Старение. Почему эволюция убивает? - Петр Владимирович Лидский

Наша модель чем-то напоминает теорию Вейсмана (см. главу 6), но, в отличие от нее, способна выдержать критику с позиций современной эволюционной биологии: она удовлетворяет неравенству Гамильтона (глава 28) и способна объяснить редкость нестареющих мутантов (глава 31). Более того, модель контроля патогенов включает в себя элементы других теорий. Она по-новому интерпретирует плейотропные гены как адаптивные «ремни безопасности», поддерживающие эволюционную стабильность оптимальной продолжительности жизни (глава 31). Модель также можно рассматривать как вариант теории одноразовой сомы, которая предполагает, что не энергия, а контроль эпидемий является универсальной «валютой» в балансе между продолжительностью жизни и репродуктивным успехом.

Кроме того, эта теория выделяет несколько субстратегий, регулирующих адаптивную смерть.

Ключевое значение для эволюции адаптивной смерти играет способность организма различать тяжелые хронические инфекции, которые эволюционно оправдывают адаптивную смерть, и легкие излечимые заболевания, которые создают ложноположительные сигналы. Уход патогенов от иммунной детекции, а также неспособность хозяина идентифицировать типы патогенов создают разнообразие стратегий адаптивной смерти. Мы нашли четыре типа таких стратегий.

Феноптоз — смерть в ответ на стимул; встречается там, где большинство патогенов неизлечимы и активация программы адаптивной смерти в ответ на каждую инфекцию оправдана. Эта стратегия встречается у одноклеточных организмов, таких как бактерии, дрожжи или простейшие.

Старение — адаптивная смерть, происходящая через определенный промежуток времени после рождения. Старение может приобретаться в ходе эволюции, если часть хронических патогенов умеет избегать иммунного обнаружения. Тогда организм может просто не знать, что он заражен, и совершает самоубийство, основываясь на вероятностном ожидании заражения таким вредным патогеном. Этот сценарий, по-видимому, объясняет старение у дрожжей и других одноклеточных.

Кроме того, если иммунная система достаточно развита, чтобы излечить большинство других заболеваний, феноптоз в ответ на каждую инфекцию становится слишком расточителен и старение оказывается более предпочтительным механизмом. Как и в предыдущем случае, адаптивная смерть от старости происходит, когда хозяин, согласно вероятностным ожиданиям, оказывается носителем тяжелых хронических заболеваний, таких как сифилис, ВИЧ или токсоплазмоз, значительно уменьшающих его репродуктивный потенциал.

Ускорение старения при инфекции — стратегия различения хронических и излечимых патогенов по длительности болезни. Если животные стареют быстрее при заражении хроническим патогеном, они будут жить значительно меньше. Напротив, излечимые заболевания с коротким периодом инфицирования не окажут существенного влияния на продолжительность жизни носителя. Тем самым эта стратегия значительно сокращает жизнь именно при хронической инфекции, но не при излечимой.

Рис. 35. Гипотеза эволюции разных видов адаптивной смерти.

Одноклеточным организмам трудно избавиться от патогенов, если они уже попали внутрь клетки. По этой причине большинство патогенов одноклеточных неизлечимы и феноптоз в ответ на инфекцию является оправданной стратегией борьбы с этими патогенами (глава 14). Поскольку патогены способны избегать детекции или ингибировать феноптоз, старение, то есть адаптивная смерть в позднем возрасте, могло эволюционировать уже в одноклеточных. Например, некоторые виды одноклеточных дрожжей стареют. В ходе эволюции многоклеточные животные выработали более совершенные механизмы излечения инфекций, позволяющие убивать только зараженные клетки. На этой стадии феноптоз становится невыгодным, поскольку он приводит к смерти от легких инфекций. Старение по-прежнему сохраняется для контроля существующих хронических патогенов. В дополнение к старению появляются дополнительные механизмы, позволяющие отвечать адаптивной смертью только на хронические, но не на излечимые патогены. Это, во-первых, ускорение старения при хронической инфекции и связанным с этим воспалением (глава 30) и, во-вторых, феноптоз при встрече с новым патогеном в позднем возрасте — иммуносенесцентность (глава 35). Дополнительно к этому эволюция может иногда переизобретать феноптоз. Модель предсказывает феноптоз в ответ на инфекции в голых землекопах (глава 41), а также феноптоз после размножения в семельпарных видах животных (главы 38 и 39).

Снижение иммунной защиты с возрастом(иммуносенесцентность) — феноптоз в ответ на заражение новым патогеном в пожилом возрасте. Мы выяснили, что относительная вероятность заражения хроническими заболеваниями растет с возрастом животного, в то время как вероятность заражения излечимыми — падает. Таким образом, пожилой особи эволюционно выгодно тратить больше энергии на ограничение распространения болезни. Старое животное должно с большей вероятностью жертвовать своим здоровьем или даже жизнью в ответ на заражение новым патогеном.

Таким образом, мы завершили создание теории адаптивной смерти и можем начать изучать экологические и эпидемиологические параметры, влияющие на эволюцию старения и продолжительность жизни. От чего зависит эволюция адаптивной смерти? При каких условиях эта модель должна работать, а при каких — нет? И наконец, может ли модель контроля патогенов объяснить загадки, изложенные в первых частях этой книги? Напомним, что мы выявили ряд странных моментов:

• взаимосвязь между продолжительностью жизни и полетом (глава 23);

• семельпарию (смерть после репродукции) у лососевых и плотоядных сумчатых (глава 15);

• огромные различия в продолжительности жизни между кастами эусоциальных насекомых (глава 16);

• странное избегание омоложения и продления жизни (глава 10);

• пренебрежимо медленное старение у голых землекопов (глава 26);

• баланс между плодовитостью и долголетием (глава 20);

• различия в продолжительности жизни между полами (глава 18);

• влияние факторов среды на старение, включая обонятельное и зрительное восприятие (глава 17).

В следующей части мы попытаемся рационализировать все эти наблюдения в контексте гипотезы контроля патогенов и обсудим некоторые их следствия.

Часть 6

Как теория контроля патогенов объясняет загадки эволюции старения

Глава 36

Сеть передачи инфекций и родство между животными

В этой части мы рассмотрим, как экология хозяев и патогенов формирует эволюцию продолжительности жизни. Если старение хозяев определяется взаимодействиями с паразитами, то какие эпидемиологические параметры могут на него влиять?

Центральное предположение гипотезы контроля патогенов заключается в том, что пожилая особь жертвует собой, чтобы предотвратить заражение более молодых генетически близких организмов. Спасая своих родственников от инфекции, животное помогает распространению своих собственных генов. Это условие требует, чтобы передача заболевания между родственниками происходила чаще, чем между неродственными особями.

Если особь взаимодействует преимущественно с неродственными индивидуумами, то повышенная инфекционность может стать полезной, поскольку она ухудшит физическую форму конкурентов и, следовательно, поможет родственникам зараженной особи в борьбе за существование. Поэтому структура популяции, определяющая характер взаимодействий между хозяевами, должна играть центральную роль в эволюции их старения.

Рассмотрим различные типы сетей передачи на примере человеческих популяций. Охотники и собиратели живут группами, состоящими из нескольких родственных семей. В этом случае большинство особей внутри группы активно взаимодействуют друг с другом и очень мало — с членами других групп. При такой популяционной структуре заражение происходит преимущественно между родственниками.