Старение. Почему эволюция убивает? - Петр Владимирович Лидский

Рис. 28. Несколько мягких патогенов в комбинации могут приводить к эволюции укороченной жизни. Эксперимент, приведенный на рис. 24, предполагает эпидемию патогена, снижающего фертильность в десять раз или более. Хотя такие патогены существуют в некотором количестве, необходимость инфекции с таким сильным уровнем стерилизации сужает универсальность модели. В эксперименте, представленном на этом рисунке, мы смоделировали популяцию, в которой циркулируют сразу несколько патогенов, с более слабым уровнем стерилизации, — в данном случае это четыре патогена, каждый из которых снижал количество детенышей зараженной особи в два с половиной раза. Оказалось, что совместная циркуляция нескольких слабо стерилизующих хронических патогенов способна оказывать такие же эффекты на эволюцию продолжительности жизни, как и один патоген с сильной стерилизацией (по [1]).

Адаптация чужеродных патогенов

Количество видов паразитов на Земле в несколько раз превышает число свободноживущих видов. Некоторые патогены являются факультативными — они могут размножаться и в окружающей среде, и в организме хозяев. Таким образом, каждый свободноживущий вид постоянно «зондируется» различными инфекциями, передающимися от других видов или из окружающей среды. Когда такой патоген в ходе межвидовой передачи попадает в организм нового для него вида, он может оказаться несостоятельным в противодействии иммунной системе, с которой никогда раньше не сталкивался. Однако если он все еще способен реплицироваться на уровне, достаточном для его выживания в теле нового организма, то может эволюционировать и стать более приспособленным к новому хозяину. Эта адаптивная эволюция требует времени и может быть предотвращена более ранней смертью носителя.

Примером вируса, адаптирующегося к новому хозяину, является ВИЧ-2. Исходный вирус циркулирует в популяции обезьян, дымчатых мангобеев (Cercocebus atys), но может инфицировать людей, например охотников, контактирующих с кровью зараженных животных. ВИЧ-2 вызывает пожизненную инфекцию, но передается от человека к человеку гораздо хуже основного пандемического штамма, ВИЧ-1, появившегося у людей, скорее всего, в первой половине ХХ века [122]. Некоторые из вариантов ВИЧ-2 все же способны с низкой эффективностью передаваться между людьми, однако в основном штамм известен только по отдельным пациентам, непосредственно контактировавшим с обезьянами.

Вероятно, чтобы накопить адаптивные мутации, улучшающие передачу, вирусу нужно время, которое может определять способность патогена закрепиться в новой популяции. Для хронических инфекций это время определяется продолжительностью жизни хозяина, поэтому долгоживущие носители должны быть более склонны к вспышкам заболеваний этого типа. Соответственно, хозяева-долгожители, если они появляются в популяции, могут провоцировать вспышки новых хронических болезней. В то же время для короткоживущих животных новые патогены могут быть менее значимым фактором отбора, поскольку они не имеют достаточного времени для адаптации. Если бы продолжительность жизни людей была меньше, возможно, некоторые варианты ВИЧ либо вовсе не могли бы приспособиться к человеческой популяции, либо делали бы это с меньшей частотой.

Рис. 29. Высокая продолжительность жизни облегчает адаптацию новых патогенов.

Для приобретения способности эффективно заражать особей нового вида патогену необходимо время. В этом эксперименте патогену, приходящему из окружающей среды или из другого вида животных, требуется приобрести десять мутаций, чтобы повысить свою трансмиссию в десять раз. В хозяевах с короткой продолжительностью жизни (левая колонка) этот процесс занимает гораздо большее время, поскольку частично адаптированные варианты чаще удаляются из популяции из-за смерти хозяев. В хозяевах с высокой продолжительностью жизни (центральная колонка) патоген оказывается способен достичь адаптированного состояния. При этом адаптированный патоген способен хорошо размножаться даже в хозяевах с короткой продолжительностью жизни (правая колонка) (по [1]).

Геномы человека хранят следы эпидемий вымерших ВИЧ-подобных вирусов (ретровирусов HERV-K и ERV9), которым мы подвергались в своей недавней эволюционной истории. Это указывает на то, что вспышки ретровирусных инфекций могут происходить довольно часто и потенциально могут создавать селективное давление в сторону сокращения продолжительности жизни.

Итак, постоянные эпидемии стерилизующих заболеваний не являются необходимым условием для эволюционной стабильности короткой продолжительности жизни. Селекция, приводящая к старению, может быть опосредована совместным заражением несколькими более мягкими патогенами или спорадическими вспышками инфекций, вызываемых патогенами, передающимися от других видов. Будущие экологические исследования должны подтвердить или опровергнуть эти гипотезы.

После того как мы узнали, какие типы патогенов могут стоять за эволюцией старения, обсудим, могут ли организмы хотя бы иногда отличать стерилизующие хронические заболевания, на которые стˆоит реагировать адаптивной смертью, от излечимых патогенов, на которые не следует реагировать суицидом, и как эта информация может влиять на старение.

Глава 35

Старение иммунной системы — иммуносенесцентность

В главе 32 мы обсуждали, что феноптоз может служить хорошим средством борьбы с инфекциями у бактерий, большинство патогенов которых неизлечимы. Однако у высших животных, где большинство болезней могут быть побеждены иммунной системой, феноптоз не может быть эволюционно стабилен. Иммунная система не способна точно определить, является ли патоген хроническим или излечимым. Поэтому если бы феноптоз присутствовал у высших животных, он бы срабатывал в ответ не только на заражение хроническими стерилизующими патогенами, но и на обычную простуду или пищевое отравление. Следовательно, смертность оказалась бы избыточно высокой, а это не может быть эволюционно выгодным.

Есть ли способы, с помощью которых иммунная система может различить хронические и излечимые заболевания? Ранее, в главе 32, мы говорили, что прямых способов сделать это, скорее всего, нет. Биохимически и иммунологически разные стерилизующие болезни очень сильно отличаются, например, ВИЧ — это вирусное заболевание, в то время как сифилис — бактериальное. Поэтому общих признаков, на которые могло бы опираться иммунное распознавание, вероятно, нет. Есть ли какие-нибудь индикаторы, которые помогут иммунной системе хотя бы косвенно распознать хроническую болезнь и включить программу, подобную феноптозу?

В главе 30 мы выяснили, что воспаление может ускорять старение. Если болезнь излечивается, то воспаление краткосрочно, и, как следствие, величина, на которую сокращается жизнь, невелика. В случае хронических болезней воспаление продолжается долго, а следовательно, вызванное им ускоренное старение сокращает продолжительность жизни на относительно большую величину. То есть ускорение старения при воспалении — селективное средство борьбы с хроническими инфекциями, которое, в отличие от феноптоза, не несет опасности ложного срабатывания из-за заражения излечимыми патогенами.

Рис. 30. Ускорение старения при инфекции является эволюционно полезным признаком. Опыт проводили так же как, и на рис. 24, только на этот раз долгоживущий вариант при заражении ускорял скорость своего старения в два раза. Таким образом, если долгоживущая особь оказывалась заражена, то ее продолжительность жизни становилась сравнимой с продолжительностью жизни короткоживущего варианта. Такой долгоживущий вариант доминировал в присутствии хронического патогена, поскольку при заражении он относительно быстро умирал, а если оставался здоровым, лучше