Ник Лэйн - Кислород. Молекула, изменившая мир

Стрессовые реакции тоже характерны практически для всех организмов от бактерий до человека. О некоторых стрессовых белках мы говорили в главе 10. Их работу можно сравнить с работой службы скорой помощи: они помогают отремонтировать поврежденную ДНК, расщепляют поврежденные белки и предотвращают распространение вышедших из-под контроля цепных свободнорадикальных реакций. Клетки, которые умеют включать эти защитные реакции в ответ на изменение условий, имеют преимущество перед остальными. Они выживают и воспроизводятся, тогда как их менее адаптированные родственники, даже имеющие дополнительные хромосомы, с большей вероятностью накапливают повреждения и в конечном итоге погибают.

Таким образом, воздействуя излучением на популяцию бактериальных клеток, через несколько поколений мы можем получить нечувствительные к излучению клетки. Теперь представьте себе, что мы отключаем источник излучения. Мы отобрали популяцию закаленных бактерий, снабженных доспехами, как средневековые рыцари, и заставили их жить в мирное время. Теперь вся эта дополнительная защита становится ненужным грузом, который приходится воспроизводить со значительными затратами. Каждый раз, когда устойчивая к стрессу клетка удваивается, она воспроизводит множество копий своих генов и направляет значительное количество энергии на производство дополнительных стрессовых белков. Если какая-то бактерия теряет несколько хромосом и отключает стрессовые реакции, она начинает реплицироваться быстрее. Прежде чем произвести потомство, наша клетка-рыцарь должна скинуть с себя доспехи. Всего через несколько поколений устойчивые к стрессу бактерии забывают о своем прошлом. С нашей антропоцентрической точки зрения, заставляющей нас постоянно приписывать природе какую-то цель, такой бесконечный цикл кажется бессмысленным и неоправданным, но таков принцип эволюции. Именно поэтому бактерии — все еще бактерии.

Какое отношение это имеет к старению? Бактерии в большинстве своем вообще не стареют. Они поддерживают целостность своих генов за счет быстрого воспроизведения. Они способны делиться каждые 30 минут. Они защищаются, создавая дополнительные хромосомы, обмениваясь генами посредством конъюгации и горизонтального переноса (cм. главу 8), а также восстанавливая поврежденную ДНК. Ошибки в ДНК, которые несовместимы с нормальным функционированием клетки, устраняются естественным отбором, а любые полезные мутации столь же быстро распространяются в популяции. Так бактерии существуют уже примерно 4 млрд лет. Конечно, они эволюционировали и в этом смысле постарели, но во всех других отношениях они столь же молоды, как и бесконечное число поколений назад.

Важно отметить, что поддержание жизни бактериальной популяции сопряжено с массовой гибелью клеток. За 24 часа одна бактериальная клетка может произвести 2 48(10 16) новых клеток, что составляет около 30 кг биомассы. Понятно, что такой экспоненциальной рост невозможен. В большинстве природных сред размер бактериальных популяций изменяется слабо. Бактерии гибнут от нехватки питательных веществ или воды, становятся пищей других организмов, таких как нематоды, или перестают делиться из-за каких-то повреждений. Если количество смертей в массовом масштабе превышает количество рождений, естественный отбор вычищает из популяции генетические повреждения. Выживают только наиболее приспособленные. Как это ни странно звучит, лучший критерий для бессмертия — смерть.

Таким образом, мы приходим к интересному выводу. Если старение не является обязательным атрибутом жизни и свойственно не всем живым существам, значит, оно является результатом эволюции. А если старение — результат эволюции, оно должно хотя бы отчасти определяться на генетическом уровне, поскольку только зафиксированные на генетическом уровне признаки могут передаваться из поколения в поколение. Наконец, если старение не уничтожено естественным отбором, оно должно нести в себе какие-то преимущества.

Старение эволюционировало в то же время, что и половое размножение. Под половым размножением я понимаю создание половых клеток, таких как сперматозоиды и яйцеклетки, при слиянии которых возникает новый организм. Термины «половое размножение» и «воспроизведение» часто воспринимают как взаимозаменяемые, но в техническом плане это совсем не одно и то же. Как заметили Джон Мейнард Смит и Эорс Шатмари, «Половой процесс, на самом деле, противоположен воспроизведению, поскольку при воспроизведении клетка делится надвое, а при половом размножении две клетки cливаются воедино». Возникает вопрос, который, как мы увидим, относится и к проблеме старения: какие преимущества это дает отдельной особи?

На уровне популяции половое размножение обеспечивает несколько преимуществ. По-видимому, самым важным преимуществом является возможность быстрого распространения новых версий генов, обеспечивающая генетическую вариабельность популяции. Многие гены существуют в разных вариантах, и половое размножение позволяет создавать новые и постоянно изменяющиеся сочетания данных вариантов. В человеческой популяции это разнообразие проявляется совершенно явственно: среди всех людей вы вряд ли найдете двух генетически идентичных индивидов, за исключением однояйцевых близнецов. Это очень важно, поскольку такие популяции лучше адаптируются к изменяющимся условиям внешней среды или к действию естественного отбора.

Однако эти преимущества проявились только после эволюции полового размножения, но, как мы обсуждали в главе 7, эволюция не имеет цели. Чтобы тот или иной признак распространился в популяции, сначала он должен обеспечивать какие-то преимущества на уровне отдельных особей, которые начинают процветать за счет других особей, не имеющих этого признака. Преимущества рекомбинации генов на уровне отдельных особей совершенно неочевидны. При половом размножении две здоровые особи, которым удалось дожить до половой зрелости, спариваются между собой, перемешивая свое надежное генетическое содержимое, которое по статистике в результате такого перемешивания вполне может стать менее надежным. Причины появления полового размножения до сих пор горячо обсуждаются учеными, и мы поговорим об этом чуть позже. А сейчас заметим только, что те же самые соображения касаются и процесса старения. Если старение — результат эволюции, оно должно было обеспечивать какие-то преимущества на уровне отдельных особей, иначе оно никогда не распространилось бы в качестве неотъемлемого признака самых разных форм жизни. Старение распространено даже шире, чем половое размножение, поскольку присуще практически всем растениям и всем животным. Это означает, что его преимущества были весьма существенными.