II.1.1. Должен ли всегда побеждать сильнейший

Любое научное исследование принято начинать с истории вопроса. Давайте и мы последуем этому хорошему правилу. Китайский философ Вей По-Янг (II век нашей эры) считается первым, кто выдвинул идею «философского камня» — субстанции, делающей золото из железа и предотвращающей старение человека. Не так давно физики практически решили первую задачу, сделав золото из неблагородного метала (ртути) путем ядерного синтеза. И хотя искусственное золото оказалось много дороже естественного, нельзя не отдать должное величию человеческого разума, решившего задачу, столько веков будоражившую воображение людей. Что же до второй задачи, биологи задержались с ее решением. Вопрос о рыночной цене здесь не стоит, ибо не корысти ради возникла цель избавить род людской от такого страшного бича, как старческое одряхление. И вот в самое последнее время здесь также забрезжила надежда.

Многочисленные гипотезы о природе старения можно разделить на две группы. Одна из них постулирует, что старение есть неизбежный результат изнашивания, а затем и поломки такой сложной системы, как живой организм. Если это верно, нам остается только описать данный процесс и по возможности гуманно обставить наш медленный, но неизбежный путь на кладбище.

Согласно другой точке зрения старение вызывается специальной программой, изобретенной биологической эволюцией для собственного ускорения. Человек более не заинтересован в своей эволюции. Он перестал приспосабливаться к внешним условиям, стремясь сам приспособить их для своих нужд. Когда ему потребовалось взлететь, он изобрел самолет, а не стал ждать, пока за спиной вырастут крылья. Поэтому применительно к человеку старение как облегчающая эволюцию программа есть вредный атавизм, подлежащий отмене. Не так давно биологи научились отменять запрограммированную смерть клетки. Так почему же не сделать это применительно к запрограммированной смерти организма, если старение является одним из феноменов такого рода?

На сегодня спор между сторонниками стохастической концепции старения (пессимисты) и оптимистами, считающими, что старение запрограммировано и, стало быть, может быть отменено, еще не закончен. Каждая из сторон приводит свои аргументы, причем пессимистов — все еще огромное большинство. Однако чем дальше, тем сильнее чаша весов склоняется в пользу оптимистов. Уже ясно, что кому-то необходимо пройти этот путь и, не дожидаясь окончательного вердикта, попытаться отменить программу старения, если она действительно есть.

Один из корифеев геронтологии XX века А. Комфорт как-то заметил, что трудно поверить, чтобы лошадь и телега старели одинаково (см. эпиграф к этому разделу). Так почему же геронтологи до сих пор, как правило, не разделяют мнение о том, что старение запрограммировано?

Доминирование «пессимистов» началось с Чарльза Дарвина, провозгласившего, что естественный отбор индивидов есть основа биологической эволюции. В рамках этой парадигмы старение как признак, очевидно контрпродуктивный для организма, не могло быть отобрано в результате борьбы за существование. Но вот как определил философ Артур Шопенгауэр роль индивида в эволюции в 1818 г., т. е. в додарвиновский период развития биологии: «Особь гибнет не только вследствие самых незначительных случайностей, действующих тысячами разных способов, но еще и самой ее природой предназначена смерти с того момента, когда индивид уже сослужил свою службу, необходимую для поддержания вида». А вот что писал Альфред Рассел Уоллес (вошедший в историю тем, что одновременно с Дарвином сформулировал идею естественного отбора) в одном из своих писем на рубеже 60-х и 70-х годов XIX века: «Родители, произведя достаточное количество потомства, становятся помехой для этого потомства, конкурируя с ним за пищу. Естественный отбор выбраковывает родителей и во многих случаях дает преимущество тем расам, представители которых умирают почти сразу же после того, как произвели потомство». Позднее (в 1881 г.) этот же принцип был независимо выдвинут и детально развит другим великим биологом — Августом Вейсманом: «Отработанные индивиды не только бесполезны, но даже и вредны, занимая место тех, кто дееспособны… Я рассматриваю смерть не как первичную необходимость, но как нечто приобретенное вторично в качестве адаптации» (курсив наш).

Вейсман был немедленно обвинен современниками в антидарвинизме, хотя сам Дарвин прекрасно отдавал себе отчет в ограниченности своей гипотезы о том, что эволюция происходит только в тех направлениях, которые благоприятны для индивида. «Не подлежит сомнению, — писал Дарвин в своей второй знаменитой книге «Происхождение человека», — что сообщество организмов, включающее много членов, всегда готовых прийти на помощь друг другу и пожертвовать собой ради общего дела, одержит победу над большинством других сообществ, и это будет естественным отбором».

Однако дарвиновский принцип «Все ради индивида, и пусть победит сильнейший!» был слишком привлекателен в эпоху расцвета частного предпринимательства, чтобы обращать внимание на предостережение его автора, а слово «антидарвинист» было для биолога синонимом крайнего реакционера, если не вообще мракобеса. А тут еще нобелевский лауреат П.Б. Ме-давар, иммунолог и в общем-то совсем не специалист по эволюции, выступил с заявлением, что старение, даже если оно полезно для популяции, в принципе не могло быть изобретено эволюционным процессом. Медавар утверждал, что в природных условиях подавляющее большинство организмов умирает еще до того, как они постарели. Сегодня ошибочность этого утверждения уже совершенно очевидна. Старение начинается задолго до того, как оно может стать непосредственным поводом для смерти индивида. В то же время оно опосредованно способствует этой смерти. Так, прогрессирующее с возрастом ослабление организма безусловно повышает вероятность его смерти при атаке хищниками, патогенами и т. п. Недавно А. Лой-сон с коллегами и независимо Р. Бондурянский и К. Брассил прямо показали, что в естественных условиях как долгоживущие млекопитающие, так и короткоживущие насекомые страдают от старения. Такой результат неудивителен, если учесть, что, например, снижение с возрастом мышечной силы начинается сравнительно рано — в период завершения роста организма, а старение иммунной системы — еще раньше (у человека — между 10 и 15 годами жизни). По данным Р. Риклефта и Дж. Миттельдорфа, анализ скелетов млекопитающих и птиц различных видов, найденных после их смерти в условиях дикой природы, позволяет заключить, что процент умерших животных с признаками старения варьируется от 10 % у кроликов и белок до 80 % у соболей и 90 % у самок лебедей.

 

II.1.2. Самоубийство клеток многоклеточных организмов: апоптоз

Однако переломным моментом в отношении к старению как программе стали не эти исследования, а прямое доказательство того, что смерть в принципе может быть запрограммирована в геноме живого существа. В этом открытии решающую роль сыграли работы клеточных биологов по запрограммированной гибели клеток многоклеточных организмов. В 1972 г. появилась знаменитая работа Дж. Ф. Керра и сотрудников, использовавших для этого явления термин «апоптоз» (в английской транскрипции «apoptosis»). Слово «апоптоз» заимствовано у древнеримского ученого и врача Клавдия Галена . Он обратил внимание на то, что сломанная ветка уходит в зиму, не сбросив листья, которые жухнут, но не опадают. Поэтому листопад — это активный процесс, а не пассивная гибель листьев от холода, как считалось до Галена. Работами многих авторов конца XX века было установлено, что апоптоз — чрезвычайно широко распространенное явление у всех классов многоклеточных (подробнее см. электронную версию). Апофеозом этих исследований стало обнаружение у червячка Caenorhabditis elegans специальных генов, кодирующих белки, необходимые для апоптоза. Упомянутый червячок — любимый объект биологов, так как он прозрачен и состоит всего из около 1000 клеток. Судьбу каждой клетки удается проследить, наблюдая в световой микроскоп за развитием этого миниатюрного (около 1 мм в длину) существа. Так вот, оказалось, что на известных стадиях развития происходит не только увеличение количества размножающихся делением клеток, но и уменьшение этого количества вследствие апоптоза (в общей сложности в апоптоз уходит 60 клеток). Неудивительно, что гены апоптоза оказались среди генов индивидуального развития (онтогенеза) червяка. Так были открыты первые гены смерти (авторы этих работ Х.Р. Хорвиц, Дж. Э. Салстон и С. Бреннер были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине за 2002 г.).

Что может быть вреднее для живой клетки, чем смерть? И тем не менее эволюция создала целую систему белков, активация которых ведет к гибели клетки. Так может быть и смерть от старости запрограммирована? На этот вопрос «пессимисты» отвечают однозначно: одно дело клетки многоклеточного организма и совсем другое — сам организм. Если в процессе онтогенеза какие-то клетки оказались, как у того червяка, лишними, их надо убрать, для чего и придумала эволюция апоптозный механизм, когда ненужная клетка сама кончает счеты с жизнью.

Однако апоптоз учавствует не только в онтогенезе многоклеточных. Как уже отмечалось в части I, любые клетки организма, чтобы продолжать жить, должны непрерывно получать извне сигнал: «Живи дальше!» Без такого сигнала они быстро уходят в апоптоз.

Итак, в геноме любой клетки многоклеточного организма закодирован механизм ее самоубийства. Этот механизм включается в ситуациях, когда клетка становится ненужной или даже вредной для организма.

 

II.1.3. Запрограммированная смерть одноклеточных

Если апоптоз — изобретение многоклеточных, как думают «пессимисты», то существа, состоящие всего из одной клетки, должны быть лишены «генов смерти» и всего механизма клеточного самоубийства. К сожалению для «пессимистов», такое предположение оказалось ошибочным.

В части I мы уже отмечали, что механизм самоубийства был обнаружен у дрожжей — одноклеточных представителей царства грибов. Один из видов дрожжей, Saccharomyces cerevisiae, — излюбленный объект клеточных биологов и генетиков. Именно на этом организме было сделано следующее важное открытие.

Пока дрожжам хорошо, они размножаются вегетативно, т. е. простым делением. Это не означает однако, что у дрожжей нет полов. S. cerevisiae двуполы, полы обозначаются буквами а и альфа. Ухудшение внешних условий служит сигналом к переходу на половое размножение. Как и многие другие существа, обладающие половым диморфизмом, дрожжи вырабатывают феромоны — особые вещества, привлекающие особи противоположного пола. У S. cerevisiae феромонами служат два коротких пептида, один из которых выделяется клетками типа а, чтобы привлечь клетки типа альфа, а другой — клетками альфа для привлечения клеток типа а. Известно было, что избыток феромонов, образуемых клетками а, добавленный к клеткам альфа, убивает последние, а феромон из клеток альфа делает то же самое, но только с клетками а, т. е. вторая («убийственная») функция феромона сохраняет абсолютную специфичность к половому партнеру. Как показал Ф.Ф. Северин (работа была начата им в лаборатории А. Хаймана в Германии и завершена в нашей группе), механизм гибели дрожжей от феромонов похож на апоптоз клеток многоклеточных.

Биологический смысл убийства полового партнера у дрожжей с помощью феромона мог бы состоять в очистке популяции от клеток-«неудачников», склеившихся каким-то образом, не подходящим для передачи ДНК от клетки-донора к клетке-реципиенту. Выполнению «убийственной» функции феромона должно способствовать его длительное выделение в узкую щель между половыми партнерами. Дальнейшая жизнь «неудачников» привела бы их к вегетативному размножению в условиях, когда потребовалось размножение половое с его обменом генетической информацией двух организмов-партнеров.

Помимо одноклеточных эукариот существует огромный мир микроорганизмов, также одноклеточных, но устроенных гораздо проще. Это прокариоты: бактерии и археи, т. е. мелкие клетки без ядра, митохондрий и других органелл. У данных форм жизни описаны многочисленные случаи самоликвидации, но их механизмы отличаются от таковых у эукариот. В части I мы уже рассмотрели систему типа «долгоживущий токсин — короткоживущий антитоксин». Существенно, что не только нехватка аминокислот, но и субстратов дыхания и кислорода, появление в среде поллютантов — ингибиторов транскрипции, трансляции или энергетического обмена и другие неблагоприятные факторы, тормозящие биосинтез белков, могут включать систему «токсин-антитоксин» как последнюю линию защиты бактериальной популяции от полного вымирания. По мнению Лейна, массовая гибель водных микроорганизмов при появлении в водоеме вирусов может иметь тот же смысл, имея в виду тактику «выжженной земли» как способ блокировать наступление страшного врага — инфекции.

<Для продвинутого читателя>

У бактерий описана особая сигнальная система, вызывающая ряд событий в ответ на повреждение ДНК. Сначала — стимуляция репарации ДНК, затем (если это оказывается недостаточным) — блокада размножения и, наконец, при еще большей степени повреждения — активный лизис бактериальной стенки, ведущий к гибели клетки. Такой в общем-то беспощадный принцип позволяет предотвратить утрату генетического наследия вида из-за ошибок, вкравшихся в биологический текст при его сохранении и многократном воспроизведении. Как пишет К. Льюис, «вполне возможно, что основная опасность, подстерегающая одноклеточные организмы, — это не конкуренция, патогены или истощение питательных материалов, а их собственный клон, превратившийся в группу «безнадежных монстров», способных вызвать смерть всей популяции». Чтобы избежать этой опасности, бактерия с поврежденной ДНК кончает с собой задолго до того, как геном до такой степени испортится, что синтез белков полностью прекратится.

Итак, программы гибели, открытые первоначально в клетках многоклеточных существ, есть и у одноклеточных. Поскольку в случае одноклеточного понятия «клетка» и «организм» совпадают, можно утверждать, что запрограммированная смерть организма записана в геноме по меньшей мере у одноклеточных.

«Но ведь совершенно очевидно, — говорят в этом месте «пессимисты», — что для индивида нет ничего хуже, чем умереть! Как же такой вредный признак, максимально контрпродуктивный для индивида — его носителя, не был выбракован естественным отбором?»

К сожалению, сегодня мы еще не можем прямо ответить на этот каверзнейший вопрос, хотя у нас есть определенные соображения по данному поводу (см. ниже, раздел 11.4.1). Но каким бы он ни был, уже сейчас нельзя отрицать очевидный факт существования программ смерти одноклеточных. А если это так, то почему программа старения не может быть частным случаем явлений такого типа, эдаким медленным самоубийством? Кстати, у одноклеточных эукариот, а именно у S.cerevisiae, на которых была открыта смертоносная программа, включаемая феромонами, описано так называемое репликативное старение: дрожжевая клетка, делясь, может дать почку, дающую затем дочернюю клетку, примерно 30 раз, после чего детородная функция исчезает (совсем как у стареющих высших животных, достигших состояния менопаузы). Но, может быть, старение запрограммировано только у одноклеточных организмов, продолжительность жизни которых измеряется днями, а у человека и всех прочих ныне живущих многоклеточных такая программа утрачена, и они живут дольше потому, что стареют как-то иначе?

 

II.2.1. Что такое феноптоз?

Впервой главе мы кратко рассмотрели исторический аспект проблемы старения. Иными словами, как геронтологи дошли до такой жизни, когда их сообщество расколото на оптимистов и пессимистов, причем последние все еще преобладают, но постепенно теряют свои позиции: им приходится признать, что смертоносные программы существуют в геномах живых клеток, включая одноклеточные организмы, а значит, старение в принципе могло быть (по крайней мере, у одноклеточных) одной из числа таких программ.

Для дальнейшего обсуждения удобно ввести термин, обозначающий запрограммированную смерть организма. По аналогии с апоптозом (одним из видов запрограммированной смерти клетки) такую смерть организма можно было бы назвать словом «феноптоз» (термин предложен нашим крупнейшим филологом Михаилом Леоновичем Гаспаровым).

Итак, феноптоз — запрограммированная смерть организма. Как правило, программа смерти закодирована в геноме гибнущего существа и представляет собой цепь биохимических событий, вызывающих в конечном итоге его самоуничтожение. Реже такая смерть наступает в результате поведенческой реакции, закодированной в геноме гибнущего индивида, его сексуального партнера или близкого родственника жертвы.

Примеры феноптоза у одноклеточных мы рассмотрели в предыдущей главе. Теперь нам предстоит разобраться, существует ли это зловещее для индивида явление у более сложных, многоклеточных форм жизни.

 

II.2.2. Феноптоз у растений: снова гены смерти!

Быстрое старение растений, размножающихся только раз в жизни, служит, пожалуй, наиболее часто описываемым примером феноптоза, биохимический механизм которого в определенной степени уже изучен. Как пишут известный физиолог растений Л.Д. Нуден и его соавторы, «еще до того, как стало многое известно о биохимии старения [таких растений], оно рассматривалось как внутренне запрограммированный процесс, который специфичен и организован в отношении того, когда, где и как он происходит. Хотя это старение развивается с возрастом, оно не может быть отнесено к процессам пассивного старения, поскольку контролируется внутренними и внешними сигналами и может быть замедлено или ускорено этими сигналами. Напротив, старение как пассивное накопление повреждений, зависящее от времени, лучше всего иллюстрируется постепенным уменьшением жизнеспособности семян при их хранении».

Хорошо известно, что быстрое старение и смерть сои удается предотвратить удалением стручков или созревающих в них бобов. Интересный опыт был поставлен Нуденом и Мюрреем. На стадии созревания бобов авторы удалили у растения все стручки кроме одного. В положенный срок (около 3 месяцев) растение не погибло, оставшись зеленым, но листья на ветке, где был оставлен единственный стручек, пожелтели и пожухли. Гибель этих листьев не удалось предотвратить, убив флоэму струей горячего пара, направленной на ветку между листьями и стручком. Пар должен был предотвратить транспорт веществ из листьев в стручок через живую ткань флоэмы, но не из стручка к листьям через ксилему, уже омертвевшую у взрослого растения. Это доказывает, что старение сои индуцируется стручками, генерирующими какой-то смертоносный сигнал или образующими ядовитое вещество, убивающее листья. Подобное наблюдение противоречит утверждению Кирквуда и Мелова, недавно опубликовавших статью о невозможности, по их мнению, существования программы старения: «Нет каких-либо указаний, пишут авторы, что организмы, способные к размножению только раз в жизни, активно разрушаются после завершения процесса размножения».

Есть основания полагать, что важную роль во включении процесса старения листьев сои играет фитогормон абсцизовая (в переводе «листопадная») кислота. Наномолярные концентрации этой органической кислоты регулируют экспрессию ферментов, образующих или разрушающих активные формы кислорода (АФК) в листьях растения. Известно, что старение растений сопровождается резким повышением в них уровня АФК.

Старение сои — сравнительно быстрый процесс, занимающий примерно 10 дней при максимальном времени жизни этого растения, равном 90 дней. Своевременное удаление созревающих стручков многократно увеличивает продолжительность жизни сои. Подобный феномен описан и для других однократно размножающихся высших растений, включая резушку (Arabidopsis thaliana), классическую растительную модель биохимиков, генетиков и геронтологов. Именно на этом объекте 3. Мельцеру и сотрудникам, бельгийским биологам из Гента, удалось прямо опровергнуть еще один тезис уже упомянутой статьи Кирквуда и Мелова: «Среди многих генетических мутаций, влияющих на продолжительность жизни, иногда значительно увеличивающих эту продолжительность, еще не было найдено ни одной, которая полностью прекращала бы старение». Как сообщили Мельцер и коллеги в недавно опубликованных статьях, мутации в двух (из более чем 20 000) генов A.thaliana, а именно в части soc1 и full, имеют следствием переключение растения с полового на вегетативное размножение. Мутант зацветает с большим запозданием, с гораздо меньшим количеством цветков и семян и в то же время полностью утрачивает быстрое старение, вызываемое этими семенами. Продолжительность жизни организма (обычно менее трех месяцев) многократно увеличивается (по крайней мере до 18 месяцев). У растения появляется камбий, вторичный рост, одеревеневший ствол и множество корневищ. Из мелкой травы резушка становится кустарником с большими мясистыми листьями. Цветковая меристема в основном трансформируется в вегетативную.

Авторы полагают, что современная A. thaliana исходно возникла как вегетативно размножающееся многолетнее растение, первоначально конкурировавшее с другими кустами и деревьями, и лишь затем в процессе эволюции стало травой (как это случилось с хвощами и папоротниками). Такой переход сопровождался появлением полового размножения, завершающегося образованием многочисленных очень мелких семян, легко разносимых ветром на большие расстояния. Семена быстро прорастают и, попав в открытую почву, дают побеги мелкой травы, которая растет, не конкурируя с другими растениями, еще не успевшими вырасти на этой почве.

Современная резушка — короткоживущий организм, убиваемый своими собственными семенами. Ранняя смерть ускоряет смену поколений, а стало быть, и эволюцию A. thaliana. Другое обстоятельство, также ускоряющее эволюцию, состоит в том, что резушка — однократно размножающееся существо, так что новая порция семян будет заведомо образована другим индивидом, а это повышает разнообразие потомства и, стало быть, увеличит вероятность появления новых признаков. В ту же сторону (ускорения эволюции) влияет сама смена вегетативного размножения на половое, где геном потомства — всегда гибрид геномов двух родителей. Не случайно переход к половому размножению у дрожжей есть одна из реакций на ухудшение условий среды, а значит, и попытка найти новые признаки, могущие помочь выжить в изменившейся обстановке. По-видимому, трансформация резушки из вегетативно размножающегося растения в цветковое произошло сравнительно недавно, так что древняя (вегетативная) программа жизни еще сохранилась в ее геноме в качестве резервной. Краткая жизнь A. thaliana может дать этому виду еще одно преимущество. Эта трава появляется в открытой почве и умирает так быстро, что другие растения просто не успевают достаточно развиться, чтобы конкурировать с резушкой. Поэтому она проводит всю свою короткую жизнь и дает семена в сравнительно комфортных условиях. Поразительно, что случай с A. thaliana буквально подтверждает мысль первого исследователя старения как программы Августа Вейсмана о том, что высокоорганизованные существа «носят в себе семена смерти» (см. эпиграф к этому разделу).

A. thaliana может рассматриваться в качестве прецедента, когда инактивация нескольких генов полностью предотвращает быстрое старение, влекущее за собой смерть. При этом резушка вряд ли какое-то редчайшее исключение. Мельцер и соавторы пишут: «… среди покрытосеменных растений способ жизни как многолетнего дерева мог предшествовать эволюции такого растения в однолетнюю траву, причем подобные трансформации происходили неоднократно и независимо друг от друга. И наоборот, однолетние травы, также многократно, эволюционировали в многолетние деревья. Например, различные виды однолетних трав, таких как Sonchus и Echium, на изолированных островах эволюционировали в древовидные многолетние растения из их континентальных однолеток».

Среди многолетних растений есть примеры организмов, многие годы размножающихся вегетативно, затем переключающихся на половое размножение и гибнущих после созревания семян. Как уже упоминалось в разделе 1.2.2, ряд видов бамбука имеет фиксированную продолжительность жизни, определяемую сроком цветения. Агава и мадагаскарская пальма Ravenala madagascariensis, зацветающие соответственно на десятый и сотый год, гибнут тотчас вслед за созреванием семян. Еще дольше живет растение Puya reimodii в Андах: после 150 лет вегетативного размножения она зацветает и вскоре гибнет. Однако даже этому долгожителю далеко до лишайников, найденных в Антарктиде и на Аляске: их возраст более 10 тыс. лет, а максимальная продолжительность вегетативной жизни даже неизвестна.

 

II.2.3. Феноптоз у термитов и цикад

<Для продвинутого читателя>

«В бой идут одни старики ». Статья, опубликованная 27 июня 2012 года в журнале Science Робертом Ханусом и его чешскими коллегами-биологами, называлась «Взрывающийся рюкзак старых термитов». Известно, что эти общественные насекомые разделены на касты: царица и ее с; мужья обеспечивают размножение многочисленной семьи, крупные солдаты защищают семью от врагов, а мелкие рабочие разгрызают древесину, которая служит пищей для термитов, культивирующих в своем кишечнике особые бактерии. Эти бактерии-симбионты располагают о ферментом целлюлазой, отсутствующей у животных. Целлюлаза расщепляет целлюлозу, полимерный углевод, образующий древесину, на мономеры глюкозы. Жвалы, которыми рабочие грызут древесину, со временем затупляются, так что производительность работы маленьких ct трудоголиков неуклонно падает. Так вот чехи заметили, что параллельно с затуплением жвал у рабочих на границе грудного отдела и брюшка появляются два темно-синих пятна, размер которых растет пропорционально возрасту насекомого. Когда пятна достигают внушительных размеров, рабочие меняют профессию и начинают активно участвовать в схватках с врагами — другими термитами или питающимися термитами беспозвоночными. При попытке врага схватить тщедушного рабочего «поперек живота» тот внезапно взрывается, распыляя вокруг ядовитую жидкость. Биохимический анализ синих пятен показал, что они содержат один-единственный белок-фермент — фенолоксидазу гемоцианинового типа. Этот фермент катализирует образование какого-то ядовитою взрывчатого соединения из безобидного вещества-предшественника, вырабатываемого в слюнных железах рабочего. Железы надежно отделены от пазух с синим ферментом, так что взрывоопасная смесь образуется только при повреждении врагом тканей атакуемого им рабочего. В результате гибнут оба: враг и жертва.

…У ЛЮДЕЙ ОДИНОКИХ ИЛИ ЖИВУЩИХ В КРАЙНЕЙ БЕДНОСТИ ПРИНЯТО ОТКЛАДЫВАТЬ ДЕНЬГИ НА СОБСТВЕННЫЕ ПОХОРОНЫ. ТЕРМИТ-РАБОЧИЙ ВСЮ ЖИЗНЬ ОТКЛАДЫВАЕТ СИНИЙ ФЕРМЕНТ, ЧТОБЫ УМЕРЕТЬ ГЕРОЕМ, ОТДАВ ЖИЗНЬ ЗА РОДНОЙ ТЕРМИТНИК.

Ряд других случаев феноптоза беспозвоночных описан в части I, раздел 2.3. Здесь мы позволим себе привести еще только один такой пример, а именно жизненный цикл цикады. Вот как он описан в книге Дж. Миттельдорфа «Гены самоубийства». Личинка цикады живет в почве годами (некоторые виды до семнадцати лет), после чего превращается во взрослую форму (имаго), спаривается с половым партнером и умирает (самец вскоре после роения, а самка — спустя некоторое время после откладывания яиц). Причиной смерти служит острый феноптоз из-за внезапного обезвоживания организма насекомого. Такой modus vivendi имеет глубокий биологический смысл, безусловно, выработанный многими тысячами лет эволюции. Если бы цикады выживали после спаривания и размножались многократно, они, с одной стороны, уничтожили бы растения, служащие им пищей, а с другой стороны, способствовали бы размножению птиц, которые любят лакомиться этими крупными беспозвоночными. Ни того, ни другого не происходит, если роение цикад случается всего раз в 17 лет.

 

II.2.4. Печальный конец сумчатой мыши

Не только беспозвоночные, но и позвоночные также демонстрируют примеры острого феноптоза, связанные с размножением.

Самоубийством кончают свой жизненный путь самцы австралийской сумчатой мыши (рис. 2, стр. 35). Их убивает программа, запускаемая собственным феромоном, который первоначально использовался ими для привлечения самки. Феромон рецептируется вомероназальным органом самца. Возникающий при этом сигнал при длительном воздействии каким-то образом блокирует контрольные функции гиппокампа в отношении гипоталамуса. В результате наступает сильнейший стресс из-за повышенной продукции кортикостероидов, адреналина и норадреналина и, как следствие, нарушение солевого обмена, ведущее к острой почечной недостаточности. Интересно, что и дрожжи и сумчатые мыши используют феромон в качестве феноптозного сигнала, хотя биохимические последствия этого сигнала совершенно разные у этих организмов. Описаны однократно размножающиеся виды среди некоторых земноводных и пресмыкающихся и у многих рыб.

Все примеры, перечисленные в этом разделе, можно отнести к такому способу ускорить эволюцию, как увеличение разнообразия потомства. Это разнообразие будет больше, если отцом или матерью можно стать только один раз (мы уже отмечали это обстоятельство, объясняя, почему существуют однократно размножающиеся растения).

Описанное выше быстрое запрограммированное старение однолетних растений можно сравнить с прогерией (ускоренным старением) тихоокеанского лосося. Перед нерестом эта рыба превращается в горбушу — нелепое горбатое существо со ртом, не пригодным для поглощения пищи. Горбуша погибнет вскоре после нереста. Гибель лосося напоминает ускоренное кино, где прокручивается за пару недель вся программа старения, начиная с падения иммунитета и кончая жестоким остеопорозом в костях, саркопенией скелетных мышц, утончением кожи и появлением раковых опухолей. Зоологи долгое время полагали, что ускоренное старение лосося есть следствие тяжелой работы, совершенной им, когда он плывет против течения реки к ее истокам, преодолевая порой расстояния в тысячу километров. Это предположение рухнуло, когда выяснилось, что превращение в горбушу наблюдается даже тогда, когда место нереста соединяется с океаном протокой длиной всего в несколько сот метров. Сигналом к включению программы прогерии служит, по-видимому, переход рыбы из морской воды в пресную. С. Остад считает, что прогерия лосося и медленное старение высших позвоночных имеют совершенно разную природу: ускоренное старение есть программа, а медленное — результат накопления ошибок. Этому объяснению противоречит отмеченная выше общность многих признаков двух типов старения. Т. Мальдонадо и сотрудники обнаружили в мозгу горбуши пептиды амилойдных бляшек, которые возникают с возрастом у людей, страдающих болезнью Альцгеймера.

 

II.3.1. Зубастый карпик: жизнь коротка, но надо успеть постареть

Замечательный результат был получен при изучении старения различных видов мелкой африканской рыбки — зубастого карпика рода Nothobranchius. Оказалось, что продолжительность жизни отдельных видов этого рода варьирует в пять раз в зависимости от того, где обитает данный вид в дикой природе. Так, N. furzeri из пересыхающих водоемов в Зимбабве живет всего 3 месяца, что соответствует периоду дождей в этой стране. N. rachovii и N. kuhntae из Мозамбика, где выпадает вчетверо больше осадков, живут 9,5 месяца, а N. guentheri из Занзибара (влажный климат с двумя дождливыми сезонами) — более 16 месяцев. У рыбок самого короткоживущего вида N. furzeri рост и половое созревание завершаются за месяц, после чего самки многократно нерестятся в течение оставшихся двух месяцев, пока водоем не пересохнет. Из икры, благополучно пережившей засуху, на следующий год вылупятся мальки. Поразительно, что за два последних месяца жизни рыбка успевает состариться, демонстрируя весь набор старческих признаков (уменьшение подвижности, потеря «исследовательского» поведения в открытом пространстве, горбатость и другие проявления остеопороза, накопление липофузциновых гранул в печени, резкое увеличение (3-галактозидазной активности в фибробластах кожи и т. д.).

У дольше живущих видов того же рода завершение роста и половое созревание наступают гораздо позднее. Соответственно, позже появляются и биомаркеры старения. Существенно, что указанные различия сохраняются при аквариумном содержании животных, т. е. они предопределены генетически и уже не зависят от сиюминутных условий существования. Создается впечатление, что рыбки короткоживущего вида стремятся успеть постареть за тот короткий период жизни, который им отпущен на воле. Важно также, что программа старения имеет сходные проявления у самых отдаленных видов позвоночных — от рыб до человека. Этот консерватизм — безусловное свидетельство древности данной программы.

 

II.3.2. Самопожертвование и взаимопомощь

А В. Марков начал одно из своих выступлений с описания поведения чайки, заметившей, что рыбаки вытащили сеть с богатым уловом. Вместо того чтобы наброситься на лакомство, птица немедленно поднимает громкий крик, тут же собирающий возле сети всю птичью стаю. Животное рискует частью своего обеда, который вполне может достаться сородичам, тем самым стремясь этих сородичей подкормить. Зоологам и охотникам хорошо известны многочисленные случаи, когда самка, рискуя жизнью, уводит хищника от своего малолетнего потомства. В случае неудачи гибель самки, безусловно, можно рассматривать как случай феноптоза в результате реализации определенной поведенческой программы, записанной в генах животного.

<Для продвинутого читателя>

Менее очевидны случаи биохимического феноптоза, когда альтруистическое самоубийство обусловлено таким изменением обменных процессов на клеточном уровне, которое оказывается заведомо гибельно для индивида. Выше мы уже упоминали, что бактерия E.coli, заразившись тем или иным бактериофагом, включает систему самоубийства и гибнет раньше, чем бактериофаг в ней размножится. Она либо делает свою мембрану проницаемой для ионов Н" (так что становится невозможным синтез АТФ при дыхании), либо одним из двух способов прекращает синтез белков (как своих, так и бактериофага). Клетка умирает, так и не став рассадником эпидемии в популяции.

По-видимому, подобные механизмы противоэпидемиологической защиты действуют и у животных. Интересен случай септического шока. Этот смертельный синдром вызывается так называемым эндотоксином грам-отрицательных бактерий. Эндотоксин — липополисахарид (ЛПС) внешнего слоя клеточной стенки таких бактерий. Вещества данного класса у животных просто не существует, так что его появление в кровяном русле означает попадание туда бактерий. ЛПС узнается одним из белков крови, который его связывает. Комплекс этого белка с ЛПС в свою очередь узнается специальным белком-рецептором клеток эндотелия кровеносных сосудов. Тройной комплекс «ЛПС+белок крови+рецептор» активирует цепь событий, приводящих к воспалению и апоптозу. На первых порах все это выглядит как борьба макро- и микроорганизмов. Поражает, однако, что роль микроба в такой борьбе абсолютно пассивна: бактерия не выделяет ЛПС в среду, он освобождается только в результате распада стенки бактерии, гибнущей под воздействием определенных факторов макроорганизма (этим ЛПС принципиально отличается от экзотоксинов — химического оружия бактерий, выбрасываемого наружу живой бактериальной клеткой для ее борьбы с макроорганизмом).

В этой борьбе микроб заинтересован лишь в сдерживании защитных систем животного, а не в его гибели. В общем-то бактерия виновата только в том, что ее узнали. Еще более поразительно, что по мере увеличения концентрации ЛПС в крови процессы воспаления и апоптоза нарастают как снежный ком и, никак не сдерживаемые макроорганизмом, вызывают его быструю смерть.

Трудно удержаться от аналогии с бактерией, заразившейся бактериофагом и по существу покончившей с собой, чтобы не стать рассадником инфекции. Если бактерий в кровотоке мало, то каскад событий, запускаемых ЛПС, ведет к ликвидации инфекции (это достигается прежде всего за счет активации воспалительной системы) и выздоровлению. Если же организм не может справиться с инфекцией, тот же ЛПС становится его убийцей, фактором, вызывающим феноптоз. Стандартное объяснение септического шока тем, что организму не удается контролировать развязанные им реакции, неубедительно. В организме есть, например, система сжигания практически всех имеющихся в нем веществ посредством окислительных ферментов митохондрий, которые, выйдя из-под контроля, могли бы уничтожить нас с вами за считаные минуты, но никто и никогда не наблюдал подобной смерти. Логичнее предположить, что высшие существа следуют в этом случае принципу, изобретенному еще прокариотами: заразился — постарайся не допустить размножения патогена, а если это не удается — самоликвидируйся.

Не исключено, что смерть от рака также запрограммирована, имея своей целью очистку популяции от особей, допустивших накопление слишком многих ошибок в ДНК своих яйцеклеток или сперматозоидов. В противном случае эти ошибки могли бы привести к появлению в потомстве тех безнадежных монстров, о которых пишет Льюис применительно к бактериям. Идея о том, что рак может быть тем способом, каким популяция стремиться избавиться от особей с повышенным мутационным грузом, была высказана С.С. Соммером в 1994 году и затем развита В.Н. Манских и А.В. Лихтенштейном.

 

II.4.1. Зачем организму вредные признаки

Среди возражений «пессимистов» есть одно, на которое «оптимисты» до сих пор действительно затрудняются дать окончательный ответ. Это вопрос о том, каким образом программа старения могла быть отобрана естественным отбором, если она контрпродуктивна для индивида.

Как должно быть ясно из изложенного выше, когда речь шла о быстром феноптозе, существует целый ряд контрпродуктивных программ, которые, несмотря на очевидный вред для организма, закрепились в геномах живых существ в процессе биологической эволюции. Среди них не только смерть сразу после размножения, но и быстрое старение многих однолетних растений. В последнем случае выявлены гены, необходимые для убийства растений после созревания семян, и идентифицирован один из ядов, используемых как орудие такого убийства — абсцизовая кислота. От всех этих явлений старение животных отличается лишь своим более медленным темпом.

<Для продвинутого читателя>

Одна из возможностей, объясняющих отбор контрпродуктивных программ, состоит в том, что они осуществляются бифункциональными белками, несущими, наряду с функцией, вредной для организма, также и другую, чрезвычайно полезную функцию, исчезновение которой летально. Так, цитохром с участвует в апоптозе, вызванном АФК, которые, по нашему мнению, играют ключевую роль в старении животных. Эту свою контрпродуктивную функцию (участие в процессе старения) цитохром с осуществляет, выйдя из митохондрий-в цитозоль и взаимодействуя там с белком Apaf-1. Казалось бы, мутация, инактивирующая ген цитохрома с, могла бы предотвратить старение и тем самым дать преимущества мутантному животному в борьбе за существование. Однако у цитохрома с есть £ и другая, «светлая» функция — перенос электронов по дыхательной цепи митохондрий. Исчезновение цитохрома с привело бы к остановке митохондриального дыхания, как если бы животное отравили цианидом.

Альтернативная функция обнаружена и у белка Apaf-1. Он оказался вовлеченным в каскад процессов, обеспечивающих остановку клеточного цикла (т. е. деления клеток) в ответ на повреждение ДНК. £ При этом Apaf-1 перемещается из цитозоля в клеточное ядро, где взаимодействует с чек-пойнт-киназой 1. Следующий фермент все в том же апоптозном каскаде, где участвует цитохром с и Apaf-1, — это каспаза 9. Кроме апоптоза, она оказалась необходимой для дифференцировки стволовых клеток в мышечные. Абсцизовая кислота, вызывающая гибель однолетних растений, — фитогормон, регулирующий целый ряд жизненно важных процессов у растений, таких как d развитие зародыша, размножение, деление клеток и их удлинение, о. защита от стрессов и т. д. Так что не спешите называть это вещество «смертельным ядом». Как говорил великий Френсис Крик, «биолог должен руководствоваться хорошим рабочим правилом, что эволюция гораздо умнее его». По Дж. Миттельдорфу, гены старения могут быть в значительной степени защищены от мутаций наподобие того, как это произошло с генами, кодирующими ключевые ферменты метаболизма. Другим механизмом, способствующим сохранению программ, контрпродуктивных для организма, могло бы быть наличие параллельных путей их реализации. Тогда мутация в одном из путей не приводила бы к полному выключению программы.

Итак, очевидная вредность программы старения для индивида еще не означает, что она не могла быть отобрана эволюцией. Несомненный факт состоит в том, что контрпродуктивные программы существуют и, стало быть, старение вполне может быть одной из таких программ.

 

II.4.2. Почему одни люди живут дольше других?

Если старение — программа, то почему она действует так неточно: почему, например, одни индивиды живут заметно дольше других индивидов того же вида? Этот вопрос часто ставят противники концепции старения как программы. Мы специально исследовали данную проблему вместе с известными геронтологами Л.А. и Н.С. Гавриловыми. Было проведено сравнение сроков а) начала менструаций, б) прекращения менструаций и в) смерти тех же женщин в США. В каждом из трех случаев значения разброса были нормированы на среднюю величину того возраста, когда происходит каждое из этих трех событий. Оказалось, что разбросы для начала и прекращения менструаций практически совпадают. Это — существенное указание, что признак онтогенеза (начало менструаций) ведет себя так же, как признак старения (исчезновение менструаций). Для смертности разброс был несколько выше, но все еще того же порядка. Отмеченное превышение неудивительно, так как смерть наступает не только из-за старения, но и по причинам, не зависящим от возраста.

Еще один аргумент геронтологов-пессимистов: «Зачем программировать старение, если организм столь сложен, что все равно рано или поздно износится и сломается?» Однако далеко не очевидно, что системы, отобранные миллиардами лет биологической эволюции, должны сами по себе приходить в негодность в те краткие сроки, которые отпущены для жизни индивида (см. мнение Дж. Уильямса в эпиграфе к этому разделу). Так, бактерии, найденные в залежах кристаллической соли, которым -250 млн лет, оказались вполне жизнеспособными. Один из белков кристаллинов в хрусталике кита может существовать, будучи однажды синтезированным, не менее 200 лет, причем единственное изменение, обнаруженное за это время, — спонтанная L-D-изомеризация составляющих его аминокислот (для аспартата — 2 % за каждые 10 лет).

Следует иметь в виду, что живые системы пытаются поставить под свой контроль все происходящие в них явления, стараясь вообще избежать спонтанных процессов или хотя бы свести их к минимуму. Вопрос о жизни и смерти — важнейший для организма, и поэтому вряд ли эволюция оставила его полностью на произвол судьбы.

Гипотеза о спонтанном стохастическом старении как о причине смерти противоречит тому факту, что даже среди животных, к которым относятся наиболее сложно устроенные организмы, существуют нестареющие виды: беспозвоночные (морской еж, крупные крабы, моллюски-устрицы и жемчужницы), рыбы (камбала, осетр, щука, акула, северный вид морского окуня), земноводные (жаба), пресмыкающиеся (гигантская черепаха, крокодил), птицы (альбатрос, кайра, ворон) и, наконец, млекопитающие (наиболее крупные виды китов, голый землекоп, а также, по-видимому, слепыш, летучая мышь и некоторые другие).

Эти примеры свидетельствуют о том, что нестареющие отличаются от стареющих не большей простотой своего устройства, а чем-то совсем другим. Так, нестареющий северный морской окунь вряд ли проще устроен, чем его стареющий южный собрат (продолжительность жизни всего 12 лет). Нестареющая жаба не проще стареющей лягушки, крокодил — ящерицы, летучая мышь — землеройки, а голый землекоп — полевой мыши. Последняя пара особенно интересна, поскольку оба животных, стареющее и нестареющее, небольшого и почти одинакового размера, генетически достаточно близки (мелкие грызуны) и к тому же хорошо переносят неволю.

Но эта проблема заслуживает того, чтобы ее рассмотреть более подробно, так как она в точности соответствует главной теме нашей книги.

 

II.5.1. «Голый землекоп» — нестареющее млекопитающее

Голый землекоп (Heterocephalus glaber, Rodentia: Bathyergidae, рис. 3.1 и 3.2 в первой части) — вид мелких африканских грызунов, максимальная продолжительность жизни которых в лабораторных условиях достигает по крайней мере 32 лет, равного времени нужного наблюдения за этими животным. Многие заболевания, например рак, атеросклероз, диабет, иммунодефициты, инфекционные болезни, а также некоторые виды боли у этих животных не обнаружены. Они живут большими сообществами, состоящими из «царицы», имеющей несколько сексуальных партнеров и до 200 «подчиненных». Только «царица» и ее «мужья» принимают участие в размножении. Они обитают в центре обширного подземного лабиринта размером с футбольное поле, сделанного предпочтительно в скальной породе, и, будучи надежно защищены своими «подчиненными», не имеют врагов. В лабораторных условиях голые землекопы умирают очень редко и по не известным пока причинам: считается, что из-за стычек с сородичами, иногда случайно кончающихся смертельным исходом. Уровень их смертности не зависит от возраста. Этим землекоп отличается от большинства живых существ, включая человека.

В отличие от общественных насекомых типа пчел или муравьев, «царица» и «мужья» землекопов изначально морфологически не отличаются от «подчиненных». После смерти «царицы» ее может заменить любая самка, ранее служившая в подчинении. Разительное и очевидное отличие голого землекопа от мыши состоит в том, что функция размножения монополизирована «царицей» и ее «мужьями», хорошо защищенными от внешних врагов и голода большим коллективом «подчиненных». По существу «царица» и «мужья» выведены из-под давления естественного отбора. Отсутствие врагов — общее свойство всех видов нестареющих животных, перечисленных выше: морского ежа с ядовитыми колючками; жабы с кожными железами, образующими сильнейшие яды; крупных крабов и черепах, а также жемчужниц и устриц с их прочными панцирями или раковинами; огромных хищников типа акул и крупных птиц, вооруженных острым клювом; гигантских китов, стадам которых не страшны никакие противники, и, наконец, голого землекопа — мелкого существа, создавшего многочисленный социум с немногими привилегированными особями, которым доверена функция размножения и, стало быть, участия в эволюционных процессах. В дикой природе экваториальной Африки солдаты-землекопы живут всего около трех лет, погибая в борьбе со змеями или полчищами землекопов из соседних общин. Поскольку солдаты не размножаются, их участие в эволюции оказывается практически невозможным, а стиль жизни хорошо описывается эпиграфом к этой главе

Голый землекоп интересен еще прежде всего тем, что, как и мы с вами, дорогой читатель, относится к классу млекопитающих, но более удобен для всяческих исследований, чем, например, другое нестареющее млекопитающее — гренландский кит. Замечательно также, что землекоп — достаточно близкий, но нестареющий родственник стареющих мышей и крыс, классических объектов исследования биолога-эксперимента-тора, уже изученных вдоль и поперек. В этом его преимущество перед летучей мышью, также, по-видимому, нестареющим млекопитающим, но не имеющим для сравнения какого-нибудь стареющего родича.

Когда мы говорим, что у всех нестареющих нет врагов в дикой природе, то это не означает, что достаточно обезопасить животное от врагов, чтобы оно тут же стало нестареющим. Любое лабораторное животное не имеет проблем с врагами-хищниками, но не теряет способности стареть. Вероятность смерти лабораторных мышей, в отличие от голого землекопа в тех же лабораторных условиях, неуклонно растет с возрастом. Наш друг, московский геронтолог А. Халявкин как-то обронил в дискуссии, что и голый землекоп, и кит, и летучая мышь как-то стареют, но иначе, чем остальные млекопитающие. С этим трудно спорить. Иначе — это, как мы полагаем, означает: без участия специальной биологической программы старения, записанной в их генах.

Есть два обязательных признака, по которым запрограммированное старение легко отличить от других явлений изнашивания организма. Во-первых, эта программа вызывает постепенное ослабление многих ключевых функций живого существа, в то время как для смерти достаточно внезапного выпадения одной-единственной жизненно важной функции. Т. е. биологическое старение — это не просто самоубийство, каковым являются случаи острого феноптоза (см. выше). Во-вторых, это согласованное ослабление различных функций, иначе организм быстро скатился бы в острый феноптоз. Биологическое старение — это реализация программы медленного феноптоза.

<Для продвинутого читателя> 

Выше мы упоминали о случае чисто химического старения, не запрограммированного в геноме, когда речь шла об L—>0-изомеризации белков-кристаллинов в хрусталике кита. Этот спонтанный, самопроизвольный процесс ведет к тому, что у 200-летнего животного около 40 % L-аспартата в кристаллине превращается в D-изомер, что должно пагубно сказаться на свойствах этого белка, вызвав помутнение хрусталика. Не исключено, что загадочное выбрасывание китового стада на берег связано с тем, что наиболее старый, а значит, и самый крупный кит-вожак заболел катарактой и, чтобы видеть, нуждается в хирургической операции по замене своего хрусталика на искусственный. А пока у китов это еще не практикуется, вожак ведет стадо из океана на берег, который он уже не видит, давая повод для остряков шутить, что только те киты выбрасываются из воды, которые уже накупались.

Другими примерами запрограммированного, «химического» старения могут быть процессы карбонилирования и дезамидирования белков.

 

II.5.2. А если старение ускоряет эволюцию?

В 1989 г. Р. Докинз ввел в научный обиход термин «evolvability» — способность к эволюции, или «эволюционируемость». По мнению М. Киршнера и Дж. Герхарта, такая способность, присущая всем организмам, возникшим благодаря биологической эволюции, неодинакова у разных видов. У тех из них, которые захватывали новые области обитания, естественный отбор в значительной степени шел в сторону увеличения способности эволюционировать, что происходило иногда в ущерб интересам индивида.

В части I, раздел 1.5.2 мы предложили схему мысленного эксперимента, иллюстрирующего, каким образом постепенное снижение жизненных функций при старении может ускорить эволюцию (история о лисе и двух зайцах, умном и глупом). Существенно, что молодая, т. е. более многочисленная и интенсивнее размножающаяся часть популяции не будет участвовать в таком эксперименте, служа гарантией стабильности всего того, что уже достигнуто эволюцией. В то же время стареющая часть популяции может себе позволить несколько изменить генотип, инициировав тем самым отбор какого-то нового свойства. Если это свойство будет действительно полезным, то оно будет закреплено в потомстве. Если же у нового признака окажутся неблагоприятные побочные эффекты, потенциально разрушительные для вида, признак не пройдет сито отбора, а сам эксперимент вряд ли будет иметь серьезные последствия для вида, поскольку старых особей не так уж много, размножаются они не так активно, как молодые, и вскоре просто вымрут. Таким образом, оказывается, что молодые отвечают в основном за консерватизм наследственности, а стареющие — за ее изменчивость. Последнее облегчается тем обстоятельством, что мутации, основа изменчивости живых организмов, накапливаются с возрастом. Подобная эволюционная стратегия напоминает одну особенность полового диморфизма многих видов птиц, где самка — серенькая, безголосая и вообще не склонная «высовываться» («консерватор»), а самец — пестрый, голосистый, активный, как бы сам подставляется в опасных ситуациях («революционер»). Другой функцией старения как механизма, способствующего эволюционному процессу, может быть увеличение разнообразия особей в популяции. По остроумному утверждению Дж. Миттельдорфа, нельзя отобрать более крупных индивидов, если все они одного роста. Старение ведет к изменению свойств организма, развивающемуся с несколько разной скоростью у разных особей, что неизбежно имеет следствием дивергенцию признаков, зависящих от возраста.

Дж. Миттельдорф указывает еще на одну возможную функцию старения — создание когорты более слабых организмов, играющих роль «демографического буфера» в неблагоприятных условиях. Старые, как более слабые и уступающие молодым по своей репродуктивной способности, первыми примут на себя удар ухудшающихся условий (например, появление нового врага), в какой-то мере защитив более здоровое и сильное ядро популяции.

Ясно, что все перечисленные выше функции старения смогут оказаться полезными, как все в эволюции, лишь для будущих поколений. Что же касается индивидов данного поколения, то для них старение безусловно вредно. Оно, это поколение, по существу, страдает «за гремучую доблесть грядущих веков», как сказал Осип Мандельштам.

Успешную эволюцию вида нельзя представить себе без «коэволюции» других видов в той же экосистеме. В качестве примера ситуации, когда попираются интересы партнеров по экосистеме, Дж. Миттельдорф приводит пример с саранчой Скалистых гор. В 1874 году площадь, пораженная этим видом насекомых, составила около полумиллиона квадратных километров, что того же порядка, что площадь всей Калифорнии. После саранчи на всей гигантской территории не осталось ничего зеленого, а вся почва была покрыта слоем яиц, готовых дать на следующий год новое поколение прожорливых насекомых.

Однако этому поколению есть было уже нечего, и оно все вымерло. Его гибель произошла, как пишет автор, «не потому, что индивиды саранчи были недостаточно «приспособлены». Она случилась потому, что эти индивиды были слишком агрессивны и слишком плодовиты». Примером умеренности и учета интересов также и других членов экосистемы могут быть цикады (см. часть I). Как пишет антрополог А.А. Карр-Саундерс, популяции первобытных охотников, сохранявшие свою численность в течение многих тысяч лет, применяли сразу несколько способов ограничения роста своей численности: от абортов до умерщвления новорожденных. М.Е. Гилпин в своей книге описывает случаи, когда эволюционный процесс в экосистеме организован таким образом, чтобы оградить жертвы от их полного истребления хищниками. Как пишет Дж. Миттельдорф, «нельзя создать стабильную экосистему из видов, особи которых стремятся схватить столько, сколько способны утащить, и размножаются так быстро, как только могут».

Замечательный пример такого явления дают наблюдения за львами и буйволами. В «National Geographic» опубликована фотография: представьте себе огромное стадо буйволов, покидающее место водопоя, в арьергарде стада — четверо львиц, добывающих пищу для своих прайдов. Первая из хищниц находится всего в нескольких метрах от последнего буйвола. Огромные животные не пытаются забодать и затоптать своего врага, явно намеренного спокойно следовать за стадом. Такая тактика объяснима, если учесть хорошо известный зоологам факт: львица никогда не нападет на буйволят. Она отслеживает взрослых животных, ослабленных старостью, инфекциями или случайными ранами, и очищает стадо от особей, которые сдерживают темп движения основной массы животных, да к тому же могут оказаться еще и источником инфекций.

Итак, существует довольно большая группа нестареющих видов животных, включая некоторых млекопитающих, у которых программа старения не функционирует. У тех видов (включая Homo sapiens), где эта программа задействована, она служит одним из механизмов ускорения эволюции, повышающим давление естественного отбора на постепенно слабеющих с возрастом особей. Применительно к человеку — старение есть вредный атавизм, поскольку человек перестал полагаться на слишком медленный темп своей эволюции и вместо приспособления к среде обитания предпочел приспосабливать эту среду для своих нужд.

 

II.6.1. Старение: самоотравление ядами

Известны ядовитые соединения, образуемые в ходе нормального обмена веществ в любой клетке нашего организма. Назовем наиболее встречающиеся. Это 1) угарный газ (СО), 2) альдегиды и кетоны и 3) активные формы кислорода (АФК). Яды первых двух типов образуются исключительно ферментативно и поэтому могут полностью контролироваться организмом. СО — неизбежный побочный продукт распада гема.

<Для продвинутого читателя>

Альдегиды и кетоны также образуются из биологических соединений, но в отличие от СО некоторые из них относятся к основным питательным веществам (глюкоза, фруктоза, полисахариды) или универсальным промежуточным продуктам гликолиза — главного пути расщепления углеводов в наших клетках). Яды типа АФК возникают не только ферментативно, но и без участия ферментов, например, при одноэлектронном восстановлении молекулы 0 2 посредством свободного радикала убихинона, т. е. полувосстановленной формы природного хинона митохондрий (CoQ) или при реакции Фентона (т. е. восстановлении перекиси водорода ионами Fe 2+ или Си + ). На эти процессы организм может о влиять лишь косвенно, регулируя уровень CoQ или степень восстановленности ионов железа и меди. Проблема АФК — относительно новая для организмов, так как большие количества кислорода в атмосфере — результат деятельности, прежде всего, самих живых организмов — зеленых растений и цианобактерий. Дыхание появилось первоначально как один из способов антиоксидантной защиты клетки путем обезвреживания кислорода за счет его восстановления в безобидную воду электронами, отнятыми у питательных веществ.

Чтобы убить организм, достаточно просто ослабить глубокоэшелонированную систему его защиты от АФК, а чтобы сделать это медленно, такое ослабление надо тщательно дозировать, понижая уровень антиоксидантов, либо повышая уровень АФК или их токсичность в течение всего периода взрослой жизни индивида.

 

II.6.2. Активные формы кислорода — главный яд старения

Существуют многочисленные свидетельства того, что повреждение митохондриальной ДНК специфически участвует в регуляторном каскаде, который обусловливает старение как дрожжей, так и животных.

<Для продвинутого читателя>

Полвека назад Д. Хармэн в США и вслед за ним Н.М. Эммануэль в России развили мысль о том, что старение — результат повреждения биополимеров (в первую очередь ДНК) посредством АФК. С тех пор было обнаружено множество свидетельств в пользу справедливости этого постулата, причем создалось впечатление, что первичной мишенью АФК к при старении служит ДНК митохондрий.

Совсем недавно эго положение было прямо подтверждено в элегантных опытах, выполненных в лабораториях Н.Г. Ларшона, Т.А. Проллы и Г. Зассенхауза. Исследователи обнаружили, что экспрсссия мутантной митохондриальной ДНК-полимеразы, сохранившей способность синтезировать ДНК, но утратившей возможность корректировать свои ошибки при этом синтезе, ведет к сильному увеличению частоты мутаций митохондриальной ДНК, значительному сокращению продолжительности жизни и гораздо более раннему появлению многих типичных признаков старения. Группе Зассенхауза, модифицировавшей ДНК-полимеразу только в сердечной мышце, удалось предотвратить эффект этой модификации, введя «мутаторному» животному циклоспорин А, ингибитор пор во внутренней мембране митохондрий, которые открываются с помощью АФК и по существу губят митохондрии. Адресная доставка в митохондрии антиоксиданта SkQ1 или фермента каталазы, расщепляющей перекись водорода, резко замедляет старение «мутаторных» мышей (см. ниже, гл. II.7, разделы II.7.2, II.7.3).

Уже нет сомнений, что с возрастом баланс систем генерации и обезвреживания АФК сдвигается таким образом, что возрастает как количество АФК, так и степень повреждений, вызываемых АФК. Подобная ситуация приводит к тому, что постепенно увеличивается число клеток, ушедших в апоптоз, запускаемый АФК. Погибшие клетки не заменяются в полной мере новыми, и в результате при старении уменьшается общее число клеток в тех или иных органах и тканях. Эта мысль впервые была высказана великим физиком Л. Силардом, другом А. Эйнштейна.

По Силарду, именно уменьшение «клеточности» органов служит главной причиной снижения жизненных функций — основного признака старения организма. Главная беда старения не столько в том, что каждая наша клетка работает все хуже, сколько в том, что клеток этих становится все меньше и меньше. Типичный пример — старческая саркопения, т. е. уменьшение числа клеток (миофибрилл) в скелетных мышцах. Создается впечатление, что в результате действия программы старения скелетных мышц организм вынужден требовать от этой ткани выполнения тех же функций, но при все уменьшающемся количестве миофибрилл. Так же, по-видимому, устроено старение и многих других наших тканей. Все это напоминает политику хитрого фабриканта, который заставляет свой завод выпускать прежний объем продукции, сокращая при этом количество рабочих. Чтобы справиться с задачей, у коллектива тружеников есть только одна возможность: придумать что-нибудь новенькое и увеличить производительность труда.

 

II.6.3. Как помирить геронтологов-оптимистов и пессимистов?

Все, что мы с годами узнаем о клеточном хозяйстве, с несомненностью убеждает нас в крайней степени «бюрократизации» ее управления. В клетке открыты длинные иерархии контролеров.

<Для продвинутого читателя>

Если какой-то фермент (например, мышечная АТФ-аза актомиозин) выполняет механическую работу, то есть целая цепочка других белков-ферментов, контролирующих этот процесс. Она состоит из собственно контролера № 1, непосредственно взаимодействующего с актомиозином; t-контролера 2, контролирующего работу контролера № 1; контролера № 3, т контролирующего контролера № 2, и, наконец, контролера № 4, контролируемого определенным гормоном — высшим командным устройством надклеточного уровня. Количество гормона в крови, в свою очередь, контролируется цепочкой уже других контролеров. Вся эта громоздкая система, действуя слаженно, повышает надежность работы клетки, в частности, уменьшает вероятность накопления ошибок в структурах ДНК о. и белков. Если все же такие ошибки возникают, то в ДНК они, как правило, исправляются специальными системами контроля и репарации. Что касается поврежденных или сделанных с ошибками белков, то они узнаются и метятся особыми ферментами контроля качества этих полимеров.

Ослабление контроля качества с возрастом могло бы сохранить организму многие клетки, которые в условиях более высокой жесткости этого контроля были бы уничтожены и усугубили бы уменьшение «клеточности». Побочным результатом такой стратегии стало бы накопление клеток со случайными ошибками в ДНК и белках в тканях стареющих организмов. Постепенное накопление ошибок действительно наблюдается при старении и служит главным аргументом «пессимистов» в их извечном противостоянии с «оптимистами». Как было недавно показано Т. Нистремом и сотрудниками, старение мушки дрозофилы сопровождается уменьшением активности протеасом — ключевого механизма контроля качества белков и увеличением содержания испорченных (карбонилированых или присоединивших оксиноненаль) белков. Подобный эффект описан и у высших животных (млекопитающих), а также у человека in vivo и человеческих клеток в культуре. В определенных тканях животных показано уменьшение с возрастом концентрации полипептида убиквитина, а также ферментов, участвующих в присоединении убиквитина к белку-жертве. Кроме того, оказалось, что у старых животных появляются неактивные мутантные формы убиквитина, мешающие нормальным выполнять свою функцию контролера качества белков. Однако не будем забывать, что исходно уменьшение «клеточности», по всей вероятности, запрограммированно в геноме как завершающий этап онтогенеза. Так мы приходим к ситуации, когда старение, начавшись как результат работы соответствующей программы, постепенно становится процессом накопления случайных (стохастических) поломок биополимеров, которые остаются незамеченными ослабленными системами контроля качества. Однако вернемся к начальному этапу старения, который, как мы полагаем, есть результат постепенного отравления организма теми АФК, которые он образует.

 

II.6.4. Старение как результат запрограммированного окислительного стресса

Есть множество свидетельств тому, что АФК играют роль «самурайского меча» в самоубийстве биологических систем различной степени сложности. Такого рода явления обнаруживаются уже у бактерий, где механизмы типа «токсин-антитоксин» в определенных случаях опосредованно вызывают смерть клетки в результате резкого подъема уровня АФК под действием свободного токсина. У дрожжей гибельное действие избытка феромона в конечном итоге приводит к вспышке генерации ROS в митохондриях. Самоубийство митохондрий также может осуществляться за счет вызванного АФК открытия пор во внутренней мембране этих органелл. Апоптоз и некроз клеток многоклеточных организмов сопровождается подъемом уровня АФК и открытием тех же митохондриальных пор. Органоптоз (исчезновение органа в процессе онтогенеза) хвоста головастика вызывается мощной продукцией перекиси водорода в клетках этого органа. Повышение уровня АФК с возрастом описано у дрожжей, мицелиевых грибов, растений, насекомых, млекопитающих. Смертоносное действие абсцизовой кислоты, образуемой семенами однолетних растений (см. выше, гл. 2), также опосредовано, по-видимому, активными формами кислорода.

<Для продвинутого читателя>

В только что вышедшем обзоре Б.Л. Кирквуд и А. Ковальд так суммируют аргументы в пользу тезиса о том, что старение причинно связано с токсическим эффектом АФК: 1) АФК непрерывно образуются при дыхании во всех аэробных клетках; 2) они способны вызывать окислительные повреждения практически всех органических веществ; 3) такое повреждение действительно имеет место в организме и увеличивается с возрастом; 4) мутации, уменьшающие повреждения, вызываемые АФК, увеличивают продолжительность жизни организма; 5) описаны случаи пчел, то у них вероятность смерти экспоненциально растет с возрастом, у так же, как у всех стареющих существ.

И тем не менее в последнее время участились нападки на гипотезу Хармэна ввиду явных нестыковок, накапливающихся наблюдений и предсказаний ее простейшего варианта в духе «пессимистов», полагающих, что АФК случайно вызывают повреждение ДНК и белков, в чем собственно и состоит старение организма. Например, голый землекоп образует АФК быстрее мыши, а его антиоксидантная защита слабее мышиной и потому уровень окисления ДНК и белков оказывается явно выше, чем у мыши. Казалось бы, и жить землекоп должен меньше мыши. На самом деле, однако, он живет в лаборатории более чем в 10 раз дольше, чем мышь. Ключом к пониманию загадки голого землекопа может быть факт, установленный в лаборатории Р. Баффенстайн (именно ей мы обязаны важнейшим наблюдением о независимости смертности этого животного от его возраста). Оказалось, что добавление АФК к культуре клеток землекопа не вызывает их ухода в апоптоз. Если принять, что старение есть программа реализации смертоносного сигнала, носителем которого служит АФК, то у нестареющего голого землекопа, не испытывающего давления естественного отбора, она за ненадобностью отключена, поскольку уже не может способствовать эволюции. По-видимому, это отключение произошло где-то после АФК (например, на уровне открытия посредством АФК пор в митохондриальной мембране). Т. е. АФК образуются, но включить апоптоз и некроз они уже не могут, так что уменьшения «клеточности» тканей не происходит. Вот почему, как мы думаем, наблюдается парадоксальная ситуация, когда животное не стареет, несмотря на то что образует значительные количества АФК.

Возникает вопрос: почему в эволюции именно АФК были выбраны в качестве инструмента старения? Нет сомнений, что АФК, возникшие из-за резкого повышения 02 в атмосфере где-то около 2,5 миллиарда лет тому назад, все еще представляют собой проблему для современных аэробных форм жизни. Быть может, именно поэтому старение как специализированный механизм эволюции устроено таким образом, чтобы способствовать усовершенствованию антиоксидантной системы организма. В известном смысле АФК действуют наподобие лисы в приведенном выше примере улучшения заячьей породы (часть I, раздел 11.5.2), но отбор идет не на лучший интеллект, а на лучшую систему защиты от кислорода. Это обстоятельство — прямое следствие участия АФК в осуществлении программ самоликвидации митохондрий, клеток, органов и организмов.

Здесь уместно вспомнить также и о других, важных для жизнедеятельности функциях АФК, без которых жизнь современных организмов уже невозможна (см. часть I, раздел 1.6.1). Демонстративен пример с головастиками. Как отмечалось выше, их превращение в лягушек сопровождается массовым образованием АФК, вызывающих апоптоз клеток хвоста, что ведет к его исчезновению. В то же время если оторвать кусочек хвоста у молодого головастика, то для его регенерации требуется пролиферация клеток оставшейся части, причем это явление активируется посредством АФК. Таким образом, наряду с мрачной функцией АФК как участников самоубийства отдельной клетки или даже индивида эти же самые вещества оказываются жизненно необходимы для организма.

 

II.6.5. Откуда берутся активные формы 0

2

В клетке есть несколько мест, где образуется АФК. Это прежде всего митохондрии — органеллы, ответственные за поглощение почти всего кислорода, поступающего в организм через легкие. Митохондрии состоят из двух мембран (внешней и внутренней), межмембранного пространства и матрикса, отделенного внутренней мембраной от межмембранного. В каждой клетке очень много отдельных митохондрий. Из-за складчатости внутренней митохондриальной мембраны ее общая площадь у взрослого человека измеряется тысячами квадратных метров. И эта мембрана более чем наполовину состоит из белков-ферментов, катализирующих дыхание клетки и сопряженный с ним синтез АТФ — энергетической валюты живых существ. Именно ферменты дыхания служат одним из главных катализаторов превращения 02 в анион-радикал супероксид, из которого получаются другие АФК. В принципе, главная функция дыхательных ферментов митохондрий — это превратить 02 в безобидную воду. Но даже если небольшая часть поглощаемого митохондриями кислорода будет преобразована в супероксид, количество этого потенциально ядовитого вещества будет достаточно, чтобы натворить бед в нашем организме.

Митохондрии — потенциально главный (или один из главных) генератор АФК в клетках млекопитающих. Выполнение этого условия необходимо, но еще недостаточно для заключения, что именно митохондриальные АФК обусловливают медленное, нарастающее с годами отравление организма, которое мы называем старением. В пользу такой возможности говорят следующие факты.

1) Продолжительность жизни различных видов обратно пропорциональна продукции АФК в митохондриях. Митохондрии птиц образуют АФК медленней, чем митохондрии млекопитающих того же размера, имеющих гораздо меньшую продолжительность жизни. Подобные соотношения наблюдаются также между летучей мышью (вес 8 г, живет до 34 лет) и землеройкой (вес 25 г, живет 1–2 года). В лабораториях Р.С. Сохала, Г. Бархи и М. Бранда было независимо показано, что продолжительность жизни теплокровных тем короче, чем выше скорость генерации АФК при обратном переносе электронов через комплекс I дыхательной цепи сердечных митохондрий. Такой корреляции не наблюдалось, если измеряли генерацию АФК при прямом переносе электронов через тот же участок цепи. Особенно обстоятельной оказалась работа группы из Кембриджа (Англия), где исследовали 12 видов различных млекопитающих (от мыши до бабуина и коровы) и птиц (от перепелки до голубя) (Рис. II.6.4). 11 видов отлично легли на прямую, описывающую продолжительность жизни как обратную функцию от скорости генерации митохондриальных АФК. И только один вид оказался явным исключением из правила.

Это был голый землекоп, живущий по крайней мере в 10 раз дольше мыши, но образовывавший АФК быстрее, чем мышь. Однако это тот случай, когда исключение лишь подтверждает правило. Дело в том, что голый землекоп был единственным нестареющим существом в исследованной выборке видов.

<Для продвинутого читателя>

Как уже отмечалось выше, у этого животного программа старения, по-видимому, блокирована где-то после АФК, что и объясняет его выпадение из описанной корреляции: АФК образуются, но уже не в состояний передать смертоносный сигнал дальше по цепочке событий, совокупность которых приводит к старению. Интересно сопоставление с этой точки зрения голого землекопа и летучей мыши. Оба имеют рекордную продолжительность жизни для столь мелких млекопитающих (более 30 лет), но у летучей мыши АФК образуются в митохондриях медленней, чем у короткоживущей мыши или землеройки, а у голого землекопа — быстрее. Создается впечатление, что программа старения у летучих мышей прервана до АФК, а у голого землекопа — после АФК. В данном отношении летучая мышь напоминает североамериканскую белоногую мышь Peromuscus leucopus. Этот родственник лабораторной белой мыши (они обе относятся к надсемейству Muridae), близкий к ней по размерам и физическому сложению, имеет сниженную скорость образования АФК в митохондриях, повышенные активности антиоксидантных ферментов (глутатионпероксидазы, катал азы и супероксиддисмутазы) и меньший уровень окисленности липидов. Максимальная продолжительность жизни белоногой мыши — более 8 лет > против 3,5 года лабораторной мыши. Соотношение генерации АФК митохондриями и продолжительности жизни для белоногой мыши, как и для лабораторной, отлично ложится на прямую, коррелирующую эти параметры для других животных.

Факты и соображения, изложенные выше, позволяют предполагать, что концентрация АФК в митохондриях должна с возрастом повышаться у стареющих организмов. Совсем недавно это было прямо подтверждено на дрозофиле М. Мерфи и сотрудниками, разработавшими элегантный метод измерения митохондриальных АФК in vivo с помощью проникающих катионов. Существенно, что на людях получены указания на увеличение с возрастом генерации АФК при обратном переносе электронов в мышечных митохондриях. Генерация Н 2 0 2 митохондриями молодых людей (средний возраст 23,5 года) была почти втрое ниже, чем у пожилых (67,3 года), причем этот эффект блокировался ротеноном, ингибитором комплекса I.

2) Антиоксидантная защита митохондрий значительно снижается при старении.

Ключевую роль в этом эффекте играет падение уровня белка SIRT3 — фермента-деацетилазы, стимулирующего важнейшие антиоксидантные системы митохондрий — восстановление глютатиона и супероксиддис-мутазу 2.

3) Снижение уровня митохондриальных АФК замедляет старение. Такой эффект был достигнут тремя различными способами.

<Для продвинутого читателя>

а) Каталаза, ключевой антиоксидантный фермент, расщепляющий Н 2 0 2 , был адресован в матрикс митохондрий, где он в норме отсутствует. Оказалось, что мыши с такой мутацией живут дольше. В той же лаборатории было показано, что старение скелетных мышц резко замедляется присутствием каталазы внутри митохондрий. Исчезли такие нарастающие с возрастом эффекты, как повышение продукции перекиси водорода мышечными митохондриями, увеличение числа мутаций митохондриальной ДНК, рост карбонилирования белков (особенно белков митохондрий), снижение максимальной скорости митохондриального дыхания и сопряженного с ним синтеза АТФ. Тормозилось уменьшение числа митохондрий в скелетных мышцах при старении животных. Кроме того, ослаблялось неблагоприятное действие старения на миокард, снижались явления системного вое- х паления, уменьшалась частота возникновения опухолей негематопо- 1 этического происхождения; при этом каталаза не влияла на развитие опухолей гематопоэтической системы и гломерулонефропатий. На мышах с мутацией в корректорском центре митохондриальной ДНК-полимеразы («мутаторных мышах») адресная доставка каталазы в митохондрии сердца уменьшала число делеций митохондриальной ДНК, карбонилирование белков и количество формы фермента эпоптоза — каспазы 3, повышенные у «мутаторных» мышей в отсутствие каталазы в органеллах. Перечисленные эффекты были выражены гораздо слабее или вовсе отсутствовали, если каталаза была снабжена ядерным либо пероксисомным адресом.

б) Был нокаутирован ген белка p66shc, комплексующегося с митохондриальным цитохромом с и, по-видимому, разрешающего этому цитохрому переносить электрон прямо На 0 2 , образуя О 2 ' Продолжительность жизни мышей выросла на 30 %. Интересно, что выключение гена белка p66shc снижает окислительное повреждение как митохондриальной, так и ядерной ДНК in vivo в легких, печени, селезенке, со коже, скелетных мышцах и почках, но не влияет на этот показатель о в мозге и сердце. Подобная тканевая специфика полностью соответствует содержанию p66shc, которое минимально в мозге и сердце. к Можно полагать, что эти два органа в значительной степени выведены из-под действия программы старения, по крайней мере, в той ее части, которая реализуется достаточно рано и опосредована белком p66shc.

в) В нашей лаборатории был синтезирован низкомолекулярный антиоксидант, адресованный в митохондрии (SkQ1, см. далее, гл.7). Это вещество продлевало жизнь грибов, растений, ракообразных, насекомых, рыб и млекопитающих, а также замедляло развитие большой группы старческих заболеваний и признаков.

4) Увеличение уровня митохондриальных АФК ускоряет старение. В рамках нашего проекта по борьбе со старением (гл. 7) один из его участников, президент Королевской академии наук Швеции Б. Кэннон и ее сотрудники провели опыты на «мутаторных» мышах. Как уже отмечалось выше, такие мыши умирают гораздо быстрее со всеми признаками прогерии — преждевременного старения. Эти эффекты резко ослаблялись добавкой митохондриального антиоксиданта SkQ1 в питьевую воду.

5) Старение сопровождается накоплением ошибок в митохондриальной ДНК и уменьшением количества митохондриального фосфолипида кардиолипина.

В соответствии с логикой, изложенной выше, максимальная продолжительность жизни млекопитающих оказалась в обратной зависимости от количества двойных связей и способности к пе-рекисному окислению фосфолипидов печеночных митохондрий.

Другой пример того же рода дало сравнение пчелиной матки и рабочей пчелы, продолжительность жизни измеряются соответственно годами в первом случае и десятками дней — во втором. У рабочих пчел оказалось гораздо больше полиненасыщенных жирных кислот, подверженных перекисному окислению, а у маток — насыщенных, устойчивых к этой опасности. Наконец, количество белка-антиоксиданта, ювенильного гормона пчел вителлогенина было намного выше у маток.

6) Митохондриальные АФК вызывают апоптоз, тем самым способствуя уменьшению «клеточности» органов и тканей.

<Для продвинутого читателя>

На сегодня накоплен обширный экспериментальный материал о том, как АФК участвуют в запрограммированной смерти клетки. В этом смысле особенно важны митохондриальные АФК. Мутантные клеточные линии, лишенные митохондриальной ДНК, а значит, и возможности образовывать АФК в дыхательной цепи, чрезвычайно устойчивы к апоптозу. Митохондриальный антиоксидант SkQ1 блокирует апоптоз клеток в культуре, вызванный небольшой добавкой перекиси водорода. Сама добавленная перекись быстро разлагается клеточными ферментами, но затем, через 1–2 часа, наступает мощный всплеск генерации эндогенных АФК, который как раз и снимается SkQ1. Здесь мы имеем дело с явлением, обнаруженным нашим сотрудником Д.Б. Зоровым, а именно «образованием АФК под действием других АФК». Показано также снятие некроза клеток in vitro посредством SkQ1. Кроме того, обнаружено предотвращение при помощи SkQ1 возрастной активации апоптоза крысиных фибробластов.

Таким образом, есть веские основания полагать, что именно митохондриальные АФК вызывают уменьшение количества клеток в органах и тканях стареющих организмов.

 

II.6.6. Как организм узнает, сколько ему лет

По нашему мнению, старение есть последний этап онтогенеза — индивидуального развития организма. Но если это так, то старение, как и онтогенез в целом, должно управляться «большими биологическими часами». Их существование было постулировано В.М. Дильманом и вслед за ним — А. Комфортом. Поразительно, что, несмотря на колоссальные успехи молекулярной биологии и генетики последних десятилетий, мы по-прежнему ничего не знаем об устройстве этих «часов». Более того, мы даже не догадываемся, где они находятся. Наши знания об измерении времени живыми существами пока ограничиваются суточным ритмом. Этот ритм обусловливается циклическими биохимическими реакциями, происходящими в эпифизе (у птиц) или в супрахиазматическом ядре гипоталамуса (у млекопитающих). Как в том, так и в другом случае измерение времени основывается на колебаниях в эпифизе или супрахиазматическом ядре концентрации определенных веществ, что вызывает затем циклическое изменение уровня в крови определенных гормонов, прежде всего мелатонина. Интересно, что с возрастом средняя концентрация мелатонина в крови и амплитуда его суточных колебаний неуклонно уменьшаются, причем этот процесс у людей начинается с 7 лет, являясь, по-видимому, одним из самых первых признаков старения. По данным В.Н. Гладышева и сотрудников, у голого землекопа обнаруживаются большие аномалии в первичной структуре рецепторов мелатонина.

Однако измерение времени в часовой шкале, как это делает циркадный механизм, вряд ли годится, чтобы считать годы. Сказанное не исключает участие мелатонина (см. ниже), если ключевым параметром была бы не почасовая кинетика концентраций этого гормона в крови, а, например, его средний уровень в течение суток. Здесь уместней было бы отслеживать, например, число лунных циклов, чтобы, в частности, регулировать периодичность менструального цикла у женщин.

В нашей повседневной жизни мы сверяем свои часы с эталоном — устройством, основанным на скорости радиоактивного распада. Невероятно, чтобы такой механизм использовали живые организмы. Однако в них происходят кое-какие другие спонтанные химические процессы, которые могли бы лежать в основе механизма, измеряющего годы.

 

II.7.1. Капли от неизлечимой старческой болезни

Начало проекта. А теперь по порядку: что же такое наш SkQ1 и откуда он взялся?

В основе проекта было положено утверждение, что можно попытаться прервать программу старения, предотвратив происходящий с возрастом подъем уровня митохондриальных АФК. Подчеркнем, что речь здесь должна идти не о любых АФК, а лишь об их избытке, возникающем внутри митохондрий в процессе старения организма. Дело в том, что АФК, как уже отмечалось, не только участвуют в реализации программы старения, но и выполняют целый ряд полезных функций, таких как активация генов пролиферации; защита организма от бактерий; ликвидация клеток, зараженных вирусами, а также клеток, вставших на путь малигнизации, «бездомных» клеток, случайно покинувших свою ткань и попавших в другую, и т. д.

Но как адресовать антиоксидант в митохондрии? Пауль Эрлих сто лет тому назад мечтал о «магической пуле» — лекарстве, адресованном в больную ткань, а нам нужно в качестве мишени использовать не ткань, а нечто гораздо более мелкое — внутриклеточную органеллу. Здесь нам придется возвратиться к работе, выполненной одним из нас совместно с Е.А. Либерманом в конце 60-х гг., а именно — к описанию проникающих ионов, впоследствии названных Дэвидом Грином «ионами Скулачева» (Sk+ и Sk~). Заряд этих ионов, таких как, например, тетрафенилфосфоний, экранирован крупными гидрофобными остатками и сильно делокализован, что препятствует образованию «водной шубы» вокруг иона и резко повышает его способность проходить через липидный барьер биомембран. Тогда же мы высказали предположение, что проникающие катионы могут использоваться как «молекулы-электровозы» для адресной доставки в митохондрии других соединений, лишенных положительного заряда или заряженных, но не проникающих через мембраны. Как показали наши опыты, в живой клетке митохондрия — единственная органелла, внутренность которой заряжена отрицательно по отношению к цитозолю. Поэтому любые проникающие катионы автоматически оказываются адресованными в митохондрии. Эта мысль была использована нами для объяснения роли катионной группы карнитина в транспорте в митохондрии остатков жирных кислот, а затем М. Мерфи и Р. Смитом для конструирования антиоксидантов, адресованных в митохондрии. В большинстве работ М. Мерфи использовалось вещество под названием MitoQ, где в качестве антиоксиданта был выбран убихинон, а в качестве Sk+ — катион децилтрифенил-фосфония.

Мы подтвердили способность микромолярных концентраций MitoQ накапливаться в митохондриях и защищать их от окислительного стресса. Однако оказалось, что даже небольшая передозировка этого вещества ведет к изменению знака эффекта: из антиоксиданта MitoQ превращается в мощный прооксидант, катализируя генерацию митохондриями перекиси водорода с рекордной скоростью. Такие же наблюдения были сделаны и в трех других лабораториях, в том числе и в группе самого Мерфи. Как тут не вспомнить Чехова: «От чего умер ваш дядя? — Он вместо 15 капель Боткина, как прописал доктор, принял 16!»

Тогда мы обратились к пластохинону — переносчику электронов, действующему вместо убихинона в фотосинтети-ческих электронтранспорных цепях хлоропластов растений и цианобактерий. В процессе эволюции возможной причиной замены убихинона, участвующего в дыхательной цепи митохондрий, на пластохинон в хлоропластной редокс-цепи той же растительной клетки могли бы быть именно лучшие антиоксидантные свойства пластохинона по сравнению с убихиноном, описанные в химических опытах на модельных системах. Фактически хлоропласт, образующий кислород, всегда находится в условиях гораздо более сильного окислительного стресса по сравнению с митохондриями, поглощающими этот кислород. Пластохинон в отличие от убихинона имеет две метильные группы вместо метоксильных, а единственная метильная группа убихинона заменена на водород. Оказалось, что такие замены резко повышают антиоксидантную активность полученного соединения в биологических системах. Если для MitoQ концентрации, вызывающие анти- и прооксидантные эффекты, различаются менее чем вдвое (300 и 500 нМ), то для пластохинонового производного децилтрифенилфосфо-ния, названного SkQ1, это различие возросло до 32 раз (25 и 800 нМ). С получением этого результата стало ясно, что в наших руках оказался уникальный по своей эффективности антиоксидант, действие которого специфически направлено на митохондрии и в малых дозах не осложнено побочным прооксидантным действием. Это наблюдение принципиального характера побудило нас организовать амбициозный мегапроект, главной целью которого явилось создание на основе SkQ лекарственного препарата, замедляющего действие гипотетической программы старения человека.

С самого начала было совершенно ясно, что это длительное и непростое дело. Ведь если наше новое вещество действительно тормозит программу старения, то оно должно действовать на самые разные организмы, у которых старение существует. Далее, его действие не должно ограничиваться вылечиванием какой-то одной старческой болезни, а сразу всего их букета. Хотя целью проекта было заявлено создание средства для борьбы со старением человека, начать нужно было с доклинических испытаний множества возрастных патологий на самых разных животных, чтобы затем, в случае их успеха, перейти к длительным клиническим исследованиям.

С этой задачей удалось справиться за 5 лет международному коллективу, состоящему из 300 высококвалифицированных специалистов: биологов, физиков, медиков, химиков и фармацевтов.

 

II.7.2. SkQ как геропротектор

По существу первым нашим результатом был синтез группы совершенно новых соединений, отсутствующих в живой природе и лабораторных коллекциях химиков. Это были прежде всего вещества, состоящие из пластохинона и проникающих катионов типа Sk+. Результаты наших опытов доказали способность SkQ замедлять старение (это подробно изложено в электронной версии, ).

 

II.7.3. SkQ1 в ряду других антиоксидантов

Поразительна эффективность SkQ1 как геропротектора. Пожалуй, лучше всего ее иллюстрирует опыт на мутантных мышах, лишенных гена белка р53. С возрастом практически у всех таких животных появляются лимфомы, и мыши погибают от рака гораздо раньше, чем контрольные животные. По данным П.М. Чумакова и сотрудников, антиоксидант N-ацетилцистеин продлевает среднюю продолжительность жизни мутантов примерно на одну треть, в дозе 6x10-3. Наше вещество вызвало тот же эффект в дозе 5x10-9 моля, т. е. в более чем в миллион раз меньшей.

<Для продвинутого читателя>

В опытах на крысах OXYS было произведено сравнение действия трех антиоксидантов: SkQ1, MitoQ и α-токоферола — на развитие катаракты и ретинопатии у крыс OXYS, находящихся в состоянии постоянного окислительного стресса. Полуторамесячные крысы получали антиоксиданты с пищей в течение следующих полутора месяцев. Оказалось, что SkQ1> практически полностью предотвращал развитие обоих заболеваний, в то время как MitoQ> и α-токоферол были гораздо менее эффективны. Это может объяснить отрицательный результат группы М. Мерфи, пытавшейся предотвратить развитие наследственных ретинопатий у грызунов посредством MitoQ.

Опыты на клеточных культурах продемонстрировали, что SkQ1 действительно избирательно адресуется в митохондрии, где может концентрироваться до 100 млн. раз по сравнению с внеклеточной средой.

Это вещество предотвращает перекисное окисление митохондриального фосфолипида — кардиолипина, что, по-видимому, и объясняет увеличение продолжительности жизни различных видов живых существ, и замедляет либо предотвращает развитие у них большой группы старческих болезней и признаков старения (подробнее см. тот же раздел в у электронной версии).

 

II.7.4. Отмена старости: SkQ и ограничение питания

Есть основания полагать, что попытка отменить программу старения у животных впервые дала положительный результат еще в 1934–1943 гг., когда К. М. МакКей и независимо Т. Б. Робертсон и сотрудники сообщили об увеличении продолжительности жизни крыс и мышей посредством некоторого ограничения их питания. С появлением гипотезы Хармэна о роли АФК в старении все эти эффекты стало принято объяснять уменьшением объема пищи, окисленной кислородом, а значит, и снижением сопутствующей продукции АФК и вызываемого ими повреждающего действия на биополимеры. Однако опыты опровергли такое обнаружилась уже в ранних работах по ограничению питания,

Во-первых, выяснилось, что для дрозофилы достаточно двух дней жизни впроголодь, чтобы превратить ее в «долгожителя» в той же степени, как если бы муха была ограничена в питании в течение всей своей жизни. Во-вторых, оказалось, что не только избыток пищи, но даже ее запах снижает геропротекторный эффект ограничения питания дрозофилы и нематоды С. elegans. Все эти обстоятельства вряд ли специфичны для беспозвоночных. По данным чешских авторов Е. Стучликовой и других, крысы, мыши и золотистые хомячки, ограниченные в питании на 50 % в течение двух лет, жили на 20 % дольше контрольных. Ограничение в пище в течение одного только первого или только второго года жизни увеличивало эффект до соответственно 40–60 % или 30–40 %.

<Для продвинутого читателя>

Как показали дальнейшие исследования, в эффект ограничения питания вносят вклад как углеводный, так и белковый его компоненты.

При этом за действие белков отвечает одна-единственная аминокислота, а именно метионин. Метионин относится к группе незаменимых аминокислот, так как он не может синтезироваться в организме млекопитающего, всецело зависящего от поступления метионина с пищей. Оказалось, что как продление жизни, так и уменьшение генерации АФК митохондриями и окислительного повреждения митохондриальной ДНК имитируется диетой, где белок заменяли изокалорийной смесью аминокислот, из которой исключен метионин. Существенно, что ограничение питания никак не сказывается на окислении ядерной ДНК, которого можно было бы ожидать, исходя из гипотезы о старении как неспецифическом возрастном повреждении биополимеров клетки посредством АФК и его предотвращении при снижении калорийности питания.

По нашему мнению, ограничение питания воспринимается организмом как весьма тревожный сигнал о грядущем голоде. Даже частичное голодание, как известно, влечет за собой уменьшение плодовитости. А это, в свою очередь, ставит под вопрос само существование популяции. Чтобы воспрепятствовать такому повороту событий, достаточно замедлить программу старения, продлив тем самым продолжительность репродуктивного периода индивида, т. е. увеличив общую численность его потомства. Интересно в этой связи упомянуть, что ограничение питания не имеет геро-протекторного действия на матку пчелиного улья, у которой, по-видимому, программа старения просто отменена. Иными словами, действие ограничения питания на продолжительность жизни лишь косвенно связано с АФК и представляет собой чисто регуляторный эффект. Существует ряд наблюдений, что ограничение питания действительно снижает окислительный стресс. Это прежде всего биология, а не химия. Вот почему такие явно сигнальные эффекты, как кратковременный пост (или, наоборот, запах пищи), а не только ее недостаток или избыток в течение всей жизни, оказывают мощное влияние на параметры жизненного цикла. Не случайно, что временное ограничение питания (пост) лучше, чем постоянное. Сигнал может быть подан за сравнительно короткий срок, а вообще-то длительный период жизни впроголодь сам по себе ничего хорошего организму принести не может. Возможно, что религиозные посты — это способ продления жизни путем кратковременных периодов ограничения питания. Известно, что люди, соблюдающие религиозные обряды, в среднем живут дольше.

<Для продвинутого читателя>

Сигнальный характер эффекта ограничения питания хорошо объясняет опыты с метионином. По-видимому, организм определяет количество доступной пищи, и прежде всего незаменимых аминокислот, нужных для биосинтеза его белков, отслеживая количество только одной из них — метионина.

Важно, что ограничение питания не только увеличивает среднюю продолжительность жизни, но и продлевает молодость, как было отмечено уже первооткрывателем этого явления МакКеем. Отступают старческие недуги, само поведение и даже внешний вид старых животных зачастую становятся неотличимыми от таковых у молодых.

Удивителен результат недавно опубликованной работы группы Р. Уэйндраха на приматах. Двадцатилетний опыт на 76 макаках показал, что длительное 30 %-ное ограничение питания (в опыт были взяты взрослые животные в возрасте от 7 до 14 лет) приводит к резкому уменьшению зависящей от возраста смертности (за 30 лет из всех обезьян, живших впроголодь, умерло только 20 % против 50 % в контрольной группе животных, получавших пищу at libitum), исчезновению из списка причин смерти от диабета, уменьшению вдвое частоты смертей от рака (у макак это в основном аденокарцинома кишечника), уменьшению частоты смертей от сердечно-сосудистых заболеваний, снижению остеопороза, предотвращению развития таких старческих признаков, как саркопения, уменьшение массы серого вещества головного мозга, облысение, поседение и др. К 30 годам оставшиеся в живых контрольные макаки в 80 % случаев демонстрировали явные признаки старения, в то время как в опытной группе они наблюдались лишь у 20 % животных.

На рис. 4 в первой части книги приведены фотографии двух обезьян одного и того же возраста (около 28 лет). Налицо разительное отличие: у контрольной обезьяны — безнадежный, потухший взгляд философа-пессимиста, приоткрытый рот, траурно опущены уголки губ, безжизненно повис хвост. А вот недоедавший собрат жестко смотрит в объектив широко раскрытыми глазами, рот плотно закрыт, губы сжаты в струнку, а хвост, как говорится, еще вполне «пистолетом».

Опыт на обезьянах не закончен, поэтому мы не можем делать выводы о действии ограничения питания на максимальную продолжительность жизни приматов. Однако по грызунам такие данные имеются. Они свидетельствуют, что у мышей, крыс и хомячков медианная продолжительность жизни увеличивается гораздо сильнее, чем максимальная. Наиболее простое объяснение увеличения медианной продолжительности жизни — отмена (или сильное торможение) программы старения. При этом могут замедляться и другие онтогенетические программы, прежде всего рост организма. Это происходит при достаточно сильном и продолжительном голодании. Однако более умеренное ограничение питания может удлинять жизнь и без задержки роста. Что касается максимальной продолжительности жизни, то для ее увеличения необходимо прежде всего отменить все виды рака, иначе организм с выключенной программой старения в конце концов «доживет до своего рака». Как ограничение питания, так и SkQ оказывает защитное действие при некоторых видах рака, но, к сожалению, таких раков, по-видимому, — меньшинство (см. ниже раздел II.9).

Между эффектами ограничения питания и SkQ оказалось много общего. Как в том, так и в другом случае происходит ректангуляризация кривых смертности, резко уменьшается ранняя смертность, а средняя продолжительность жизни увеличивается гораздо сильнее, чем максимальная. Их эффект состоит не столько в продлении жизни как таковой, сколько в продлении здоровой, молодой жизни. Эффективны оба воздействия на живых существ, очень сильно различающихся по своему систематическому положению (ограничение питания — на дрожжах, червях, насекомых, млекопитающих; SkQ — на мицелиевом грибе, цветковом растении, ракообразном, насекомом, рыбе и ряде млекопитающих). Действие как одного, так и другого носит ярко выраженный плейотропный характер, т. е. на них отвечает сразу множество физиологических систем организма. Отступают болезни сердечно-сосудистой системы, остеопороз, нарушения зрительного аппарата, некоторые типы рака, не происходит поседения и выпадения волос, старческой депрессии. Противоречивые данные получены по саркопении и иммунным ответам при ограничении питания. Ряд авторов отмечает, что это воздействие ослабляет как мышечную систему, так и иммунитет. В то же время Уэйндрах и соавторы указывают на отсутствие саркопении у обезьян, а МакКей и соавторы — на устойчивость к легочным инфекциям у крыс, посаженных на ограниченную диету (сравни с резким уменьшением смертности от инфекционных болезней и торможением возраст-зависимой инволюции тимуса и фолликулярных отделов селезенки под действием SkQ1. Противоположным оказалось действие ограничения питания и SkQ1 на заживление ран: жизнь впроголодь тормозила, a SkQ1, напротив, стимулировал их заживление. Не удалось затормозить ограничением питания некоторые аспекты старения зрительного аппарата крыс, хотя SkQ1 в данном случае оказался особенно эффективным. Ограничение питания снижало температуру тела и замедляло рост животного, чего не наблюдалось с SkQ1. Все это свидетельствует против такой тривиальной трактовки наших данных, как допущение, что SkQ1 уменьшает потребление животным пищи, например, снижая аппетит. Прямые измерения потребления пищи мышами, получавшими SkQ1, показали, что SkQ1 не влияет на этот параметр.

В ухудшении ряда жизненных показателей при ограничении питания нет ничего удивительного. Животные не склонны переедать, даже когда их не ограничивают в пище. Они обычно съедают столько пищи, сколько требуется для поддержания жизненных функций. Поэтому длительное снижение питания ведет к тем или иным нарушениям жизнедеятельности. Понятно также, что такие нарушения будут тем вероятнее, чем сильнее и длительнее голодание. Мы уже писали о том, что геропротек-торный эффект ограничения питания совсем не требует долгого и непрерывного голодания. Отсюда и противоречивость данных по действию ограничения питания на продолжительность жизни и состояние организма. Там, где ограничение питания было не слишком большим и не слишком долгим, преобладали благоприятные эффекты, а там, где геронтологи перебарщивали с этим воздействием, возникали отрицательные побочные последствия. Так, общепринято, что длительное ограничение питания снижает частоту эстральных циклов (иногда вплоть до их полного исчезновения), но еще в 1949 г. Карр и сотрудники показали, что временное ограничение с последующим его снятием, наоборот, способствует сохранению циклов вплоть до глубокой старости. Напомним, что подобный эффект наблюдается и в случае с SkQ1. В принципе нет никакой необходимости голодать всю жизнь, если голодание есть сигнал к продлению жизни путем замедления программы старения. Однако существует опасность, что слишком короткое, слишком слабое или запоздалое ограничение питания приведет лишь к слабому торможению программы и геропротекторный эффект окажется небольшим.

<Для продвинутого читателя>

Еще одно серьезное обстоятельство необходимо иметь в виду, рассматривая недоедание как геропротектор для человека. Ведь если это ограничение - сигнал опасности бесплодия и голодной смерти, то ответом организма должно быть не только увеличение продолжительности жизни, призванное компенсировать уменьшение рождаемости в голодные годы. Весьма вероятны и другие ответы, причем некоторые из них могут оказаться далеко не столь привлекательными, как продление здоровой жизни. Замечено, например, что в состоянии недоедания человек становится раздражительным и вспыльчивым по пустякам, а мышь, попав в «беличье колесо», не хочет покидать его, пробегая за ночь от 6 до 8 км (при нормальном питании это расстояние всегда меньше 1 км). Налицо еще один ответ на сигнал голода: крайняя обеспокоенность, попытка сканировать как можно большее пространство в поисках нищи. Перефразируя Стругацких (повесть «Понедельник начинается в субботу»), здесь мы имеем дело с мышью, «не удовлетворенной желудочно». Если у бы подобный эффект был присущ SkQ1, мы заметили бы увеличение поглощения пищи животными, получавшими SkQ1, чего в действительности не наблюдалось. Создается впечатление, что введение SkQ1 — более «чистый» способ затормозить программу старения, не отягощенный нежелательными побочными эффектами.

В ближайшие месяцы мы планируем клинические исследования геропротекторного действия на людей препарата SkQ1, принимаемого per os, т. е. через рот. Что касается ограничения питания, то, по свидетельствам Л.М. Редмэн и Э. Ра-вусина, единственный научный результат по геропротекторному воздействию на людях был получен в далеком уже 1957 г. аргентинским исследователем Э.А. Валлехо. 60 человек через день кормили уменьшенным количеством пищи, так что в среднем питание сокращалось на 35 %. 60 человек контрольной группы питались без ограничений.

Помимо краткого сообщения 1957 г., имеется анализ полученных данных, опубликованный 18 лет спустя А. Дж. Штункардом, где сообщалось о тенденции к снижению смертности и уменьшению вдвое среднего количества дней, проведенных в больнице, у лиц с ограничением питания.

 

II.7.5. Отмена старения: SkQ и физическая нагрузка

«Невероятная летающая 90-летняя старушка». Так называлась статья, появившаяся в ноябре 2010 г в газете «Нью-Йорк Таймс». Речь в ней шла об Ольге Котелько, поставившей 23 мировых рекорда для 90-летних в различных видах легкой атлетики и завоевавшей 17 золотых медалей для этой возрастной группы на Олимпийских играх в Лахти (Финляндия). Поразительно не только, в скольких видах спорта госпожа Котелько добилась победы, но и как она побеждала соперников: в метании копья она опередила ближайшую соперницу на 8 метров; стометровку пробежала за 23,95 секунды, то есть быстрее, чем лучшая бегунья категории 80–84 года, и т. п.

…Ольга была седьмым ребенком из одиннадцати в семье украинских крестьян-переселенцев в Канаду. Еще школьницей начальных классов Ольга помогала семье по хозяйству с домашними животными. В школу ходила каждый день по три километра в один конец. Вскоре после окончания школы вышла замуж, родила двух дочерей, разошлась с мужем и уехала с детьми из Саскачевана в Британскую Колумбию, где поступила в университет, получила звание бакалавра и стала учительницей в средней школе. Единственный вид спорта, которым Ольга занималась до 77 лет (сначала школьницей, а потом после выхода на пенсию), был любительский софтбол. В 77 лет на нее обратил внимание тренер по легкой атлетике, предложивший своей пожилой ученице освоить разные виды легкой атлетики. Она начала тренироваться по три раза в неделю и вскоре достигла мастерства не только в видах спорта, подходящих ей по росту (1 м 50 см), таких как прыжки в длину, бег, но и в подъеме тяжестей в положении лежа, толкании ядра и некоторых других спортивных специальностях, требовавших большой мышечной силы. С приходом славы мировой чемпионки Ольга Котелько стала объектом исследования Тани Тайвассало, физиолога, специалиста по мышцам из Университета МакГилла (Монреаль, Канада). Биопсия мышц чемпионки, сделанная в октябре 2010 года, показала отсутствие признаков саркопении и повреждений митохондрий, всегда сопутствующих такому преклонному возрасту. По признанию Тайвассало, даже у 65-летних в образце мышцы, взятом путем биопсии, всегда можно найти сколько-то мышечных волокон с морфологически аномальными митохондриями. У Котелько в ее 91 год ни одного такого волокна обнаружить не удалось. Это обстоятельство свидетельствует о том, что упорные, регулярные и длительные тренировки, начатые будущей олимпийской чемпионкой в 77 лет, обратили, то есть вылечили, старение ее мышечной ткани. Надо сказать, что вся жизнь Ольги Котелько — это история очень здорового человека, имея в виду не только ее мышечную систему. За всю свою долгую жизнь она лишь однажды попала в больницу. Профессор М.А. Тарнопольский из Университета МакМастера (Гамильтон) резюмировал феномен Ольги Котелько как пример продления молодости путем отмены программы старения: «Таким образом, вы здоровы, здоровы, здоровы, а потом в какой-то момент вы просто «играете в ящик»».

<Для продвинутого читателя>

В 2011 г. появилась совместная работа групп М.А. Тарнопольского из Канады и T.A. Пролы из США о том, что прогерия «мутаторных» мышей с дефектом в корректорской области митохондриальной ДНК-полимеразы резко ослабляется физическими упражнениями (три раза в неделю по 45 мин на бегущей дорожке, движущейся со скоростью 15 м/мин). Упражнения начинали, когда возраст мышей был около трех месяцев. Повышенная нагрузка в течение 5 месяцев продлевала жизнь о прогерических мышей более чем вдвое. При этом обращались практически все дефекты, сопутствующие ускоренному старению: раннее поседение и облысение, утомляемость, саркопения, уменьшение общего s веса тела (и в частности мозга) и толщины кожного покрова, увеличение веса сердечной мышцы и селезенки, исчезновение жировых депо, 2 уменьшение размеров яичников и семенников, падение уровня гемоглобина, эритроцитов и лейкоцитов, изменение числа, формы и размера митохондрий, резкая стимуляция апоптоза в различных тканях, уменьшение количества митохондриальной ДНК и увеличение числа мутаций в этой ДНК, уменьшение количества комплексов I–IV дыхательной цепи и фактора PGC-la, регулирующего биогенез митохондрий. Все эти изменения характерны и для нормального старения мышей, но у «мутаторных» мышей они появляются гораздо раньше. И именно этот эффект ускоренного старения тормозился (и по всей вероятности обращался!) физическими упражнениями. Как мы уже отмечали выше, опыты на мутаторных мышах, проведенные в группе Б. Кэннон в Стокгольме, показали, что SkQ1 резко увеличивает продолжительность жизни и нормализует большинство тех параметров, которые исследовали Тарновский и Прола. Как и мышечная нагрузка, SkQ1 не полностью снимал эффект < мутации на продолжительность жизни «мутаторных» мышей: они жили дольше «мутаторных» мышей без SkQ1, но все же умирали раньше, чем мыши линии дикого типа. Однако поразительным образом гибли они без таких признаков преждевременного старения, как горбатость, облысение или ступор, в который впадали примерно за неделю до смерти мыши, не получавшие нашего антиоксиданта.

«Мутаторная» мышь — не единственная модель, когда тяжелая мышечная работа частично или полностью нормализует параметры стареющего животного. По данным T.O. Столена и др., 3-месячная пред< ная физическая нагрузка снимает многие патологические измене кардиомиоцитов мышей при такой старческой болезни, как диабет.

Возникает вопрос, в какой мере применимы к человеку данные, полученные в опытах на мышах. М.А. Тарновский и сотрудники цитируют многочисленные наблюдения о положительном влиянии физической нагрузки на пожилых людей. Клавдий Гален, тот самый древнеримский врач, что ввел в научный язык слово «апоптоз», часто прописывал своим пациентам копать землю и косить сено. Пожалуй, самым ярким примером здесь остается Ольга Котелько, история которой открывает этот раздел. Однако в любом случае мы должны помнить, что положительный результат здесь достигается длительным выполнением достаточно тяжелой мышечной работы. По-видимому, ее не заменит бег трусцой. Для геропротекторного эффекта мышечной нагрузки надо, чтобы мышь пробегала по движущейся дорожке не менее 3 км в день.

Наше объяснение геропротекторного эффекта физической нагрузки состоит в следующем. Можно полагать, что организм, поставленный перед необходимостью регулярно совершать напряженную мышечную работу, тормозит программу старения так же, как это происходит в ответ на сигнал о нехватке пищи. Как и при ограничении питания, цель этого ответа — попытка найти скрытые ресурсы для обеспечения дополнительной энергоемкой функции, которая стала жизненно важной.

<Для продвинутого читателя>

Дж. Миттельдорф считает, что любое воздействие, серьезно осложняющее существование организма, имеет шанс в определенных пределах удлинять его жизнь за счет замедления старения. Таким образом индивид пытается компенсировать возросшие энергозатраты в ухудшившихся условиях. Так действуют малые дозы радиации. Здесь следует упомянуть также известный эффект, названный «гормезисом», когда небольшие q количества какого-нибудь яда (например, хлороформа) оказывают благоприятное влияние на продолжительность жизни. То же может иметь отношение к действию умеренного охлаждения и слабых инфекций, вызывающих некоторый стресс. Создается впечатление, что ослабление организма при старении — это та необязательная для особи программа, которой жертвуют, когда ухудшение условий внешней среды поставит под вопрос само существование индивида («не до жиру — быть бы живу!»).

Геронтологами замечено, что как охлаждение, так и периоды умеренного повышения окружающей температуры способны увеличивать продолжительность жизни животных. Особенно демонстративны недавние опыты Р. Ксиао и др. на черве-нематоде Caenorhabditis elegans. Выяснилось, что снижение температуры среды с 25 до 15 °C увеличивает медианную продолжительность жизни этого беспозвоночного с 9 до 30 дней. Выключение посредством мутации одного из генов червя, а именно того, который кодирует белок кальциевого канала, активируемого холодом (TRPA-1), заметно уменьшает Холодовой эффект (при 15 °C червь теперь живет только 18 вместо 30 дней, причем продолжительность жизни при 25 °C как была, так и остается равной 9 дням). Известно, что повышение уровня Са 2+ в клетке червя ведет к активации каскада белков-ферментов, действующих в следующей последовательности: 1) протеинкиназа С, 2) киназа белка DAF-16, относящегося к транскрипционным факторам FOXO и 3) собственно белок DAF-16. Последний регулирует активность большой группы генов, среди которых внутриклеточные белки антиоксидантной защиты (активируются посредством DAF-16) и апоптоза (тормозятся), а также ген внеклеточной супероксиддис-мутазы-3 (активируется). Последовательное нокаутирование каждого из генов белков этого каскада приводило к исчезновению той части эффекта холода, которая была обусловлена действием белка TRPA-1. Если вместо нокаута гена белка TRPA-1 его активность искусственно увеличивали, то эффект холода возрастал, и теперь черви жили 36 дней при 15 °C. Если же нокаутированный ген белка TRPA-1 червя заменяли на ген гомологического белка человека, то восстанавливалось обычное действие холода на продолжительность жизни нематоды. Это наблюдение указывает на универсальность (от беспозвоночных до людей) вновь открытого механизма торможения программы старения.

Вероятно, SkQ тормозит программу старения, используя те же механизмы стрессовой регуляции, что и физическая нагрузка.

 

II.8.1. «Самурайский» биологический закон

Ряд случаев острого феноптоза, рассмотренных в начале нашей книги (гл. 1.2), можно оценить как «гримасы полового размножения», когда смерть одного и тем более обоих родителей после спаривания (самцы) и появления потомства (самка) стимулируют эволюцию, так как увеличивают вероятность разнообразия этого потомства. Другой случай альтруистического самоубийства — когда кто-то из родителей жертвует собой, спасая потомство. Еще один случай острого феноптоза — самоликвидация заразившейся особи, чтобы не стать источником распространения заразы в семье, сообществе или популяции.

В медицинской практике бытует понятие внезапной смерти после кризиса. Она наступает, когда критическая ситуация уже позади, и, казалось бы, ничто не предвещает трагической развязки. Не исключено, что здесь мы имеем дело с острым феноптозом. Но в чем мог бы быть его эволюционный смысл?

Некоторое время тому назад один из авторов этой книги сформулировал принцип, названный «самурайским» законом биологии: «Лучше умереть, чем ошибиться» или в развернутой форме: «Сложные биологические системы снабжены программами самоликвидации, которые активируются, когда данная система оказывается опасной для любой другой системы, занимающей более высокое положение в биологической иерархии». В качестве одного из следствий этого закона может быть утверждение, что любое критическое состояние организма, когда он уже не гарантирует сохранность своего генома и в случае выздоровления может наплодить потомство с ошибками в этом геноме, оказывается сигналом к самоликвидации организма, т. е. феноптозу.

<Для продвинутого читателя>

Представляется вполне возможным, что механизм острого феноптоза, как и механизм медленного феноптоза (старения), использует митохондриальные АФК в качестве интермедиата. В этой связи можно упомянуть наблюдение Дж. Мацузаки и др. о том, что ограничение питания не только замедляет старение мышей (т. е. медленный феноптоз), но и препятствует развитию септического шока под действием бактериального липополисахарида (острый феноптоз). Острый феноптоз может быть вызван, помимо липополисахарида, еще и формилметионом — аминокислотой, расположенной на Ν-конце бактериальных белков. Поскольку ряд митохондриальных белков устроен по тому же принципу, что и бактериальные, обломки митохондрий, попадающие в кровь при обширных ранах мягких тканей, вызывают септический шок. Так же действует и вирус гриппа, причем его инактивация кипячением не убирает смертоносную активность. Механизм включения каскада септического шока во всех этих случаях оказывается общим, причем ключевым компонентом служит продукт перекисного окисления полиненасыщенных жирных кислот фосфолипидов.

 

II.8.2. SkQ против отложенной смерти

Впервой части книги, в главе 1.8 мы рассказали об опыте Д.Б. Зорова и его коллег, в котором SkQ полностью предотвращал гибель крыс, вызванную инфарктом (см. рис. 11.8.1). Здесь мы отметим, что в этом эксперименте SkQR1 снижал маркеры почечной недостаточности, a SkQ1 — практически не влиял на эти параметры. Создавалось впечатление, что оперированные крысы умирали не от почечной недостаточности как таковой, а по какой-то другой, отставленной во времени причине, появившейся в результате этой недостаточности.

<Для продвинутого читателя>

Дальнейшие опыты группы Д.Б. Зорова, Е.Ю. Плотникова и их коллег показали благоприятное действие SkQR1 на течение таких почечных патологий, как пиелонефрит, рабдомиолиз и отравление антибиотиком гентамицином.

В опытах групп О.И. Писаренко и Н.К. Исаева были исследованы и другие модели ишемии/реперфузии, не имеющие отношения к почечной патологии, а именно экспериментальные инфаркт миокарда и инсульт у крыс. Как в том, так и в другом случае был отмечен благоприятный эффект SkQ1 или SkQR1. SkQ1 спасал жизнь животных от сердечной аритмии, вызванной адреналином (В. И. Капелько). Подобные эффекты не имели отношения к старению, так как были получены на молодых животных. Можно предположить, что SkQ в этих случаях блокировал острый феноптоз, индуцированный общим кризисом организма.

По мнению Ф.Ф. Северина, диабет также относится к категории острого феноптоза. В соответствии с этим предположением В.Н. Попов и А.А. Андреев-Андреевский в нашем проекте показали, что SkQ1 предотвращает повышение сахара в крови у животных при диабете I типа (аллоксановом).