БИОХИМИЯ, 2014, том 79, вып. 10, с. 1290 - 1299
УДК 577.24
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕОРИИ МЕХАНИЗМОВ ЭВОЛЮЦИИ И РАЗРЕШЕНИЕ СПОРНЫХ ВОПРОСОВ ЗАПРОГРАММИРОВАННОГО/ ^ЗАПРОГРАММИРОВАННОГО СТАРЕНИЯ
Обзор
© 2014 Т.С. Голдсмит
Azinet LLC, Box 239, Crownsville, MD 21032, USA; fax: +1(410)403-2283, E-mail: tgoldsmith@azinet.com
Поступила в редакцию 17.03.14
Современные теории запрограммированного (адаптивного) биологического старения утверждают, что живые организмы различных видов, включая млекопитающих, обычно имеют в себе развитые механизмы, ограничивающие продолжительность их жизни и дающие определенные эволюционные преимущества. Современные теории незапрограммированного старения придерживаются той точки зрения, что животные класса млекопитающих стареют обычно из-за протекания в их организме естественных повреждающих процессов и существующие вариации во времени продолжительности жизни между различными видами млекопитающих могут объясняться их различной степенью устойчивости к этим процессам. Изначально предложенная в XIX в. идея о запрограммированном старении млекопитающих была впоследствии без долгих рассуждений отвергнута как явно несовместная с самими механизмами эволюционных процессов. Однако относительно недавно произошло кардинальное изменение во взглядах и сейчас признается, что запрограммированное старение млекопитающих лучше эволюционно обосновано, чем незапрограммированное. Разрешение этих спорных вопросов имеет огромное значение для исследований в области медицины, поскольку каждая из двух теорий предполагает наличие различных биологических механизмов, ответственных за появление возрастных физиологических изменений и заболеваний, связанных со старческим возрастом.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: физиологическое (биологическое) старение, эволюция, запрограммированное старение.
В настоящее время существуют две главные современные теории биологического старения человека. Теория незапрограммированного старения рассматривает наступление старости у млекопитающих как результат неспособности организма противостоять естественным негативным процессам. Эта теория основывается на концепции о том, что мотивацией эволюции какого-либо вида является стремление достичь особой для этого вида минимальной продолжительности жизни (рис. 1, пунктирная кривая 1, точка А). Теория запрограммированного старения утверждает, что старость млекопитающих является конечным результатом действия некоего биологического механизма или программы, которые целенаправленно способствуют повреждению или приводят к смерти организма. Это позволяет всему виду получить прямое эволюционное преимущество, которое достигается ограничением продолжительности жизни индивидов за пределами особого для этого вида опти-
мального возраста (рис. 1, пунктирная кривая 2, точка А).
Обе теории предлагают объяснение для огромных вариаций пределов собственного времени жизни индивидов из сходных видов организмов. Например, у млекопитающих эти пределы различаются более чем в 200 раз: <1 года у аргентинской пустынной мыши и >200 лет у гренландского кита; у рыб — в 1300 раз: 8 недель для ЕуЫа sigillata (карликовый бычок) и >200 лет для Ко1 (аквариумная золотая рыбка семейства карповых).
ЭВОЛЮЦИОННЫЕ МЕХАНИЗМЫ ТЕОРИИ ДИВЕРГЕНЦИИ
В течение ~150 лет со времени публикации теории Дарвина [1] наше доверие в существовании процесса биологической эволюции только увеличивалось и не возникало сомнений в том,
Рис. 1. Эволюционные издержки/выгоды и продолжительность жизни
что современные виды организмов произошли от различных ранее существующих видов и эволюционный процесс является постепенным, кумулятивным и охватывает миллиарды лет. Однако наша уверенность в том, что мы действительно понимаем механизм эволюционного процесса снижалась, начиная с 1952 г. Как показано на рис. 2, начиная с дарвиновской концепции естественного отбора (выживание наиболее приспособленных) в 1859 г., появилось еще по меньшей мере девять ее вариантов. Появление постдарвиновских концепций эволюции стимулировалось по следующим причинам. Во-первых, даже через 90 лет прослеживались расхождения между данными практических наблюдений и предсказаниями дарвиновской теории эволюции. Прежде всего это касалось старения и продолжительности жизни. Во-вторых, для эволюционного процесса необходимо наследование биологических признаков, поскольку эволюционные изменения распространяются именно путем биологического наследования. Благодаря продолжающимся многочисленным открытиям в области генетики, знания о механизмах биологического наследования чрезвычайно расширились и позволили выявить сложность этого процесса, не принятую во внимание в наших более
ранних представлениях. Все современные теории запрограммированного и незапрограмми-рованного старения базируются на концепциях механизмов эволюции, появившихся после 1950 г., несмотря на то, что эти новые концепции пока еще не проверены на типичных биологических системах. Нет никакой уверенности, что мы вплотную подошли к пониманию биологической наследственности и поэтому можно ожидать новых прорывов в теории механизма эволюции.
ОБЩИЕ ЭВОЛЮЦИОННЫЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ ТЕОРИЙ
ЗАПРОГРАММИРОВАННОГО И ^ЗАПРОГРАММИРОВАННОГО СТАРЕНИЯ
Поскольку обе теории старения базируются на сходных представлениях о механизмах эволюции, они дают и сходные предсказания относительно продолжительности времени жизни и данных наблюдений за возрастными изменениями. Это усложняет попытки разграничить эти две концепции, опираясь лишь на эволюционные представления и сведения о продолжительности жизни.
1952 Evolutionary force declines with age 1957 Aging has zero net evolutionary cost 1957 Aging must have compensating benefit 1957 Linkage concept introduced
B
Рис. 2. Главные концепции эволюционных механизмов и обусловленные ими соответствующие теории старения
Обе теории сходятся в том, что продолжительность жизни и старческие изменения являются характерными чертами или наследуемыми признаками организма, детерминированными эволюционным процессом. Наш возраст запрограммирован генетически. Весь вопрос сводится к механизмам этого природного кодирования.
Интенсивность эволюционного воздействия снижается с возрастом организма. Дарвин [1] не предполагал, что эволюционная ценность продолжительности существования и воспроизводства организма варьируются в зависимости от его возраста. Понимание этого приводит к мысли, что старение является результатом действия фундаментальных ограничений, которые как законы физики и химии не могут быть преодолены в процессе эволюции. Однако вопреки почти столетним усилиям, теоретики не смогли представить приемлемое объяснение для гигантских вариаций в продолжительности жизни у различных организмов, основываясь только на представлении, что время жизни лимитируется естественными универсальными механизмами.
В 1952 г. Медавар [2] предложил новую концепцию механизма эволюции, согласно которой значимость организма для эволюции (или сила эволюционного воздействия на организм) снижается с его возрастом, когда последний выходит за пределы, определяемые репродуктивным периодом зрелости и другими внешними и внутренними специфическими уникальными факторами. Медавар считал, что поскольку эволюционное воздействие («давление естественного отбора») понижено, то вид (группа индивидов), проживая в дикой природе, не сможет получить эволюционных преимуществ от своего образа жизни и дальнейшего размножения, и поэтому не развивается и накапливает возможности для преодоления естественных неблагоприятных процессов, чтобы эволюционировать в дальнейшем. Логика такого рассуждения базируется на представлении, что внешние причины смертности индивидов в условиях дикой окружающей среды маскируют возрастные и другие внутренние причины смертности. Размер какой-либо возрастной группы внутри популяции будет уменьшаться с увеличением возраста ее членов,
поэтому постепенно снижается ее воздействие на ход эволюционного процесса (ее значимость для эволюции). Общепризнанно, что «давление естественного отбора» тем сильнее, чем хуже условия существования или выше вероятность смерти вплоть до возраста, когда индивид завершит свой первый акт воспроизводства. Мы также принимаем, что сила эволюционного воздействия будет нулевой в отношении поиска путей преодоления внутренних ограничений продолжительности жизни или размножения после превышения возраста, когда всех особей в природной популяции ожидала бы смерть от внешних причин: хищников, неблагоприятных условий окружающей среды или недостатка пищи. В соответствии с концепцией Медавара природная популяция бессмертных индивидов функционировала бы точно также как и состарившаяся популяция тех же самых индивидов. Меда-вар даже предусмотрел, что расчет по математической модели, описывающей его концепцию с помощью метафоры «разбитой пробирки» показывает, что когда возраст стремится к бесконечности, эволюционная ценность последующего существования популяции и смысл ее размножения сводятся к нулю (рис. 1, пунктирная кривая 3).
«Нулевая» эволюция является недостатком старения. Одно из центральных положений дарвинизма гласит, что эволюционный процесс осуществляется путем малых последовательных шагов и постепенно сильно ускоряется. Очевидным следствием этого является предположение, что в процессе эволюции должны быть селективно отобраны очень малые полезные (успешные) или неудачные различия. Обе современные теории запрограммированного [3] и незапрограммированного [4] старения согласуются в следующем: для того, чтобы проявились характерные признаки старости и выявился срок жизни, популяция должна достигнуть некоего возраста, при котором в течение длительного времени имела бы место практически нулевая эволюционная мотивация ее существования и размножения, как это показано на рис. 1, точка А. Это утверждение верно, поскольку фактически среди любого вида живых организмов можно найти популяции с более длительным сроком жизни. Ясно, что если в случае какой-нибудь группы организмов наблюдается даже очень небольшое эволюционное преимущество от долгожительства, то эта группа будет эволюционировать в направле
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.