Аннотация: Почему почти все живые организмы стареют и умирают? Гипотетические причины описаны в этом тексте.
Эволюционная Теория Старения: Старость как Статистический Провал Отбора
Жить вечно (и при этом оставаться продуктивным, то есть, иметь продуктивное потомство) - биологически выгодно, если учесть то, что метафорическая задача генокода - забросить свои копии в будущее (примерно как какой-нибудь компьютерный вирус забрасывает свой код через сеть в другие компьютеры). Гены - ребята изобретательные: они либо используют минимальный интерфейс в виде вироидов: почти голая РНК-молекула, либо в виде чуть более сложно организованных вирусов и клеток различных типов. Чем больше копий кода, тем лучше для этого кода. Много копий = биологический успех.
Генокоды распространяют свои копии различными способами. Какой способ работает, тот и хорош, пока этот способ не перестанет работать. Например, сравнительно очень небольшое число генов научились строить многоклеточные организмы, от губок и простейших червей до слонов и тараканов. И здесь задача та же: чем больше копий генокода попадет в будущее, тем лучше. Те генокоды, которые не обладали метафорическим стремлением распространиться во времени и пространстве, давно уже лапки съежили, и их уже нет среди нас. Разумеется, генокоды - это не вирусы, но они ведут себя так же практично - им надо копировать себя в будущее, иначе их линия прервется.
Многоклеточные организмы решают свою экзистенциальную задачу иначе, чем вироиды и бактерии: они дают потомство в привычном нам смысле в виде детенышей, семян и спор, и через увеличение количества носителей генокода добиваются распространение копий генокода. Те генокоды, которым удается строить успешные многоклеточные организмы, которые могут давать жизнеспособное и плодовитое потомство, и являются биологически успешными.
Чем дольше многоклеточный организм живет и производит жизнеспособное и плодовитое потомство, тем лучше для кода. Код по идее в течение жизни многоклеточного организма не меняется. Разумеется, случаются соматические мутации и в ходе онтогенеза, но в целях данного опуса для чистоты изложения мы эти мутации во внимание не принимаем. Основные генетические изменения случаются в ходе зачатия в виде тех же мутаций и рекомбинаций; но для целей этой статьи мы сконцентрируем свое внимание на экспрессии генов. В целях данной статьи принимается во внимание лишь регуляция экспрессии генов.
Гены для создания в организме клеток различных типов (клетки кожи, печени, костей и пр.) используют механизм, который называется "регуляция экспрессии генов" (Gene Expression Regulation). Коротко говоря, гены (сами по себе не меняясь) работают по-разному в разных частях организма, в разных условиях и на разных этапах развития, роста и взросления организма, как будто генетическая программа их время от времени включает, выключает или переключает для работы в ином режиме, заставляет их сегодня работать так, а завтра - сяк. Алгоритм этот по сложности превосходит самые сложные компьютерные программы (но это не точно), и в силу этого явления мы наблюдаем не только создание клеток различных типов, необходимых для жизни организма, но и различные изменения организма, соответствующие тому или иному этапу онтогенеза: борода у младенцев не растет, а лысина не образуется в юности, хотя возможны варианты.
В рамках данного опуса мы исключаем соматические мутации и рассматриваем запрограммированные изменения режимов генной экспрессии как основной вариативный материал, подвергающийся естественному отбору на каждом этапе онтогенеза.
Первоначально и по умолчанию режимы экспрессии генов (как и все процессы, являющиеся вариативным материалом, который использует эволюция, равно как и мутации) являются рандомными, или хаотичными: природа ничего не планирует, это (по выражению Докинса) - слепой часовщик, а по выражению Дробышевского - эволюция - это не тётка, которая что-то там задумала и осуществляет свои задумки. Здесь следовало бы сделать множество оговорок, но реальность от этого не изменится; а в итоге те рандомные изменения экспрессии, которые не обеспечивали достаточно устойчивого существования организма на том или ином этапе (то есть, экспрессия гена становилась фатальной), вели к гибели организма. Здесь надо вспомнить в качестве аналогии пресловутые рандомные генетические мутации и рекомбинации и нерандомный отбор особей, обладающих жизнеспособной генетикой. Генная экспрессия работает подобным же образом: если очередное переключение режима работы гена не ведет к гибели носителя генов, то жизнь продолжается. А если ведет, то - не продолжается. Иными словами, отбор идет не только по удачному генокоду как таковому (подобно работоспособному набору классов в программном пакете Java), но и по удачно запрограммированным и осуществляемым экспрессиям на различных этапах онтогенеза.
Для отбора (как традиционного Дарвиновского типа, так и по экспрессии генов) нужны достаточные статистические самплы. Если в популяции осталось всего три особи (даже и с идеальной генетикой), то одну может съесть леопард, другая может погибнуть от голода, а третьей может с баобаба свалиться на голову кирпич, и отбор по какому-либо признаку становится просто невозможным. Отметим это условие: для "экспрессионного" отбора нужны статистически значимые количества особей на каждом этапе онтогенеза, иными словами, для каждой виртуальной оценки и отбора каждого существенного "переключения" экспрессии требуется статистически значимый сампл.
Если все идет хорошо и популяция более или менее нормально выживает в экологически благоприятных условиях (иными словами, у обезьян достаточно бананов и леопарды не пожирают слишком много обезьян до такой степени, чтобы популяция стала слишком малочисленной для поддержания демографической стабильности), то при прочих равных условиях количество особей, способных выжить в течение большего количества последовательных этапов онтогенеза (то есть, при условии непрерывной последовательности нефатальных изменений генетической экспрессии), начинает статистически увеличиваться; и соответственно количество особей, отсеявшихся вследствие неудачной экспрессии даже и после того, как они дали потомство, уменьшаться: первых просто количественно станет больше, чем вторых, и они будут статистически доминировать в популяции. Иными словами, чем больше последовательных нефатальных изменений генетической экспрессии, тем успешнее такие генокоды.
А теперь обратим внимание на то, что окружающая среда может оказаться (что обычно и имеет место в природе) вовсе не такой уж и дружественной: особи могут погибать по разным, не связанным с генами или генетической экспрессией причинам: детеныша может съесть подлый соплеменник, или укусить змея, или он может погибнуть от голода, или его растерзает соседняя конкурирующая популяция. В течение каждого года жизни особи имеется ненулевая вероятность ее гибели. Для определенности примем, что вероятность гибели составляет (например) 3% в год, и что она остается неизменной на всех этапах жизни. Разумеется, в реальности это не так: вероятность меняется по сложным законам, но для целей данного опуса это непринципиально.
Что же тогда произойдет? Простая арифметика нас учит, что до возраста в 70 лет из 100 особей доживет лишь дюжина (100 * 0.97^70 = 11.85), и это не оставляет достаточно статистического материала для отбора. Нет необходимости повторять, что проценты и динамика здесь приведены "с потолка" только для иллюстрации, но в целях данного опуса это непринципиально.
И что же из этого получится? Попросту говоря, рандомная генетическая экспрессия будет проходить дарвиновский отбор до тех пор, пока будет иметься достаточно статистического материала, а после этого (в нашем примере - после 70-летнего возраста) отбор прекратится, и экспрессия после этого будет оставаться рандомной. Иными словами, даже если особь не будет съедена леопардом, ее рандомная (то есть, беспорядочная) экспрессия (по умолчанию оставшаяся рандомной в виду статистической невозможности отбора на основе слишком малого сампла) ее погубит и без леопарда или свалившегося на голову кирпича. Грубо говоря, если экспрессия заставит ген работать так, что волосы на голове начнут расти вовнутрь и фатально повредят мозг (чудовищно нелепый пример, приведенный только для иллюстрации) или же ген станет фатальным каким-либо иным образом, организм не доживет до следующего этапа онтогенеза и погибнет.
Вот это и есть та самая СТАРОСТЬ.
Разумеется, у старух волосы не растут вовнутрь и вместо сердца не вырастает пятка, но в их организме происходит множество других неприятных изменений по причинам (inter alia) и отсутствия отбора на генную экспрессию (спросите у вашего терапевта, за рюмкой чая он может много вам рассказать о болячках стариков), и вовсе не по причине "износа", "теламеров", "накопления шлаков" и прочего. Акулы в Гренландии живут сотни лет, всякие медузы и секвойи с дубами тоже, и им шлаки с теламерами не мешают. Если бы рандомная генная экспрессия подвергалась нерандомному отбору до возраста в 200 лет, а не до 70, мы бы жили и до 200 лет.
Докинс предлагает диванную схему - законодательно запретить рожать до 30 лет. Через 5-6 поколений - до 40 лет. И так далее. Теоретически выглядит возможным (но для отбора надо, чтобы 99% вымирало, как и происходит в естественных условиях, но чтобы при этом оставалось достаточно материала для отбора), но практически это неосуществимо. Люди хотят жить здесь и сейчас и рожать тогда, когда им заблагорассудится, и если мне бы сказали в юности - ты, Влад, доживешь до 40 лет без детей, так что пойди самоубейся и освободи место для более генетически ценных граждан - я, пожалуй, объединился бы с другими "неудачниками" (а их, как мы понимаем, 97%), и мы бы разнесли всю эту систему отбора по бревнышку.
Для пояснения: есть задокументированные случаи доживания людей до 100 лет и более, и даже случаи рождения детей от родителей старше 60, но здесь вполне может сработать удачное хаотичное переключение работы генов при недостаточном сампле для закрепления этой удачи в генопуле.
Возраст, в котором индуцированная извне смертность (независимая от генов) по закону больших чисел снижает размер статистического сампла до уровня ниже критического (в нашем примере - 70 лет), является точкой, после которой практически прекращается отбор по эффективности генетической экспрессии. Это позволяет остаться в популяции генам с антагонистической плейотропией.
Классическое определение антагонистической плейотропии гласит, что такие нехорошие гены приносили пользу в молодости, но оказываются вредными, когда наступает старость. Это определение заставляет думать, что вот наступила "старость", и эти гены вдруг начали вредить; а вот если бы старость не наступила, то и гены бы оставались полезными. Классическое определение переворачивает идею с ног на голову: на самом дел не гены становятся вредными "в старости", а старость наступает в силу того, что гены не проходят отбор на пригодность экспрессии, и тогда если организму повезло и его не съел леопард, он получит счастливую возможность умереть от старости, которая и наступает вследствие сбоя в регуляции экспрессии генов (единичного, но фатального события). Иными словами, экспрессия возвращается к рандомному моду, который был бы фатален и в молодости, но который в силу статистического провала отбора не отсекается на последующих этапах. И это очень важный момент. Классическое определение по сути является циркулярным: типа "наступила старость, и гены с антагонистической плейотропией начинают действовать во вред организму, и поэтому наступает старость".
Мы стареем не потому, что природа жестока. Мы стареем потому, что статистика выживаемости у наших предков была не очень (как практически и у всех остальных организмов), а отбор выключался там, где леопарды успевали съесть слишком много особей, не оставив достаточного материала для отбора.
В сухом остатке получается вот что: возраст начала старения задается тем, до какого возраста доживали наши предки в статистически значимых количествах. Когда внешне индуцированная смертность (леопарды, соседи, баобабные кирпичи) срезала популяцию до слишком маленькой численности, отбор по качеству экспрессии прекращался. Всё, что происходило дальше, оказывалось статистическим барахлом, и даже если особи посчастливилось не быть съеденной леопардом и через 70 лет жизни, в его регуляционную генную программу пролезали и гены с антагонистической плейотропией, чтобы сделать свое черное дело. И эти их неотрегулированные эффекты и есть СТАРЕНИЕ.
Если бы Homo erectus массово доживал до 200 лет, мы бы, возможно, тоже жили бы по двести лет. К сожалению, наши предки статистически часто оказывались обедом для саванновой фауны. За что мы теперь и расплачиваемся морщинами, артритами и диагнозами длиной с чек из супермаркета.