Последний барьер: сможет ли человечество побороть смерть?

Постоянно повторяющиеся жизненные циклы рождения и смерти — это один из фундаментальных принципов природы. Организм зарождается в виде клетки, которая растет и делится, превращается в эмбрион, взрослеет, достигает зрелого возраста, но потом стареет, теряет функциональность и, в конце концов, умирает.

Но почему жизнь должна быть циклической, почему она должна заканчиваться старением и смертью?

Ведь такие животные, как кораллы и морские губки, живут на протяжении тысячелетий и способны к практически бесконечной регенерации и восстановлению клеток. Даже у более сложных животных потомство не наследует возраста своих родителей: каждое новое поколение начинается с одной клетки в ее первозданном состоянии, без признаков старения. Если старение каким-то образом подавляется в репродуктивных клетках, почему остальные ткани организма в конечном итоге истощаются и умирают?

Бессмертные зародышевые клетки — «одноразовое» тело

В конце XIX века немецкий биолог Август Вейсман выяснил, что сложные организмы состоят из двух типов клеток: «бессмертных» зародышевых — вечно молодых клеток, из которых состоит сперма и яйцеклетки, — и «одноразовых» соматических клеток, которые образуют остальную часть тела.

Клетки зародышевой линии формируют наследственность, сохраняя генетическую информацию и передавая ее последующим поколениям. Соматические клетки, напротив, не несут в себе наследственный материал и просто образуют защитную оболочку, которая отбрасывается после размножения.

Вейсман предположил простую модель организма со строгим разделением между зародышевыми клетками и соматическими — так называемый барьер Вейсмана, который не позволяет возрастным изменениям соматических клеток передаваться через зародышевые клетки к следующему поколению, которое всегда рождается молодым.

Совсем недавно идеи Вейсмана были кардинально пересмотрены Томасом Кирквудом в его теории «одноразовой сомы». Кирквуд, вдохновленный идеями Медавара и Уильямса, утверждал, что сила естественного отбора уменьшается с возрастом, потому что большинство организмов в естественной среде умирает из-за внешних опасностей, таких как хищники, паразиты и истощение.

Организмы должны вкладывать ресурсы как в репродуктивную функцию, так и в функцию сохранения и восстановления соматических клеток. В связи с тем, что вероятность выживания с учетом внешних угроз со временем снижается, оптимальная стратегия состоит в том, чтобы выделять все меньше и меньше ресурсов на обслуживание соматических клеток с течением времени. Отсутствие восстановления клеток на поздних стадиях жизненного цикла приводит к постепенной потере функциональности и постепенному распаду — старению.

Что особенно важно, Кирквуд понял, что его теория «одноразовой сомы» работает только тогда, когда существует строгое разграничение между зародышевыми и соматическими клетками. Организмы, в которых барьер Вейсмана нарушен и соматические клетки также используются для размножения, не должны стареть.

Словом, в реальном мире картина оказалась более сложной, чем могла предсказать модель Вейсмана.

У сложных животных, таких как млекопитающие, птицы и насекомые, предположение Вейсмана о жестком разграничении зародышевых клеток и соматических справедливо: лишь относительно небольшая группа клеток взрослой особи хранит репродуктивный потенциал, а остальные не могут дать жизнь новому организму.

Но у самых древних жителей планеты, таких как гидры, кораллы и губки, все не так. Даже будучи взрослыми, эти организмы сохраняют большие популяции универсальных стволовых клеток, которые могут генерировать как соматические, так и репродуктивные клетки, то есть зародышевые клетки и соматические на самом деле не разделены. Это отсутствие зародышевой секвестрации дает кораллам и их сородичам силу регенерации и вегетативного размножения.

Не менее впечатляют различия в продолжительности жизни животных и темпах старения.

Средняя продолжительность человеческой жизни составляет около 70 лет — гораздо дольше, чем у домашних мышей, которые живут только 2 года, но гораздо меньше, чем у коралловых колоний, живущих на протяжении тысячелетий без признаков старения. У организмов, которые не стареют, хронологически старые и молодые особи практически идентичны, с универсальными популяциями стволовых клеток, постоянно обновляющими свои соматические и репродуктивные ткани.

Барьер Вейсмана не универсален для всех животных, а относится лишь к сложным организмам, подверженным соматическому старению и смерти. Не ясно, что заставило эволюцию разделить зародышевые и соматические клетки, но ответ также прольет свет на происхождение смертности сложных животных.

За эволюцией старения стоит клеточная энергетика

Существуют признаки того, что эволюция зародышевых и соматических клеток связана с клеточной энергетикой.

Клетки животных производят энергию через дыхание в митохондриях — органоидах бактериального происхождения, которые сохраняют свои собственные крошечные геномы, отличные от хромосом внутри ядра. Каждая клетка содержит десятки и сотни митохондрий, и каждая митохондрия имеет несколько молекул ДНК. Этот крошечный геном регулирует функцию митохондрии; ее целостность имеет решающее значение для клеточного дыхания, так как дефектные гены митохондрий часто приводят к изнурительным болезням, нервно-мышечной дегенерации и ранней смерти.

Большая часть дефектов в генах митохондрий возникают в результате случайных ошибок при воспроизведении ДНК. Так как клетки в развивающемся организме делятся, их митохондрии делают то же самое, каждый раз производя новые мутации ДНК.

В нашей недавней статье в PLoS Biology мы показываем, что в организмах с быстрым накоплением митохондриальных дефектов естественный отбор способствует изоляции зародышевой клетки с меньшим числом циклов воспроизведения. Это сводит к минимуму повреждение энергопроизводящих органоидов, которые потенциально могут быть переданы следующему поколению. Если темпы накопления ошибок невелики, барьер между зародышевыми и соматическими клетками не развивается.

Частота, при которой возникают ошибки копирования ДНК (скорость мутаций), различается среди групп животных, но эти различия поразительно согласуются с положениями новой гипотезы.

Скорость мутаций у высших животных, таких как млекопитающие, рептилии и птицы, удивительно высока, в 10-50 раз выше скорости, типичной для генов в ядре. С другой стороны, крайне медленная скорость мутаций митохондрий характерна для большинства древних групп животных и растений, которые способны к клональному размножению, регенерации и, казалось бы, неограниченной продолжительности жизни, а также, что особенно важно, не имеют строгого разграничения между зародышевыми и соматическими клетками.

Мы считаем, что самые древние животные развивались и воспроизводились так же, как современные кораллы и губки: это были сидячие фильтраторы, которые имели большие популяции недифференцированных стволовых клеток, непрерывно производящих как соматические, так и зародышевые клетки. Они могли восстанавливать свои части тела и размножаться путем, например, отделения группы клеток от их соматических тканей, как растения и гидры.

Благодаря низкой скорости мутаций митохондрий у них не было настоящих соматических клеток, и они были практически бессмертными.

Однако из-за роста уровня кислорода в атмосфере на границе между эдиакарским и кембрийским периодами около 550 млн лет назад увеличилась метаболическая и физическая активность некоторых первобытных животных, что привело к переходу от сидячей фильтрации к более высокой подвижности и хищничеству. Это в свою очередь увеличило риск накопления дефектов в их митохондриальных геномах и запустило процесс разделения и защиты зародышевых клеток.

Разделение зародышевых и соматических клеток позволило развиться высшим животным, но и положило начало старению и смертности.

Соматические клетки, избавленные от необходимости поддерживать бессмертие, получили возможность практически неограниченной дифференцировки в узкоспециализированные ткани, такие как кишечник, мозг или кожа.

Кстати, увеличение уровня атмосферного кислорода в конце эдиакарского периода совпадает с внезапным появлением разнообразных и сложных отпечатков тел животных в окаменелостях — так называемый кембрийский взрыв, который, как полагают, заложил основу большинства современных классов сложных животных.

Только в сложных животных мы видим одноразовые ткани с высокими энергетическими потребностями и высокой скоростью митохондриальных мутаций. Эти ткани никогда не обновляются или регенерируются. Нервные клетки в мозге человека, например, зачастую раньше других страдают от митохондриальных заболеваний, но не заменяются, так как это приведет к изменению сети синаптических связей, которые отвечают за наши воспоминания, личность и интеллект.

Сложность животных, сильная дифференциация на множество типов специализированных тканей и органов и даже сознание — все это стало возможным благодаря строгой зародышевой-соматической дихотомии и неразрывно связано со смертностью.

Человечество давно стремится к долголетию, и даже если наша продолжительность жизни сейчас растет, всему есть предел — бессмертие может быть в корне несовместимо с биологической сложностью животных с высокоэнергетическим образом жизни.

Оригинал