Против запрограммированного адаптивного старения обычно выдвигаются два аргумента: во-первых, неясно, для чего полезно старение, во-вторых, непонятно, почему мы не видим нестареющих мутантов в природе и в лабораторных экспериментах. Давайте обсудим эти вопросы подробнее.
Любой важный признак организма должен прямо или косвенно способствовать распространению генов этого организма. Гипотезы антагонистической плейотропии и одноразовой сомы рассматривают старение как вредный побочный эффект каких-то полезных признаков. Но что будет, если мы посмотрим на старение как на самостоятельную адаптацию?
Если старение — запрограммированный механизм, то оно обязано быть сильным альтруистическим признаком. Если организм специально стареет, значит, он жертвует собственной эволюционной выгодой. А делать это он может только для того, чтобы способствовать распространению собственных генов за счет усиленного размножения своих родственников. Эволюционная целесообразность альтруизма 31 определяется формулой, выведенной британским биологом-эволюционистом Уильямом Дональдом Гамильтоном [54]. Правило Гамильтона гласит, что альтруизм может быть эволюционно выгоден, только если те преимущества, которые получают гены альтруиста, превышают стоимость, которую он платит. Математически это правило записывается как неравенство:
b× r c,
где:
с — стоимость, которую платит альтруист, например, время и ресурсы, которые он затрачивает, совершая альтруистический поступок;
b — польза, которую в итоге получает организм — получатель альтруистических благ (реципиент);
r — степень родства между альтруистом и реципиентом.
В этой формуле r выражается как доля генов, разделяемых между двумя индивидуумами, и, следовательно, это число обычно меньше, чем 1.
Из этого следует, что если у меня есть мороженое и я отдаю его своему брату, с которым у нас совпадает половина генома (r= 0,5), это мороженое поможет только 50 % генов, которые у нас общие. Тем самым моя дарвиновская приспособленность потеряет 50 % от стоимости мороженого. В этом случае b= c и равно стоимости мороженого. Более того, даже если я отдам мороженое своему брату-близнецу, геном которого полностью совпадает с моим (r= 1), этот акт альтруизма все равно не будет эволюционно выгодным! b× r будет равно c, но чтобы альтруизм сработал, b× r должно быть БОЛЬШЕ, чем c! Особь с моим геномом в любом случае будет обладать этим мороженым, и с точки зрения эволюции его передача ничего не изменит. Однако при передаче мороженого брату-близнецу может произойти ошибка: неродственная особь может притвориться моим братом-близнецом и забрать у меня мороженое! Это может привести к потере мороженого и всех связанных с ним эволюционных преимуществ! Так почему же я должен идти на такой риск?
Исходя из этих рассуждений кажется, что альтруизм никогда не должен встречаться в природе. Если речь идет об игре с нулевой суммой, то это действительно так. Однако если мы предположим, что порции мороженого неравномерно распределены между особями, то в какой-то момент я могу получить намного больше мороженого, чем способен съесть. Оставшиеся порции не представляют для меня никакой ценности, поскольку они растают, прежде чем я снова проголодаюсь. В этом случае мне выгодно поделиться с моими менее удачливыми родственниками. В такой формулировке правило Гамильтона соблюдено, потому что стоимость мороженого отличается для разных особей: оно не имеет большой ценности для альтруиста, но имеет существенную ценность для реципиентов. Если b больше c, то альтруизм теоретически возможен.
Другим фактором, который может сделать альтруизм эволюционно стабильным, является способность индивидуума приносить пользу нескольким родственным реципиентам. Джон Холдейн (один из отцов теории тени отбора, упомянутый в седьмой главе) шутил, что он «готов отдать жизнь за двух братьев или восемь кузенов». Действительно, в этом случае левая часть b× r в неравенстве Гамильтона становится суммой b1× r1+ b2× r2+ +… которая может превышать стоимость альтруизма c.
Однако цена старения равна стоимости жизни особи. Может ли выживание индивидуума обесцениться? По какому механизму запрограммированная смерть может помочь нескольким родственникам? Отсутствие убедительных ответов на эти вопросы исторически рассматривалось как доказательство неверности адаптивных моделей старения.
Аргумент второй: отсутствие бессмертных мутантов
Другой аргумент, часто выдвигаемый против адаптивного запрограммированного старения, касается редкости бессмертных мутантов. Если мы предполагаем, что старение — это программа, которая активно уничтожает наши тела, то должны существовать гены, выполняющие эту программу. Мутации, инактивирующие эти гены, должны делать их носителей биологически бессмертными. Однако таких мутантов никто пока не охарактеризовал. Биологи часто используют генетические скрининги в простых организмах, таких как круглые черви или плодовые мушки. Животных обрабатывают мутагенами, а затем анализируют мутантов, рождающихся в следующих поколениях.
В таких экспериментах легко можно увидеть множество мутантных вариантов, таких как мухи без глаз или крыльев, однако биологически бессмертных животных пока получить не удалось. Если старение — программа, то оно должно быть по какой-то причине очень эволюционно стабильно. Этот аргумент подрывает идею адаптивного старения, так как причины такой эволюционной стабильности неясны.
Однако стоит напомнить, что ограниченная способность к эволюции также является предпосылкой антагонистической плейотропии. Плейотропные гены должны быть эволюционно стабильными, и эволюция не должна иметь возможностей для разделения полезных и вредных функций этих генов. Биологически бессмертные варианты формально не исключаются этой моделью. Изначально считалось, что мутации, увеличивающие продолжительность жизни, очень редки и необычны, поэтому бессмертные мутанты просто не могут появиться. Позже ученые обнаружили, что продолжительность жизни может эволюционировать довольно быстро, и даже одиночные мутации могут на нее повлиять. Однако противоречие с отсутствием биологически бессмертных мутантов никогда не обсуждалось.
Аналогичным образом другая классическая модель — гипотеза одноразовой сомы — также не исключает бессмертия. В частности, если питательные вещества присутствуют в количестве, достаточном как для репарации, так и для размножения, то, согласно этой модели, эволюция должна способствовать появлению биологического бессмертия. Таким образом, отсутствие нестареющих мутантов 32 — такая же проблема классических теорий, как и адаптивных. Тем не менее исторически этот аспект полностью игнорируется в контексте неадаптивных теорий, но считается убийственным аргументом, полностью опровергающим запрограммированное адаптивное старение.
Итак, большинство ученых отвергают адаптивное старение, поскольку его эволюционные преимущества неясны, а причины отсутствия нестареющих мутантов не имеют убедительного объяснения. В дальнейшем обязательно вернемся к этим аргументам. Мы увидим, что старение может быть программой, а инфекционные заболевания — той эволюционной силой, которая дает преимущества стареющим организмам, и поймем причины низкой скорости эволюции в плане увеличения продолжительности жизни. Мы начинаем развивать эту теорию с поиска ответа на более общий вопрос: может ли смерть организма, не обязательно от старости, быть эволюционно полезной? Есть ли какие-либо свидетельства, указывающие на существование адаптивной смерти в природе?
31 Напомним, что в нашей терминологии альтруист — это индивид, который жертвует собственной дарвиновской приспособленностью (например, делится добытой пищей, убивает себя и так далее) для блага других членов популяции. Реципиент — это индивид, который эти блага получает, а эгоист — индивид, который не действует альтруистично.
32 Внимательный читатель заметит, что бессмертные животные — медузы, планарии — существуют. Но этот аспект в контексте неадаптивных теорий исторически игнорируется. Как правило, геронтологи объясняют необычные траектории старения животных какими-то аргументами ad hoc.
Каждая клетка нашего тела содержит запрограммированный механизм, который при активации может убить ее. Этот механизм называется апоптозом (от греческого
, что значит «опадание»). Ученые, открывшие апоптоз, сравнивали его с опаданием листьев с деревьев. Апоптоз может быть активирован в ответ на раздражители, такие как инфекции, мутации или разные виды стрессов. Ферменты, активирующиеся при апоптозе, расщепляют ДНК и белки, клетки распадаются на части и поглощаются иммунными клетками — макрофагами.
Какова биологическая роль апоптоза? Многоклеточные животные состоят из огромного количества клеток. Одна поврежденная клетка может вызвать проблемы во всем организме, например, в том случае, если это раковая клетка, которая даст начало опухоли, или зараженная клетка, которая будет производить патогены, способные заразить другие здоровые клетки. Поэтому эволюционно выгодно пожертвовать одной плохой клеткой ради выживания и размножения всего организма.
Однако есть организмы, состоящие лишь из одной клетки. Должны ли они также иметь апоптоз? На первый взгляд — нет. Если погибнет единственная клетка, как это поможет распространению ее генов? Несмотря на это, апоптоз или аналогичные механизмы запрограммированного самоубийства присутствуют в большинстве одноклеточных организмов. Для чего же они нужны?
Наиболее изученными примерами являются так называемые механизмы «абортивной инфекции» у бактерий. Если бактерия заражена вирусом — бактериальные вирусы называются бактериофагами или просто фагами, — то она обречена на смерть, так как у нее практически нет шансов избавиться от этого патогена. Тем не менее перед тем как умереть, фаг использует ее белки и энергию, чтобы произвести еще несколько сотен инфекционных частиц, которые заразят соседние бактерии. Таким образом, преждевременная смерть инфицированной клетки может предотвратить размножение фага и спасти окружающие ее бактерии от заражения.
Давайте объясним это формальной эволюционной логикой. Если мы применим неравенство Гамильтона (b× r c), то обнаружим, что c, стоимость выживания первой зараженной клетки, становится ничтожной, поскольку она все равно умрет, не оставив потомства. Наоборот, b× r может оказаться достаточно высоким, так как предотвращение размножения фага может спасти сотни, если не тысячи других бактерий. В бактериальных сообществах многие особи являются клонами друг друга, следовательно, некоторые из спасенных организмов могут быть клонами зараженного. Таким образом, в этом случае, согласно эволюционной теории, смерть может быть адаптивной.
Известный российский ученый Владимир Скулачев предложил термин «феноптоз» для описания запрограммированной смерти индивидуума 33. Запрограммированную смерть одноклеточных организмов можно рассматривать и как апоптоз и как феноптоз. Есть ли у нас доказательства наличия феноптоза у высших организмов? В отличие от бактерий, многоклеточные обычно не убивают себя в ответ на инфекцию, а вместо этого стремятся уничтожить только зараженные клетки. Тем не менее существуют признаки того, что в некоторых обстоятельствах смерть может быть адаптивной. Наиболее ярким примером является семельпария, о которой мы поговорим в следующей главе.
33 Само слово «феноптоз» было по просьбе Скулачева придумано известным филологом Михаилом Гаспаровым.