Для начала давайте ответим на общий вопрос: какую пользу смерть может принести старому животному? Попробуем применить эволюционную теорию для объяснения старения в контексте эпидемий инфекционных заболеваний. Как обсуждалось выше, если старение — адаптивная программа, то это альтруистический признак. Чтобы альтруистический признак был адаптивным, он должен удовлетворять неравенству Гамильтона, то есть b× r c(см. главу 13). Это возможно в двух случаях: если цена с, которую платит альтруист, меньше, чем выгода b, получаемая реципиентом, и/или если акт альтруизма помогает нескольким родственным особям. Во втором случае b× r становится суммой нескольких членов: b 1 r 1 + b 2 r 2 +…
Могут ли инфекции уменьшать эволюционную ценность пожилых животных? Если иммунная система хозяина не может избавиться от хронической инфекции, а вероятность заражения постоянна, то вероятность того, что особь является носителем такой болезни, растет с возрастом. Если вероятность заражения животного составляет 10 % в год, то 10 % всех однолетних хозяев будут заражены. После второго года заражены будут 19 % животных, а к 25 годам более 90 % из них будут больны. Действительно, пожилые животные в дикой природе являются носителями большего количества инфекций. Например, показано, что присутствие паразитов у арктического гольца (Salvelinus alpinus) растет с возрастом [102].
Теперь предположим, что инфекция сильно влияет на размножение хозяина, при этом не убивая его. Это значит, что хозяева в возрасте двадцати пяти лет или старше в большинстве своем будут стерильны и не смогут иметь потомство. С эволюционной точки зрения животные, зараженные стерилизующим патогеном, все равно что мертвы, поскольку они в любом случае рано или поздно умрут, не оставив детенышей. Конечно, в некоторых случаях, особенно у социальных видов, старое и уже бесплодное животное может помочь распространению своих генов, например ухаживая за собственными внуками, охраняя общее гнездо и так далее, однако эти частные эффекты, скорее всего, не имеют существенного воздействия на эволюцию старения в целом.
Рис. 21. Более старые особи имеют более высокие шансы оказаться носителями хронических патогенов.
Пример арктического гольца (Salvelinus alpinus) и его паразита, червя рода Diphyllobothrium(по [102]).
Таким образом, если в популяции циркулируют хронические стерилизующие инфекции, эволюционная ценность особей снижается с возрастом, а значит, параметр c из неравенства Гамильтона должен падать.
Нужно подчеркнуть, что гипотеза контроля патогенов рассматривает хронические стерилизующие заболевания как основной селективный фактор, определяющий эволюцию продолжительности жизни. Патогены других типов могут не оказывать большого влияния на эволюцию старения.
Может ли смерть зараженного животного помочь не одному, а нескольким его родственникам? Очевидно, да. Зараженная особь может инфицировать многих других животных, а те смогут распространять болезнь дальше. Таким образом, смерть зараженного носителя может помочь большому числу животных остаться здоровыми.
Хотя этот аргумент кажется тривиальным, есть важная деталь, которая его несколько усложняет. Это уровень родства r в уравнении b 1 r 1 + b 2 r 2 +… c. Чтобы неравенство соблюдалось, зараженный хозяин должен взаимодействовать со своими родственниками больше, чем с неродственными особями. Если носитель болезни может с равной вероятностью заражать любых членов популяции, то параметр r в неравенстве Гамильтона станет очень маленьким, а значит, альтруистическая смерть не будет приносить эволюционной выгоды. Более того, если зараженное животное чаще взаимодействует с неродственными ему особями, его долгая жизнь может быть даже эволюционно полезна, несмотря на болезнь: инфицируя неродственных особей, оно будет косвенно помогать родственникам в конкурентной борьбе.
В бактериальных колониях клоны одних и тех же организмов часто находятся рядом друг с другом, но как обстоят дела у высших животных? Скорость расселения живых существ ограничена естественными преградами и расстояниями. Эмпирические наблюдения однозначно указывают, что степень родства зависит от расстояния между местами обитания животных: близкие родственники часто живут недалеко друг от друга (рис. 22).
Если сородичи действительно чаще взаимодействуют друг с другом в дикой природе, более короткая жизнь потенциально может быть адаптивной, чтобы защищать родственников от хронических инфекций. Следовательно, старение потенциально могло эволюционировать как запрограммированный механизм укорочения жизни.
Рис. 22. Зависимость генетического родства от расстояния между местами обитания животных.
По горизонтальной оси отложено расстояние между местами поимки особей тасманийского дьявола (Sarcophilus harrisii), по вертикальной оси — генетическое родство между ними (по [103]).
Проведение прямых экспериментов по эволюции старения в биологических системах может занять много времени и сопряжено с большими трудностями. Поэтому для более быстрой проверки осуществимости наших гипотез мы можем использовать математическое моделирование. Будучи абстрактными, такие интеллектуальные упражнения необходимы для разработки и уточнения концепции. Без них мы можем пропустить какие-то важные взаимодействия 45. В дальнейшем мы будем сравнивать наши выводы с наблюдениями, уточнять модель и делать новые предсказания.
Итак, необходимое нам моделирование должно учитывать, что в популяции хозяев родственники обычно взаимодействуют друг с другом чаще, чем неродственные члены популяции. Предположим, что наши гипотетические животные территориальны, то есть борются друг с другом за контроль над жизненным пространством. Территориальность встречается почти повсеместно в условиях конкуренции за ресурсы (например, пищу, воду или убежища). Чтобы увеличить доступ к ресурсам, животные пытаются расширить контролируемую ими территорию, получить доступ к большему количеству ресурсов, что в конечном итоге позволяет им успешнее размножаться. Для простоты моделирования предположим, что животные движутся прочь друг от друга, как отталкивающиеся металлические шарики с одноименным зарядом, катающиеся по поверхности стола [1].
Если вся поверхность покрыта шариками, то они не могут протиснуться мимо друг друга, создавая то, что мы называем вязкостью популяции. Из-за этого родственники не могут отселиться на большие расстояния друг от друга, и встречающееся в природе родство между животными, живущими поблизости, будет корректно отражено в модели.
Рис. 23. Модель эпидемий в вязкой популяции.
Математическая модель, позволяющая моделировать два важных и часто встречающихся свойства популяций животных, которые обычно не охватываются при стандартном моделировании эпидемий. Во-первых, животные расселяются из густонаселенных регионов в более редкозаселенные, и, во-вторых, родственные особи чаще заражают друг друга, чем неродственные. Модель предусматривает территориальное поведение (как, например, у волков). Чтобы увеличить контролируемую территорию, животные отселяются подальше друг от друга. Чем бо́льшую территорию контролирует организм, тем бо́льшими ресурсами он располагает и тем лучше размножается. Причем из-за вязкости популяции родственники не отселяются слишком далеко друг от друга. В этой модели мы изучаем эпидемии хронических (если животное заражено, то оно не может выздороветь) стерилизующих (снижающих плодовитость) инфекций. При этом инфекция сама по себе не сокращает продолжительность жизни (по [1]).
Кроме того, такая модель воспроизводит другое экологическое свойство: зависимость расселения от плотности популяции. Если слишком много животных живет на небольшом участке земли, они могут исчерпать имеющиеся ресурсы и попытаться переселиться в менее густонаселенные районы. Этот тип поведения встречается даже у бактерий, оно называется чувством кворума[104]. Если плотность популяции бактерий достигает определенного порога, они активируют специальные генетические программы, помогающие их более активному распространению. Если расселение зависит от плотности даже у таких простых организмов, как бактерии, то оно наверняка должно присутствовать и у большинства других видов живых существ. Действительно, расселение, зависящее от плотности популяции, обнаруживается почти повсеместно [105].
Итак, давайте исследуем, как будет эволюционировать продолжительность жизни в этой модели. Возьмем популяцию короткоживущих животных. Что произойдет, если в такой популяции появится долгоживущий мутант? Из-за высокой продолжительности жизни он будет размножаться в течение более долгого времени, а следовательно, оставлять больше детенышей. Со временем такой вариант полностью вытеснит короткоживущих особей и займет всю нишу.
Но что произойдет, если мы поставим такой же эксперимент в условиях эпидемии инфекционного заболевания? Предположим, что патоген стерилизует хозяина, но не сокращает его продолжительность жизни. Первоначально ситуация будет не сильно отличаться, поскольку небольшое число долгожителей не сможет сильно изменить эпидемиологическую обстановку, а некоторые из долгожителей-мутантов время от времени будут доживать до преклонного возраста, не будучи инфицированными. Это дополнительное время даст им эволюционное преимущество по сравнению с короткоживущими особями и приведет к постепенному увеличению доли долгоживущих.
Рис. 24. Эволюция продолжительности жизни в модели вязкой популяции.
В отсутствие патогенов долгоживущий мутант благодаря своей длинной жизни размножается более эффективно и быстро вытесняет короткоживущий вариант. Однако в присутствии хронического стерилизующего патогена преимущества большой продолжительности жизни нивелируются, поскольку большую часть своей долгой жизни организмы проводят в зараженном, стерильном состоянии. Мало того, они способны заражать своих более молодых родичей. Из-за этого долгоживущие варианты вытесняются короткоживущими вариантами, способными лучше контролировать распространение хронического заболевания благодаря тому, что зараженные особи раньше умирают от старости (по [1]).
Однако после того, как долгоживущие варианты накопятся в достаточном количестве, эпидемия усилится в областях, преимущественно населенных долгожителями. Инфицированы будут в основном старые особи, имевшие большие шансы заразиться на протяжении своей долгой жизни. В этих новых условиях высокая продолжительность жизни становится невыгодной. В областях, населенных короткоживущими особями, зараженных животных будет меньше, поскольку большее число пожилых зараженных особей будет умирать от старости.
Таким образом, хронические инфекционные болезни будут в первую очередь поражать области, населенные долгожителями, вызывать там локальное усиление эпидемии, а затем и демографический спад. Из-за этого короткоживущие варианты окажутся более плодовитыми, поскольку болезнь распространится не так широко в районах их обитания. Следовательно, быстро стареющие животные будут мигрировать из густонаселенных районов на пустующие территории, населенные больными долгоживущими животными. Со временем долгоживущие мутанты будут полностью вытеснены и исчезнут из популяции.
Давайте сформулируем гипотезу контроля патогенов, которой, собственно, и посвящена эта книга. Согласно этой гипотезе, если в популяции циркулируют хронические стерилизующие заболевания, то старые животные могут стать помехой для распространения собственных генов. Эти особи, накопившие инфекции в ходе своей долгой жизни, не способны эффективно размножаться сами, но зато могут заражать своих родственников, проживающих на соседних участках территории, тем самым снижая свою дарвиновскую приспособленность.
Эта идея очень похожа на теорию, предложенную Августом Вейсманом (см. главу 6), с тем отличием, что пожилые животные не просто недостаточно продуктивны, а прямо вредны для своих родственников. Таким образом, гипотеза контроля патогенов позволяет увеличить эволюционную выгоду от удаления пожилых животных, удовлетворить правилу Гамильтона и вывести теорию из-под той критики, которой традиционно подвергается модель Вейсмана.
Гипотеза контроля патогенов предполагает, что старение является примитивной иммунной адаптацией, эволюционировавшей, чтобы удалять пожилых, потенциально инфицированных особей. Как мы можем проверить эту гипотезу? Какое непосредственное и, желательно, нетривиальное предсказание следует из этой модели? Если старение — это часть иммунитета, то патогены должны приобретать механизмы, подавляющие старение и продлевающие жизнь хозяев!
Как упоминалось выше, патогены постоянно изобретают новые способы противодействия иммунитету хозяина. Если смерть хозяина может быть адаптацией, призванной ограничить размножение патогена, могут ли патогены развить механизмы, препятствующие смерти их хозяев?
В главе 14 мы описывали адаптивную смерть у бактерий, зараженных бактериофагами. Исследования показали, что бактериофаги развили множество механизмов для подавления самоубийства бактерий, а бактерии все время изобретают новые механизмы самоубийства, чтобы все же покончить с собой и победить бактериофаги [106]. Если старение является похожим механизмом адаптивной смерти, патогены тоже должны уметь его подавлять. Существуют ли болезни, которые замедляют старение и продлевают жизнь хозяина?
45 Например, в главе 9 мы говорили о том, что теория одноразовой сомы внутренне противоречива в случае экспоненциально растущих популяций, поскольку количество пищи должно быть одновременно достаточным для пропитания растущего потомства и недостаточным для содержания родителя. Это противоречие было упущено, вероятно, потому, что точная математическая модель, описывающая старение животных в контексте экосистемы, так и не была построена. Аккуратные математические модели позволяют выявить и проанализировать экологические факторы, способные повлиять на эволюцию продолжительности жизни.