоки. Обитая в самых разных лесах на востоке Австралии, они тем не менее предпочитают жесткие и не особо питательные листья деревьев рода Eucalyptus. Их нужно долго и тщательно жевать, чтобы желудок смог извлечь из них что-то питательное. К счастью, зубы коалы отлично подходят для этой задачи, но, к сожалению, они в конечном итоге снашиваются и на новый комплект не замещаются. Особи со стертыми зубами могут отчасти компенсировать это, съедая больше пищи и тратя больше времени на пережевывание, но у обоих решений есть свои ограничения, и такие коалы, по сути, живут в долг. Если вскрыть желудок умершего от голода коалы, там окажется большой комок из кусочков листьев, слишком крупных, чтобы их переварить. Еда повсюду, а есть нечего.
Похожая проблема с износом зубов и голодной смертью есть и у слонов, хотя эти самые крупные сухопутные животные на первый взгляд счастливее коал. Как и у большинства млекопитающих, у коал за всю жизнь зубы меняются лишь один раз (да и то не все)[67], тогда как у слонов сменяются шесть наборов зубов[68]. Не считая бивней, у слона одновременно есть лишь четыре зуба, по одному с каждой стороны каждой челюсти, и по мере того, как зуб стирается от постоянного пережевывания, позади вырастает новый. На первый взгляд слоны имеют преимущество перед коалами, но на самом деле вовсе не очевидно, какое из этих двух столь разных животных находится в менее выгодном положении (чтобы определить это, нам понадобится выяснить, сколько проживут те и другие при нереалистичном сценарии, когда зубы вообще не снашиваются). Это всего лишь размышления, ясно одно – конкретному слону или коале было бы лучше, если бы стертые зубы заменялись по мере необходимости, а не ограниченное число раз. Но такого не бывает.
Это кажется странным. Тот факт, что другой тип твердой ткани (костной) обладает способностью восстанавливаться, причем у всех животных, говорит о том, что организм в принципе может восстанавливать твердые ткани и что это эволюционно выгодно (а следовательно, выживание отдельной особи полезно). Так почему зубам не уделялось со стороны природы столько же заботы и внимания, как костям? Или хотя бы почему они не такие прочные? Острые края резцов бобра укреплены железосодержащими соединениями[69], так что по крайней мере технически возможно, что и у другого вида могла появиться подобная адаптация. Однако, по всей видимости, что-то не дает этому осуществиться, и здесь есть лишь две возможности. Одна состоит в том, что необходимые мутации просто не появились ни у кого, кроме бобров, но стоит им появиться, и они закрепятся. Вторая – что увеличение приспособленности, получаемое за счет укрепления зубов, было бы пренебрежимо мало и что в конечном итоге естественный отбор на самом деле поощряет медленную смерть от голода у коал, слонов и многих других животных. Может ли это быть правдой?
Мы говорим здесь конкретно о зубах, но точно так же могли бы обсуждать любой аспект физиологии, который с возрастом ухудшается, – иными словами, мы говорим о старении. Все животные стареют – мы знаем это и принимаем как неизбежный факт жизни (с той или иной степенью хладнокровия), но на самом деле нам стоило бы поинтересоваться, почему это происходит, ведь, если подумать, это вовсе не очевидно. Зачем, в конце концов, естественный отбор допускает смерть с таким трудом отвоеванного тела – тела, которое пережило хищников, конкуренцию и всевозможные иные трудности, которое доказало свою ценность как репродуктивный сосуд, проделало все, чего от него требовали его генетические инструкции, – и вот так бросить его гнить? Старение кажется нам естественным лишь потому, что хорошо нам знакомо; для тех, кто изучает эволюционную биологию, это вопрос, требующий убедительного ответа.
Ответ на него можно дать, рассматривая процессы на многих системных уровнях, начиная непосредственно с клетки и продвигаясь вверх по лестнице сложности, но здесь мы сосредоточимся на итоговом вопросе, почему старение логично с эволюционной точки зрения, вместо того чтобы разбирать, какие процессы при этом происходят в организме. Хорошей отправной точкой нам может послужить идея британского биолога Питера Медавара о том, что «сила естественного отбора ослабевает с возрастом», которую он высказал в работе 1952 г. Мы уже убедились, что давление естественного отбора неодинаково и что оно может различаться у разных видов (например, давление отбора, способствующего увеличению скорости бега, сильнее у газелей, чем у гепардов) и у разных полов одного и того же вида (так, давление отбора на размер раздуваемых мешков у самцов шалфейного тетерева не действует на самок); теперь нужно уточнить, что давление отбора может варьировать по силе на протяжении жизни особи.
У вас, что вполне закономерно, могут появиться два вопроса: во-первых, почему сила естественного отбора с возрастом ослабевает? И во-вторых, почему это может способствовать эволюции старения[70]. Рассмотрим эти вопросы по порядку. В первой главе мы отмечали, что чем выше цена приспособленности при любом сценарии (например, если невозможно найти пищу или брачного партнера), тем сильнее давление отбора, направленного на то, чтобы этого сценария избежать; давайте также вспомним, что самая большая цена, которую может заплатить особь, – это неспособность к размножению вообще. Если особь погибает еще до первого акта воспроизводства, она теряет все; как в случае с зайчихой, приведенном в главе 4: если нет размножения, то нет и приспособленности[71]. Таким образом, существует верхний предел цены – отсутствие потомства, которое у вас могло бы быть.
Есть также и нижний предел цены приспособленности – произвести на свет все потомство, которое вообще возможно. Смерть после этого не имеет никакого значения (если только вы не должны об этом потомстве заботиться, о чем подробнее мы поговорим в следующей главе). Это может показаться противоречием – в конце концов, я лишь описываю в общих чертах то, что могло бы произойти при отсутствии старения (так как нам хотелось бы знать, откуда оно взялось), но если старения нет, то жизнь будет длиться вечно и репродуктивный потенциал окажется бесконечным, не так ли? Оказывается, не так. Отсутствие старения не означает бессмертия по той простой причине, что никуда не денется ежедневный риск быть съеденным, заразиться инфекционными заболеваниями или иным образом потерять репродуктивный потенциал. В популяции даже нестареющего вида всегда будет много молодых особей и мало старых, а значит, среднее количество потомства на одну особь не бесконечно. Таким образом, ожидаемый репродуктивный успех в течение жизни фактически ограничен, независимо от того, есть старение или его нет.
Установив эти пределы, мы теперь можем разобраться, как все работает. После того как особь произвела на свет какое-то количество потомства, у нее на счету, так сказать, появился кое-какой выигрыш в приспособленности. Если она после этого умрет, то потеряет всю потенциальную приспособленность в будущем, но эта потеря будет меньше, чем цена ее гибели до начала размножения. Давайте представим, что особь прожила чуть дольше и успела дать больше потомства перед смертью; в этом случае ее приспособленность еще выше, и – поскольку теперь она ближе к своему потенциальному максимуму приспособленности – со смертью она теряет еще меньше потенциальной приспособленности в будущем. Проще говоря, чем больше потомства произвела на свет данная особь, тем меньше потенциального потомства она лишится, если умрет. Цена смерти – а значит, и давление отбора, направленное на то, чтобы ее избежать, – со временем должна снижаться.
Давайте проясним, что это значит. Неправильно будет сказать, что среднестатистическая пятилетняя газель каким-то образом менее уязвима перед гепардами, чем среднестатистическая четырехлетняя. Вместо этого мы говорим, что цена смерти газели, выраженная в приспособленности, в пять лет ниже, чем в четыре, поскольку у пятилетней газели больше доля ее совокупной приспособленности, которая уже у нее на счету (точнее, бегает вокруг в виде молодых газелей)[72].
Подводя итоги, можно сказать, что цена смерти, выраженная в приспособленности, – как и цена всего, что сокращает шансы на воспроизводство, – со временем снижается, потому что чем старше становится особь, тем больше ее потенциальной приспособленности уже реализовано, а если цена, выраженная в приспособленности, снижается, то неизбежно снижается и давление отбора, направленное на избегание смерти. Итак, перейдем ко второму вопросу: почему это может способствовать эволюции старения?
Отметив, что сила естественного отбора ослабевает с возрастом, Медавар выдвинул гипотезу, что это может быть связано с накапливанием у вида вредных мутаций, которые проявляются только в позднем возрасте. Мутация, сокращающая шансы на выживание и/или воспроизводство молодых животных, быстро устраняется отбором (так как ее репродуктивная цена слишком высока), в то время как та же мутация, только влияющая на более старых особей, устраняться отбором не будет (поскольку ее последствия для репродуктивного успеха невелики). Таким образом открывается путь для накопления вредных признаков, возникающих в позднем возрасте, которые в своей совокупности могут вызывать старение.
Эта идея довольно привлекательна, но объясняет далеко не все, ведь при прочих равных условиях признаки, проявляющиеся в более позднем возрасте, были бы все-таки как минимум не очень выгодными, и обладающие ими линии в конце концов вытеснялись бы теми, у кого их нет. Иными словами, тот факт, что поздно проявляющиеся признаки не так важны, как признаки, проявляющиеся рано, не означает, что отбор не устранил бы их из популяции. Следовательно, накопление вредных признаков само по себе не может объяснить феномен старения с эволюционной точки зрения. И тут на сцену выходит антагонистическая плейотропия. Плейотропия – это явление, при котором один ген (или конкретная комбинация генов) влияет на развитие двух или нескольких разных фенотипических признаков, и в том случае, если один из этих признаков полезный, а другой вредный, плейотропия называется антагонистической. Оба эффекта могут проявляться одновременно, но часто этого не происходит, что и играет ключевую роль: если положительный эффект проявляется только у молодых особей, способных к размножению, а отрицательный – только у старых, то результатом может оказаться активный отбор признаков, способствующих старению, особенно учитывая вышеупомянутое повышенное давление отбора на рано проявляющиеся признаки. Другими словами, если увеличение приспособленности в результате положительного воздействия превышает потери приспособленности в результате отрицательного воздействия – а это, скорее всего, так и будет, с учетом их проявления на протяжении жизни особей, – то такая генетическая вариация будет распространяться.
Отметим, что это объяснение отличается от гипотезы Медавара о накоплении мутаций, которая утверждает лишь, что вредные признаки, проявляющиеся на поздних этапах жизни, могут закрепиться в геноме, потому что они не так важны, как проявляющиеся в раннем возрасте; это можно сравнить с утверждением, что красть велосипеды хорошо, потому что это лучше, чем убивать. Кража велосипеда и правда, наверное, лучше, чем убийство, тем не менее законодательные меры против краж нужны так же, как и против убийств, пусть и не одинаково суровые. Аналогичным образом естественный отбор будет все же отсеивать поздно проявляющиеся вредные признаки, просто не так сильно, как те, что проявляются рано. Иначе обстоит дело с антагонистической плейотропией – «плохой» признак будет активно поощряться отбором, если он сцеплен с «хорошим», который перевешивает его воздействие, не в последнюю очередь потому, что проявляется в более раннем возрасте.
В 1957 г.[73], когда эту гипотезу впервые выдвинул американский биолог Джордж Уильямс, реальных фактов в ее поддержку было мало, не в последнюю очередь потому, что тогда вообще было толком не известно, имеет ли место старение в дикой природе – многие биологи утверждали, что у большинства животных жизнь настолько опасна, что едва ли кто-то из них достигал теоретически возможной продолжительности жизни. Во второй половине XX в., когда появились долгосрочные исследования отдельных особей с использованием меток, это заблуждение было развеяно, а распространение в последние полвека генетических технологий привело к тому, что теперь можно непосредственно наблюдать антагонистическую плейотропию в действии.
Один из наиболее хорошо изученных модельных организмов – червь нематода Caenorhabditis elegans. Пообщайтесь хоть немного с биологами, занимающимися лабораторными экспериментами, и вы непременно услышите об этом существе, которому, хоть оно и используется повсеместно в генетических исследованиях[74], не досталось общепринятого названия, и оно известно всем просто как нематода C. elegans. Состоящая всего из 959 клеток[75], C. elegans устроена достаточно просто, чтобы можно было изучать последствия генетических изменений с высокой степенью точности. Одно из таких изменений – мутация в гене daf–2, кодирующем инсулиновый рецептор на поверхности клеток. Еще в 1993 г. Синтия Кеньон и ее коллеги из Калифорнийского университета в Сан-Франциско обнаружили, что у мутантов по daf–2 резко возрастает продолжительность жизни – обычно они живут более чем в два раза дольше, чем черви дикого типа[76] (не в последнюю очередь благодаря тому, что у мутантов повышена сопротивляемость патогенам). Множество последующих исследований, проведенных как в этой лаборатории, так и во многих других в разных странах мира, продемонстрировали, что за долголетие мутанты по daf–2 платят сниженным темпом размножения. Это снижение составляет всего около 18–20 %, но оно проявляется у червей в раннем возрасте, поэтому давление отбора велико, из-за чего, вступая в прямую конкуренцию со своими собратьями дикого типа, мутанты быстро проигрывают. Представленные экспериментальные данные наглядно демонстрируют антагонистическую плейотропию (когда одна мутация в гене daf–2 вызывает несколько явно не связанных между собой эффектов), а также гипотезу Медавара о снижении давления отбора с возрастом; увеличение продолжительности жизни в два раза должно с лихвой компенсировать сокращение репродуктивного успеха на 20 %, но последнее происходит в более раннем возрасте, тем самым усиливая воздействие этого фактора.
Существует еще одна гипотеза, объясняющая эффект старения, и она исходит из предположения, что, хотя нет никакой причины, по которой нельзя было бы продлить существование тела на неопределенно большой срок, тем не менее это обошлось бы слишком дорого. Я говорю о так называемой теории «ненужного тела» (Disposable soma theory), которая строится на следующей цепочке рассуждений: 1) размножение – главная составляющая приспособленности; 2) размножение энергетически затратно; 3) затраты энергии ограничены доступностью ресурсов; 4) поэтому энергия, необходимая для размножения, не может быть истрачена на поддержание сомы (т. е. тела); 5) если вы хотите размножаться, деградация тела неизбежна.
Теория «ненужного тела» предлагает интуитивно понятное объяснение различия жизненных стратегий таких видов, как полевка и белый носорог (эти виды я выбрал почти случайно из множества других, ведущих аналогичный образ жизни). Полевки живут около года, и за это время у самок рождается несколько выводков; самка белого носорога, напротив, может прожить 50 лет, она достигает зрелости в 6–7 лет и каждые 2–3 года рождает по одному детенышу. Полевки и носороги находятся на крайних полюсах континуума: размножайся быстро и умри молодым либо размножайся медленно и умри старым. Такой континуум также может рассматриваться и с точки зрения других компромиссов, таких как «вкладывайся в размножение и надейся размножиться до того, как тебя съедят или ты умрешь от болезни» или «вкладывайся в защиту от хищников и патогенов, чтобы прожить достаточно долго и размножиться». При прочих равных условиях (т. е. в отсутствие человеческого вмешательства) и в том и в другом случае на смену одной среднестатистической самке полевки и одной среднестатистической самке носорога придут две полевки и два носорога соответственно, а значит, ни одна из этих стратегий в целом не лучше другой[77].
Определить, что лучше объясняет относительные закономерности старения полевок и носорогов – теория «ненужного тела» или антагонистическая плейотропия, – нелегко, ведущую роль могут играть как те, так и другие механизмы (или и те и другие вместе). Можно ли сказать, что полевки в каком-то смысле «решают» жить быстро и умереть молодыми, хотя они могли бы с тем же успехом перенаправить энергию на другие системы организма, чтобы прожить дольше и замедлить размножение (согласно теории «ненужного тела»), или же их геномы настолько переполнены вредными, поздно проявляющимися мутациями, что у них нет иного выбора, кроме как размножаться максимально быстро, чтобы не умереть до того, как они родят всех своих мышат (согласно гипотезе антагонистической плейотропии)? Мы уже убедились, что имеются определенные доказательства в пользу антагонистической плейотропии, полученные при исследовании нематоды C. elegans, хотя мы пока еще не так хорошо научились разбираться в геномах других видов. Но как насчет теории «ненужного тела»? Есть ли подкрепляющие ее данные?
Для начала давайте представим, как должны выглядеть подобные данные. Накопление вредных, поздно проявляющихся мутаций неизбежно; если гены с этими мутациями присутствуют в организме, будет происходить их экспрессия[78], и продолжительность жизни будет неизбежно ограничена независимо от других переменных. Мы можем это наблюдать и измерить. Но если старение вызывается просто постепенным истощением, которое можно до известной степени предотвратить, перенаправляя энергию на поддержание тела, то теоретически ничто не может помешать двум генетически идентичным особям пойти совершенно разными путями: одна из них будет заботиться о своем организме и за долгий период времени произведет на свет несколько десятков детенышей, тогда как другая может пойти ва-банк и родит их всех сразу в однократной, истощающей организм вакханалии размножения. (Это, разумеется, предполагает, что существует такая генетическая архитектура, которая позволяет осуществлять столь гибкую стратегию – а это важное условие, – но главное здесь то, что если старение вызывается накоплением вредных мутаций, то подобная гибкость была бы невозможна в любом случае). Представим себе машину, которая едет со скоростью 90 км/ч по дороге, где установлено именно такое ограничение скорости. Возможно, машина технически способна ехать быстрее, но простое наблюдение за ее движением не позволяет это установить, так как нам известно, что водитель должен соблюдать правила. Но предположим, что дорога сворачивает на трассу с разделительной полосой, по которой разрешено ехать со скоростью до 110 км/ч. Если машина сохраняет скорость 90 км/ч, то ее потенциальная способность ехать быстрее так и останется неизвестной – у водителя могут быть другие причины придерживаться прежней скорости, например экономия топлива, – но, если она ускорится до 110 км/ч, мы получим ответ: ее сдерживало скоростное ограничение на предыдущей дороге. Следовательно, для того чтобы выявить в природе наличие стратегии «ненужного тела», нам нужен экологический эквивалент смены скоростных режимов. А именно нужно найти вид, у разных особей которого наблюдается изменение темпов старения в зависимости от внешних факторов. К счастью, такой подходящий для наших целей вид есть – это медоносные пчелы.
Когда пчелиная матка откладывает неоплодотворенные яйца, из них всегда выводятся самцы, а из оплодотворенных только самки (подробнее об этом будет рассказано в главе 6). Но последующий ход событий в жизни ее дочерей на данный момент еще не определен, и варианты существенно различаются. Самка может либо стать рабочей пчелой с продолжительностью жизни несколько недель или месяцев, либо маткой, которая в некоторых случаях может прожить почти десять лет. Это, однако, средние показатели, которые могут не столько отражать изменчивость темпов старения (а значит, и различий в потенциальной продолжительности жизни), сколько быть связанными с различными опасностями в их повседневной жизни. Рабочие пчелы, в конце концов, трудятся «как пчелки» и постоянно находятся вне улья, где их поджидают хищники, неблагоприятные погодные условия и прочие природные опасности; матка же, напротив, может всю жизнь провести в улье, где ее кормят и защищают тысячи дочерей.
Более информативным может быть анализ устойчивых различий в средней продолжительности жизни рабочих пчел, появляющихся на свет в разное время года. В среднем летние рабочие пчелы живут около месяца, занимаясь сбором нектара и пыльцы, тогда как зимние (выходящие из куколок осенью) обычно живут в 4–5 раз дольше, они заняты в основном более легкой работой в улье, пока не начнут добывать пищу весной. Возможно, летние особи тратят максимальное количество энергии на повседневные дела (сбор пищи, уход за личинками и т. д.), наиболее важные в это время года, и гораздо меньше вкладываются в жизнеобеспечение своего организма (что, скорее всего, было бы напрасной тратой ресурсов, учитывая, насколько велика вероятность для рабочей пчелы так или иначе погибнуть еще до того, как она достигнет старости). Напротив, зимние рабочие особи, обязанности которых не столь утомительны, а жизнь не столь опасна, могут тратить энергию иначе, используя ее частично для себя, чтобы дожить до весны.
Если бы все обстояло именно так, то это был бы пример пластичности старения, то есть отсутствия предопределенности темпов старения и способности выбирать оптимальную стратегию старения в разных условиях. Теория «ненужного тела» нашла бы свое подтверждение. Главное слово тут, конечно, «если», ведь – так же, как и в случае с рабочими пчелами и матками, – эти средние различия в продолжительности жизни могут объясняться просто разными рисками, с которыми сталкивается каждая из этих групп, а не изменением темпов старения. Здесь можно вспомнить часто приводимый пример, что ожидаемая продолжительность жизни британских младших офицеров в Первую мировую войну на Западном фронте составляла шесть недель; разумеется, это не имело ничего общего со стратегическим перенаправлением энергии с поддержки организма на повседневную деятельность, зато имело отношение к пулям, бомбам и отравляющему газу.
Учитывая столь противоречащие друг другу объяснения, Джек да Сильва из Университета Аделаиды проанализировал ряд опубликованных исследований, в которых были приведены подробные данные наблюдений за жизнью нескольких сотен помеченных рабочих пчел, и использовал их для того, чтобы рассчитать показатели смертности от внешних причин (т. е. обусловленной только рисками, связанными с окружающей средой) для групп рабочих пчел, выполняющих разные функции. Вооружившись этими данными, да Сильва сумел с помощью математических моделей продемонстрировать, что различие в выживаемости между такими группами лишь частично обусловлено внешними факторами, а частично – различиями темпов старения. Иными словами, медоносные пчелы корректировали процесс старения так, чтобы распределить энергию на протяжении всей своей жизни самым эффективным[79] из возможных способов с учетом времени своего выхода из куколки.
Продолжая аналогию с британскими военными, представьте, что мы собрали данные о судьбе британцев мужского пола в годы войны (с 1914 по 1918 г.), часть которых работала в тылу на фабриках и заводах, а часть воевала. Затем точно подсчитали риски, связанные с каждым родом деятельности, установили, какова была бы ожидаемая продолжительность жизни, если бы эти две группы мужчин различались только родом занятий и жизненными обстоятельствами, и обнаружили, что реальная разница в продолжительности их жизни больше. Пришлось бы сделать вывод, что, помимо непосредственного участия в боевых действиях, существовал еще какой-то фактор и что солдаты в окопах старели быстрее, чем рабочие на фабриках[80].
Но давайте вернемся к коалам и слонам и добавим одну деталь: единственный набор зубов коалы начинает стираться уже в шестилетнем (плюс-минус год) возрасте и может полностью износиться, когда самки все еще способны размножаться. Напротив, у слонихи последний набор зубов появляется только после того, как ей исполнится 40 лет, и примерно в это время у нее начинает снижаться плодовитость; таким образом, слониха может успешно пережевывать пищу еще долго после того, как родит последнего в своей жизни слоненка.
Износ зубов у коал достаточно легко объяснить, исходя из тех теорий старения, которые мы только что рассмотрели. Возможно, недостаточная прочность их зубов обусловлена каким-то геном, который при этом положительно влияет на размножение, а оно происходит в более ранний период жизни (теория антагонистической плейотропии), или, возможно, на сохранение зубов тратится энергия, что представляется неоптимальным с точки зрения максимизации приспособленности, так как эту энергию лучше вкладывать в размножение или иную важную функцию (теория «ненужного тела»). Однако слоны в эту картину не вписываются, потому что проблемы с зубами не начинают оказывать негативного влияния до тех пор, пока размножение так или иначе не прекратится полностью. Иными словами, для любого биолога-эволюциониста загадка здесь не в том, что слоны остаются без зубов, пока они все еще в основном здоровы, а в том, что они не теряют зубы раньше.
Старые животные, уже не способные размножаться, конечно, могут оказывать существенное влияние на выживание своего потомства – а следовательно, и на свою приспособленность, – и нам незачем далеко ходить за примерами, достаточно обратиться к нашему собственному виду. Если бы женщины умирали с началом менопаузы, их дети и внуки были бы лишены заботы бабушек, их мудрости и опыта, накопленных за всю жизнь. То же касается многих видов других животных, в особенности живущих семейными группами, в которых положительное влияние старших, уже не размножающихся особей бывает глубоким и длительным. Африканские саванные слоны[81] живут небольшими группами, во главе которых стоит старая опытная самка – матриарх. Эти стада совершают сезонные миграции, но и на протяжении одного сезона часто кочуют с места на место, так как слоны обитают в условиях африканской саванны, где случаются нерегулярные, но сильные засухи. Если время, прошедшее с последней засухи, окажется больше, чем возраст старшей самки, у этого стада не будет коллективного знания о том, где найти воду, и в результате все оно может погибнуть. Более того, матриархи обладают не только географическими знаниями; экспериментальные данные продемонстрировали также корреляцию между возрастом и точной идентификацией угроз со стороны хищников. Карен Маккомб и ее коллеги из Университета Сассекса проигрывали запись львиного рыка перед группами слонов, возглавляемых разными по возрасту доминантными самками, и наблюдали за их оборонительным поведением (слоны сбивались в тесную группу, замирали, чтобы прислушаться, или двигались в сторону звука). Группы со старыми матриархами с большей вероятностью корректировали свое поведение в зависимости от количества и пола рычащих львов, полагая, что три льва опаснее одного, а самец опаснее самки.
Впрочем, старая мудрая слониха-матриарх может и пережить свою полезность. 70-летняя слониха вряд ли знает больше, чем 60-летняя, и ее знаниями, возможно, уже владеют старшие члены стада. Когда пищевых ресурсов мало, несущественная польза, которую мог принести ее дополнительный опыт, легко перевешивается ценой недоедания более молодых, плодовитых внучки или внука. При таком сценарии вариант гена, благодаря которому[82] стареющая слониха сможет прожить больше ста лет, будет воспроизводиться в потомстве реже, чем тот, который позволит ей умереть, когда ее потребности в пище перестанут уравновешиваться ее накопленным опытом. Короче говоря, наступает момент, когда лишние годы жизни перестают конвертироваться в дополнительное генетическое наследие, и вскоре после этого слоны лишаются зубов. В этом компромиссе с точки зрения приспособленности есть определенная логика, но она не может служить утешением для умирающего от голода слона. Как мы увидим в следующей главе, подобная жестокая арифметика эволюции тесно связана с, казалось бы, благостным альтруизмом в мире животных.
Прежде чем мы перейдем к этой теме, следует добавить небольшой сюжет к истории старения, и связан он с пресноводным полипом рода Hydra. Гидры имеют вид маленькой прозрачной трубочки, один конец которой действует как липкая «нога», а на втором расположен рот, окруженный венчиком щупалец. (Как и у большинства представителей типа стрекающих[83] – группы, в которую входят, например, медузы, кораллы и актинии, – рот выполняет также функции ануса.) Размножается гидра как половым, так и бесполым путем, хотя последний вариант встречается чаще и называется почкованием, при таком способе размножения дочерний полип вырастает из стенки тела материнской особи, а затем отделяется от него и образует новую особь-клон.
Пока ничего необычного (для стрекающих). Но если мы понаблюдаем за размножением гидр несколько лет в лаборатории, то ситуация уже не будет казаться обычной. А именно если мы на протяжении всего времени будем тщательно измерять показатели размножения и смертности, то обнаружим, что они практически не меняются. Гидра не стареет. Как писал в своей статье 1998 г. Даниэль Мартинес из Колледжа Помоны в Клермонте (Калифорния), правда позволив себе чуть-чуть увлечься: «Результаты демонстрируют отсутствие признаков старения… Гидра, возможно, на самом деле не стареет и может быть потенциально бессмертной».
Все же не будем слишком обольщаться. Гидры не бессмертны – и Мартинес мог бы это легко обнаружить, если бы вынул одну из своих подопытных из аквариума и оставил на час-другой на лабораторном столе, – и все же с этим довольно невзрачным существом длиной около 2 см действительно происходит нечто очень-очень странное. В более позднем исследовании анализировались данные о выживаемости 30-летней (теперь она уже старше) колонии Hydra magnipapillata[84], и был сделан вывод, что 5 % ныне живущих особей будут живы и через 1400 лет.
Если вам, уважаемые читатели, это кажется странным, то вы в отличной компании. Загадочная способность гидры противостоять старению так и остается до сих пор загадкой. Но прежде чем пожать плечами и двинуться дальше, позвольте мне прояснить, что именно в ней загадочного. Мы неплохо представляем себе, каким образом осуществляется этот трюк. Чтобы его объяснить, понадобится небольшая дополнительная информация. Клетки человеческого организма в общих чертах можно разделить на четыре группы: соматические клетки, гаметы, первичные половые клетки и стволовые клетки. Соматические клетки – основа тела любого сложного организма; это элементы, из которых состоят ткани и органы, которые подвержены повреждениям. Они могут быть восстановлены (правда, за это придется заплатить), но только до определенной степени. Гаметы – это клетки, с помощью которых организмы, размножающиеся половым путем, передают ДНК своему потомству; у человека это либо яйцеклетки, либо сперматозоиды. Первичные половые клетки – это эмбриональные клетки, из которых образуются гаметы, и они расположены в гонадах (половых железах). Стволовым клеткам трудно дать определение, но их можно представить как аналоги пустых клеточек в игре «Эрудит» (если другие клетки организма – это клеточки, уже содержащие буквы). В биологии они называются недифференцированными, то есть они еще не специализировались для выполнения какой-либо конкретной цели. Стволовые клетки, по сути, не стареют у любого вида, но их содержание связано с большими энергетическими затратами, и у таких сложных организмов, как человек, они составляют лишь малую долю от всех клеток. Стволовые клетки присутствуют во многих тканях в очень малых количествах, например в костном мозге – основном источнике клеток крови, и служат своего рода резервом новых клеток для этих тканей.
Вернемся к нашей гидре. Как я уже сказал, эти животные очень малы и, кроме того, крайне просто устроены в плане анатомии – гораздо проще, чем, скажем, дрозофила, которая в десять раз мельче их. У гидры тело цилиндрической формы (с несколькими щупальцами на конце, тоже цилиндрическими), состоящее из двух слоев клеток. У гидры нет каких-либо специализированных органов, поэтому разнообразие типов клеток у нее существенно ограничено и, что самое главное, значительную долю от их общего числа составляют стволовые клетки. Здесь я пропущу значительную часть сложных, с трудом добытых знаний из области клеточной биологии и сосредоточусь на главном факте, который заключается в том, что относительное преобладание стволовых клеток в тканях гидры, в сочетании с ее анатомической простотой, позволяет отдельным особям чрезвычайно эффективно регенерировать. Более того, гидры поддерживают процесс постоянного избирательного клеточного обновления, при котором поврежденные клетки идентифицируются и устраняются, а на смену им приходят новые, развившиеся из ближайшего запаса стволовых.
Все это, по-видимому, дается гидре без особых затрат – что невозможно для человека или любого другого сложного организма. Ключевое слово здесь «сложного»: попробуйте заменить по одной все стеклянные панели в теплице, а затем проделать то же самое с кирпичами в стенах Альберт-холла. В первом случае задача достаточно легкая и безусловно воспринимается как часть обычного технического обслуживания (даже когда теплица большая); во втором она просто невыполнима.
Однако сложность тканей – это, похоже, еще не вся история. Например, в ряде различных исследований было показано, что на самом деле можно вызвать старение гидры H. oligactis в лаборатории[85]; все, что для этого нужно, – охладить воду с 18 ℃ до 10 ℃. Столкнувшись с этим внезапным стрессом, вызванным факторами окружающей среды, особи H. oligactis прекращают размножаться бесполым путем и переключаются на половое размножение. Звучит знакомо, не правда ли? Вспомним дафний, о которых шла речь в главе 3, эти рачки большую часть времени размножаются партеногенезом, но, столкнувшись с патогеном или неблагоприятными условиями, начинают заниматься сексом. Изменение условий среды побуждает дафний давать потомство, генетически отличное от родителей, так как патоген быстро эволюционирует, специализируясь на поражении уже существующей клональной линии. Точно таким же образом температурные изменения обеспечивают давление отбора в пользу генетической новизны (а следовательно, и полового размножения) у H. oligactis, потому что клональная линия внезапно оказывается уязвимой из-за низкого генетического разнообразия.
Что самое характерное, H. oligactis начинает стареть сразу, как только переходит от бесполого размножения к половому. Сунь Ши-Сян из Медицинского колледжа им. Альберта Эйнштейна и его коллеги отследили изменения в активации генов во время этой смены репродуктивного поведения и обнаружили, что гены, связанные с активацией стволовых клеток, снижают свою активность[86]. Какой предварительный вывод из этого следует? Старение – побочный продукт секса.
В этой идее что-то есть, но, к сожалению, реальная картина гораздо сложнее. Гидра H. oligactis действительно стареет (и обычно вскоре умирает) после периода полового размножения, но с H. magnipapillata такого не происходит. Половое размножение вроде бы не влияет на сверхспособности последней, так что, возможно, и старение у H. oligactis вызвано другими причинами. Почему же в таком случае H. oligactis не может вырваться из черной дыры старения?
Ответ наверняка существует, но я не стал его искать, так как не уверен, что нам вообще стоит задавать этот вопрос. Давайте разберемся… Ученые-медики изучают гидр с одной целью – открыть и/или разработать новые технологии борьбы со старением, но, когда на этих загадочных маленьких существ обращают внимание биологи-эволюционисты, им приходится быть несколько более осторожными. А именно им необходимо избегать искушения формулировать вопросы определенным образом, например: «Почему H. oligactis не умеет сопротивляться старению после полового размножения, тогда как H. magnipapillata умеет?» На тот случай, если вы не заметили, вопрос неявно навязывает чисто человеческое представление (которое приветствуется среди медиков), что замедление процесса старения – нечто несомненно полезное. Мы, люди, всегда хотим подольше оставаться молодыми, а некоторые из нас хотели бы быть бессмертными. Но хотела бы этого гидра? Я надеюсь убедить вас, что, если снять антропоцентрические очки, становится вовсе не очевидно, что отсутствие старения так уж полезно.
Давайте начнем с рассуждения о том, какую выгоду в действительности получает гидра от своей способности бесконечно возобновлять собственное тело клетка за клеткой. Вспомним вопрос, поставленный в самом начале этой главы, когда речь зашла о старении:
Зачем, в конце концов, естественный отбор допускает смерть с таким трудом отвоеванного тела – тела, которое пережило хищников, конкуренцию и всевозможные иные трудности, которое доказало свою ценность как репродуктивный сосуд, проделало все, чего от него требовали его генетические инструкции, – и вот так бросить его гнить?
Этот вопрос все еще остается актуальным, но дело в том, что для победы над старением отдельной особи гидры приходится постоянно воссоздавать свое «с трудом отвоеванное тело» – просто она делает это по кусочкам, постепенно, а не за один раз через повторение себя в потомках и смерть. Потребность в сырье и энергии сохраняется, так что гидра, можно сказать, нисколько не продвинулась в решении этой проблемы. Более того, свойственный гидре тип бессмертия должен напомнить вам мысленный эксперимент с «кораблем Тесея», в ходе которого у корабля постепенно заменяют по одной каждую из тысяч его частей за длительный период времени и нужно решить, остается ли этот корабль тем же самым кораблем. Тождественна ли 10-летняя гидра тому животному, которым она была девять лет назад? Я в этом не уверен.
Гораздо более важный вопрос, чем семантика постоянного обновления гидры, состоит в том, что в действительности такое «бессмертие» дает самому животному, и здесь нам снова стоит проявить скептицизм. Как мы уже убедились на примере дафний, а теперь и гидры H. oligactis, сохранять неизменность в меняющейся среде – не такая уж хорошая идея, особенно когда изменения неблагоприятны. На самом деле есть веский аргумент в пользу того, что отказ H. oligactis вкладываться в жизнедеятельность организма в неблагоприятных условиях после полового размножения связано не с высокой ценой этого вклада, а всего лишь с небольшой выгодой от него. Неопределенно долгая жизнь в этом случае может быть просто не слишком полезна для гидры. С этой точки зрения в объяснении нуждается скорее поведение «бессмертной» H. magnipapillata. Несомненно, данный конкретный вид может поддерживать режим постоянного обновления клеток, одновременно направляя энергию и сырье на производство гамет. И хотя это достаточно ловкий трюк, кажется, что было бы более целесообразно, если бы гидра вместо этого могла еще больше вкладываться в гаметы, более активно размножаться половым путем и в итоге еще больше повысить свою приспособленность.
Все это лишь мои предположения, и я понятия не имею, у какого из этих двух видов гидр стратегия лучше (если вообще можно провести подобное сравнение; скорее всего, у каждого из них в ходе эволюции выработался свой жизненный цикл, наиболее соответствующий условиям его жизни, так что ни один из этих видов не «побеждает» – или побеждают оба, в зависимости от точки зрения). Я хочу лишь подчеркнуть, что нам не следует считать, будто старение – одна из тех проблем, которые не смог решить естественный отбор; возможно, просто не было смысла этого делать. Рассмотрим судьбу двух наборов генов – один принадлежит дафнии D. magna, другой гидре H. magnipapillata – на протяжении одного года. Гены (или, точнее, их копии) дафнии находятся в двух разных телах – матери, которая проживет шесть месяцев, и ее клональной дочери, которая родится за месяц до ее смерти. Гены гидры, напротив, остаются в одном и том же организме, который проживет весь год и за это время обновит каждую клетку своего тела. Через 12 месяцев у нас по-прежнему будут два набора генов – дафнии и гидры, – каждый из которых будет содержаться в том же количестве клеток, что и год назад. Есть ли какое-то существенное различие между двумя путешествиями наборов генов до этой конечной точки? Не уверен, что есть; бессмертие гидры выглядит как периодическое бесполое размножение, только по-другому называется. Это наблюдение естественным образом ведет к следующему выводу, который состоит в том, что – с точки зрения эволюции и естественного отбора – тело отдельной особи не так уж и важно. Как мы говорили в главе 1, организмы весьма полезно представить как простые вместилища, созданные для постоянного воспроизводства находящихся в них генов, и нам следует это помнить, когда возникает искушение задаться вопросом, почему животные в ходе эволюции не приобрели способность жить вечно. Проще говоря, генам все равно, где они находятся, до тех пор, пока они все еще где-то существуют. В следующей главе мы рассмотрим некоторые дополнительные выводы из этого факта.