Следующая попытка объяснить старение с точки зрения эволюции была предпринята тремя выдающимися британскими биологами — Рональдом Фишером, Джоном Холдейном и Питером Медаваром. Разработанная ими теория получили название тень отбора(selection shadow).

Холдейн изучал болезнь Гентингтона, наследственное нейродегенеративное расстройство, которое обычно развивается у носителей этой генетической болезни на четвертом десятилетии жизни. Она начинается с легких психиатрических симптомов или изменений настроения, прогрессируя затем в расстройство координации, называемое хореей. Пациенты совершают непроизвольные нерегулярные движения, похожие на обычную мимику и жесты, но отличающиеся по частоте и интенсивности. В старину хорею называли пляской святого Витта, поскольку производимые больным движения несколько напоминали танец. Постепенно у таких людей развиваются депрессия, апатия, слабоумие, потеря речи и координации. Так как к моменту появления первых симптомов у носителей обычно уже есть дети, болезнь может передаваться следующему поколению и сохраняться в популяции.

Этот пример иллюстрирует основную идею тени отбора: свойства генов, проявляющиеся в более старшем возрасте, находятся под более низким селективным давлением, чем признаки, которые проявляются на ранних стадиях. Если бы симптомы болезни Гентингтона проявлялись до полового созревания, они не попали бы в «тень», а патологический ген был бы быстро утерян, поскольку больные не оставляли бы потомства. Таким образом «Тень» закрывает от эволюции болезни старости.

Представьте себе автопроизводителя, который обещает каждые пять лет бесплатно заменять любой автомобиль на новый той же марки. Будет ли для вас важна возможность эксплуатации автомобиля в течение десяти лет? Конечно нет. К тому времени эта машина уже будет отозвана и сдана компанией в утиль, а вы будете ездить на новой. Точно так же теория тени отбора утверждает, что патологии поздних лет могут существовать, если люди или животные попросту не доживают до этих возрастов.

Питер Медавар стал тем человеком, который применил принцип тени отбора к эволюции старения. В 1951 году он прочитал лекцию под названием «Неразрешенная проблема биологии» (An Unsolved Problem of Biology), в которой утверждал, что эволюция не заботится о старении. Говоря научным языком, старение эволюционно нейтрально или почти нейтрально. Животные умирают из-за нападений хищников, голода, холода и болезней. Если только небольшой процент животных доживает до возраста начала старения, то отбор более долгоживущих и медленно стареющих особей может быть ослаблен. В ходе эволюции мутации, связанные с расстройствами, проявляющимися в пожилом возрасте, накапливаются, в конечном итоге приводя к старению. Согласно этой теории, старые животные встречаются только в искусственно защищенной среде — например, в зоопарках. Старение человека стало широко распространенным явлением только благодаря цивилизации и успехам медицины.

Находим ли мы подтверждение этой идеи в природе? Да, действительно, виды со стопроцентной сезонной смертностью имеют очень короткую продолжительность жизни. Наиболее известный и яркий пример этому — небольшие рыбки, икромечущие карпозубые, или киллифиш 16. Некоторые из африканских видов киллифиш живут в небольших прудах и лужах, которые заполняются водой во время сезона дождей и полностью пересыхают летом. Взрослые рыбы не могут выжить без воды, но их икринки способны пережить сухой сезон. В этих условиях долголетие взрослой особи бесполезно, поскольку шанс дожить до следующего года все равно равен нулю. Долголетие киллифиш не приведет к увеличению количества отложенных икринок и, следовательно, не будет давать эволюционных преимуществ.

Как и предсказывает теория тени отбора, сезонные киллифиш очень быстро стареют, даже если поселить их в аквариуме, постоянно наполненном водой. Один из видов киллифиш, нотобранх Фурцера (Nothobranchius furzeri), из-за своей чрезвычайно короткой продолжительности жизни стал лабораторной моделью для опытов по изучению старения [22].

Может ли старение людей и большинства других видов животных объясняться теми же эволюционными причинами? Ответ на этот вопрос зависит от того, доживают ли животные до старости в дикой природе. Модель тени отбора требует, чтобы смерть от внешних причин обязательно происходила до начала процесса старения. Если у особи есть ненулевой шанс избежать хищников и других проблем и дожить до следующего сезона размножения, ее смерть от старости будет эволюционно невыгодной, поскольку долгожители будут производить больше потомства. Поэтому эволюция будет всегда отбирать более долгоживущие варианты.

Конечно, если до старости доживает очень малая часть животных, то более долгая жизнь и медленное старение дадут лишь незначительные преимущества. Однако это небольшое преимущество будет существовать всегда. В этом случае долгожители все равно добьются доминирования в экологической нише, просто несколько медленнее. Эволюция в сторону увеличения продолжительности жизни должна продолжаться, даже если в природе от старения умирает ничтожно малая часть животных. В течение длительного эволюционного периода эти небольшие преимущества замедлят или полностью устранят старение.

Продолжительность жизни должна медленно, но неумолимо увеличиваться — кроме случаев, когда ни одно животное не доживает до старости. Однако нулевое количество пожилых особей возможно только в тех экологических нишах, в которых смертность обусловлена сезонными изменениями, как в случае с киллифиш. А если смерть от внешних причин не является стопроцентно гарантированной, то выживаемость пожилых особей всегда будет ненулевой, а следовательно, эволюция долголетия не должна останавливаться в принципе.

Вот почему болезнь Гентингтона — редкое заболевание, которое может сохраняться в популяции какое-то время, но никогда не сможет получить широкого распространения. Люди без болезни Гентингтона будут размножаться и после тридцати лет и за счет этого иметь больше детей. Через какое-то время каждый патологический вариант гена болезни Гентингтона должен полностью исчезнуть из человеческой популяции. Разумеется, аналогичные мутации будут вновь возникать у здоровых людей, сновапередаваться в течение нескольких поколений и снова исчезать. Очевидно, что болезнь Гентингтона никогда не сможет стать общевидовым признаком, таким, как старение, поскольку находится под негативным давлением отбора. Этот тезис был прямо подтвержден методами популяционной генетики [23].

Таким образом, ключевой вопрос, определяющий правильность теории тени отбора, — доживают ли животные до возраста старения в дикой природе? Если все они умирают до того, как старение начинается, как это делают киллифиш, то теория тени отбора может объяснить старение, а если нет, то ее недостаточно. Экологические данные однозначно показывают, что дикие животные умирают в том числе от причин, связанных со старением. Маркировка животных в естественной среде позволяет ученым оценить выживание особей. Если мы построим график доли животных, доживших до определенного возраста, то получим так называемую «кривую выживаемости». Обычно она приводится в логарифмической шкале 17.

Рис. 5. Кривые выживаемости особей после достижения половой зрелости. По горизонтальной оси отложено время жизни, нормализованное для каждого вида. Организмы, чья смертность следует кривой I типа, сравнительно редко умирают в зрелости, однако их смертность нарастает с возрастом. Наличие такой динамики указывает на присутствие старения. К этой группе относятся практически все средние и крупные млекопитающие. Если же смертность постоянна во всех возрастах, то такую линейную (в логарифмической шкале) зависимость называют кривой II типа. Этот тип кривой имеют мелкие птицы, лягушки и другие животные с медленным старением и высокой смертностью от внешних причин. Наконец, III тип кривой — высокая смертность в молодом возрасте, которая уменьшается со временем. Такой тип смертности часто наблюдается у организмов, которые растут после наступления половой зрелости и за счет этого становятся лучше защищенными. Организмы, обладающие кривыми II и III типа, тоже могут умирать от старости, однако вклад старения у них настолько мал, что не всегда заметен на кривых выживаемости.

Если кривая выживаемости выпуклая (тип I), это указывает на рост смертности с возрастом и тем самым присутствие старения. Этот тип жизненного цикла встречается у большинства млекопитающих среднего и крупного размера.

Если кривая линейна (тип II), она указывает на постоянную смертность и отсутствие выраженного старения. Это типично для мелких птиц или лягушек, которые имеют очень высокую смертность в сочетании с медленным старением.

Если кривая является вогнутой (тип III), это означает, что смертность уменьшается с возрастом. Такой жизненный цикл встречается у крупных организмов, чьи молодые особи имеют высокую смертность, но уж если им удалось дорасти до взрослого состояния, то они становятся практически неуязвимыми для тех опасностей, которые могли их убить в молодости. Например, смертность молодых деревьев значительно выше, чем старых, и многие деревья имеют кривую выживания III типа. Подобный тип выживания можно также встретить у рыб и омаров, которые растут на протяжении всей жизни, постепенно увеличиваясь в размерах и, таким образом, становясь более защищенными от хищников 18.

Выпуклая кривая I типа была описана на примере барана Далла (Ovis dalli) в 1947 году, в основополагающей публикации, которая ввела в науку саму идею анализа кривых выживания [24], за несколько лет до того, как Медавар предложил свою теорию тени отбора. Дальнейшие исследования однозначно показали, что смертность растет с возрастом в диких популяциях многих других видов животных [25, 26], делая теорию тени отбора недостаточной для объяснения старения.

Тем не менее простота тени отбора делает ее привлекательной для авторов моделей накопления ущерба. Нередко можно услышать наивные рассуждения, например, о том, что в природных популяциях мы не видим слабых особей, а значит, животные не доживают до старости в дикой природе. Это утверждение фактически неверно: мы можем встретить в природе старых слонов или львов, неспособных пастись или охотиться.

Действительно, частота таких наблюдений ниже, чем в человеческой популяции, поскольку животные не имеют доступа к социальной и медицинской помощи и обычно умирают вскоре после появления первых признаков возрастных изменений. Например, медленно движущееся пожилое животное будет в первую очередь атаковано хищниками. Не следует ожидать, что олени или волки будут умирать в собственных кроватях, окруженные детьми и внуками. Поэтому правильным параметром для измерения старения является смертность от любых причин. Четырнадцатилетние львы имеют бо́льшую вероятность умереть, чем четырехлетние. Поскольку львы доживают до четырнадцати лет в дикой природе, мы можем достоверно утверждать, что львы стареют, и модель тени отбора сама по себе не может объяснить старение.

Некоторые ученые утверждают, что эволюция — «не великий виртуоз», и ничто ею созданное не идеально. Действительно, если мы посмотрим на глаз млекопитающего, то сразу же обнаружим недостатки конструкции, которые человеческий инженер немедленно исправил бы. Например, наш глаз имеет слепое пятно в том месте, где глазной нерв проходит через сетчатку, чтобы собрать информацию с рецепторных клеток. В глазах осьминогов информация собирается с другой стороны клеток, поэтому нерву не нужно пересекать сетчатку, и в глазах осьминогов нет слепых зон.

Рис. 6. Смертность львов в дикой природе. Кривая смертности львов типична для крупных млекопитающих. Молодые львята обладают довольно высокой смертностью, которая снижается по мере взросления, а после наступления половой зрелости начинает снова возрастать. Это наблюдение однозначно доказывает тот факт, что львы стареют в дикой природе (по [27]).

Однако знали ли вы раньше об этом слепом пятне? Влияет ли оно каким-то образом на ваше зрение? Мы быстро двигаем глазными яблоками, и наш мозг помогает нам дополнить визуальную информацию в слепых зонах.

Таким образом, хотя наши глаза не идеальны с инженерной точки зрения, наша зрительная система достаточно качественна и способна компенсировать мелкие недостатки за счет других функций. То же справедливо и для старения: хотя все системы восстановления повреждений могут быть не безупречны, животные многих видов живут очень долго, и нет никаких причин полагать, что эволюция не может сделать их жизнь еще дольше.

Некоторые эволюционные теории старения, такие как биодемографические стены смерти[28] и модель старения на основе битовой строки, разработанная Тадеу Пенной [29], пытаются спасти тень отбора с помощью идеи о том, что очень легко эволюционировать в сторону короткой продолжительности жизни и трудно — в сторону более длинной. Их основные предположения заключаются в том, что генетические мутации, которые делают жизнь короче, возникают очень быстро, а мутации, продлевающие жизнь, встречаются редко.

Если появляется вредная мутация A, она может сделать другую вредную мутацию B нейтральной: если A убивает организм раньше, чем B, продолжительность жизни животных, имеющих и A и B, будет равна продолжительности жизни тех, кто имеет только мутацию A. Таким образом, если мутантов A много в популяции, B тоже может быстро в ней распространиться. Благодаря этому механизму одна вредная мутация, ведущая к старению, может способствовать накоплению других вредных мутаций, что в итоге приведет к приобретению множества таких мутаций.

Если этот сценарий верен, то эволюция долгой жизни может оказаться практически невозможной, поскольку для этого потребуется одновременно удалить все эти вредные мутации. Критическим недостатком модели Стены смерти является предположение, что для эволюции продолжительности жизни необходимо удалить вредные мутацииА́и В. Если может существовать мутация Z, способная продлить жизнь даже у тех особей, которые несут мутацииА́и В, эта гипотеза не работает.

А как насчет экспериментального подтверждения? Существуют ли мутации, способные продлить жизнь? Многочисленные исследования показывают что многие генетические мутации и манипуляции могут увеличить продолжительность жизни у лабораторных животных [30].

Если мы изучим историю эволюции, то обнаружим, что рост продолжительности жизни может происходить очень быстро. Например, люди живут почти в два раза дольше по сравнению с шимпанзе, хотя с момента расхождения между этими видами прошло всего семь миллионов лет [31]. Виды мелких летучих мышей из рода Myotis могут различаться по продолжительности жизни в несколько раз, имея при этом общих предков, живших лишь несколько миллионов лет назад [20]. Долгоживущие плодовые мушки могут быть получены в течение нескольких лет в результате экспериментальной эволюции [32]. Таким образом, модели Стены смерти, предполагающие, что эволюция увеличения продолжительности жизни практически невозможна, неверны и должны быть отвергнуты, а одной лишь тени отбора все еще недостаточно для объяснения старения.

Следует еще раз подчеркнуть, что ослабление отбора для признаков, проявляющихся в более позднем возрасте, научно достоверно. Однако этого эффекта недостаточно, чтобы объяснить эволюцию старения. Необходимо ввести какие-то дополнительные элементы. В следующих главах мы рассмотрим, как ученые пытались дополнить модель тени отбора, чтобы привести эту теорию к согласию с эмпирическими данными.

16 Аквариумисты называют икромечущих карпозубых жаргонным словом «киллифиш». Оно не является официальным или научным, но мы будем использовать его далее в тексте, чтобы немного облегчить чтение.

17 Такая шкала используется для отображения очень больших диапазонов значений величин, когда на одном графике должны наглядно сравниваться и значения типа 0.001, и значения типа 10 000.

18 При расчете кривых выживаемости есть одна важная деталь. Нулевой точкой обычно считается возраст половой зрелости. Это делается для того, чтобы исключить смертность детенышей, которая обычно очень высока. Если мы начнем рассчитывать кривые выживаемости с момента рождения, то большинство из них станут кривыми типа III. При существующем методе расчета кривые типа III встречаются в основном у видов, которые растут после достижения половой зрелости. Со временем они становятся крупнее и лучше защищены. Если мы изменим метод и установим нулевые точки в возрасте, когда организмы достигают максимальных размеров тела, мы, скорее всего, обнаружим кривые типа I у многих из этих видов. Таким образом, выбор начальной точки отсчета сильно влияет на форму кривой.