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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Многие долгожители-рекордсмены обитают в Северном Ледовитом океане:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Популяция животных со стабильной численностью

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

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

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

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

Экспоненциально растущая популяция

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

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

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

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

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

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

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

Стоимость репарации

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

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

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

22 Здесь: репарация — способность организма восстанавливать повреждения.

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

24 Для простоты рассмотрим случай бесполого размножения.

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

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