Почему животные стареют и умирают?
С возрастом мы слабеем и становимся более уязвимыми для болезней. Рано или поздно здоровье подводит, и мы умираем. Это происходит с большинством, но не со всеми видами животных. Если мы хотим жить дольше, важно понять, почему мы слабеем. Многие люди работают над вопросом, как происходит старение. То есть они пытаются понять, как ведут себя клетки и живые ткани по мере старения. Но есть и более глубокий вопрос: почему люди и другие животные вообще стареют? Просто ли наши тела изнашиваются, как старые машины? Или у старости есть важная эволюционная причина? В этой статье мы рассмотрим эти вопросы. Мы предполагаем, что старость и смерть служат важной цели: когда старые умирают, молодые могут быстрее адаптироваться к меняющемуся миру.
Старение - это почти универсальное явление... Но почему?
Почти все животные стареют. Более того, когда большинство животных и людей становятся очень старыми, они начинают слабеть. И если они проживут достаточно долго, то эта слабость в конце концов даже убьет их. Человеческие тела просто не созданы для того, чтобы жить вечно. Но почему? Может быть, мы похожи на мебель. Со временем диван повреждается и ломается. Но, в отличие от мебели, у живых существ есть встроенные механизмы ремонта. Некоторые виды животных стареют очень быстро и умирают менее чем за сутки, а другие, например некоторые виды медуз и моллюсков, кажется, никогда не стареют. Вероятность того, что 100-летний мужчина умрет до своего 101-го дня рождения, чрезвычайно высока, но 15-летний мальчик может с нетерпением ждать своего 16-летия. Сравните это с моллюсками: вероятность смерти гигантского 100-летнего моллюска гораздо ниже, чем у 15-летнего моллюска среднего размера. И моллюски, и люди с возрастом получают повреждения своего тела, но моллюски восстанавливают все свои повреждения, а люди - только частично, поэтому они накапливаются. Почему люди не восстанавливают все повреждения своего тела, как это делают моллюски, и живут вечно? Есть ли более серьезная причина, по которой большинство животных стареют, слабеют и в конце концов умирают?
Один мудрый биолог однажды сказал: "Ничто в биологии не имеет смысла, кроме как в свете эволюции". Эволюция объясняет, почему животные, живущие сейчас, сильно отличаются от тех, что жили миллионы лет назад. Она объясняет, как морские животные вышли на сушу и как они превратились в динозавров, птиц и обезьян. Идея проста. Подумайте обо всех львах, которые живут в одном районе. Кто-то из них больше, кто-то меньше, кто-то сильнее, кто-то быстрее. Все они разные. Некоторые из этих характеристик могут облегчить льву выживание. Например, если лев быстрый, ему легче поймать добычу. Поэтому быстрые львы выживают в большем количестве, чем медленные, что дает им больше времени для размножения. А у быстрых львов, как правило, рождаются быстрые детеныши, поэтому со временем популяция львов в целом становится быстрее. Процесс отбора признаков, облегчающих выживание, называется естественным отбором. Именно так работает эволюция.
Но как насчет примера со старением? Если естественный отбор благоприятствует тем животным, которые живут дольше и производят больше потомства, то как же тогда стареть и слабеть? Разве эволюция не должна использовать механизмы восстановления, как у моллюска, чтобы сделать животных сильнее и крепче, чтобы они могли больше размножаться? Если оставаться сильным и жить дольше лучше для создания большего числа потомков и передачи генов, то почему большинство животных слабеют? Почему старение настолько распространено среди животных, что эволюция привела к нему.
Индивидуумы против сообществ?
Быть сильным и быстрым часто хорошо для конкуренции между особями, но "хорошо" может иметь и общественное значение. Все организмы в экосистеме должны стабильно функционировать вместе. Дисбаланс может обернуться катастрофой для каждой особи и привести к вымиранию целых экосистем.
Давайте подумаем о львах с точки зрения их более широкой экосистемы. Почему львы такие сильные и быстрые? Они должны быть быстрыми, чтобы охотиться на газелей, свою добычу. Газели в экосистеме эволюционировали, чтобы быстро бегать, спасаясь от львов, а львы эволюционировали, чтобы быстро бегать, догоняя газелей. Когда газели эволюционируют, чтобы бегать еще быстрее, львы тоже должны эволюционировать, чтобы бегать быстрее, иначе они будут голодать. Когда львы эволюционируют, чтобы бегать быстрее, газели эволюционируют, чтобы бегать еще быстрее, иначе они будут съедены. Предположим, что львы могут бегать немного быстрее, чем самая быстрая газель. Это прекрасно для отдельных львов, потому что они получат достаточно еды и произведут на свет огромное количество львят в следующем поколении. Но для газелей это плохая новость. В следующем поколении львов будет больше, а газелей - меньше. И однажды быстрые, голодные львы догонят последнюю газель. Газели исчезнут из прерии, и вскоре после этого львы умрут от голода.
Но предположим, что происходит обратное: львы и газели эволюционируют, чтобы быть быстрыми, но газели немного быстрее львов. Львы преследуют газелей, но могут поймать только тех, кто болен или имеет какой-то дефект. Львы и газели образуют устойчивое сообщество. Самых слабых газелей съедают, поэтому стадо газелей остается здоровым. То же самое верно и для львов - больные и медлительные будут голодать. Для всей системы лев-газель это кажется лучшим исходом.
Таким образом, в отношениях между львами и газелями старение помогает сделать систему стабильной и прочной. Каждая газель в конце концов становится слишком старой, чтобы быстро бегать, поэтому львы получают пищу. А большинство газелей могут расти и размножаться, пока они молоды и здоровы. То, как львы и газели эволюционировали вместе, похоже, хорошо работает для обоих, и отчасти потому, что газели какое-то время сильные и быстрые, а потом с возрастом становятся медленнее и слабее. Старение может быть частью рецепта здоровой экосистемы! Но подтверждает ли наука теорию о том, что в случае со старением естественный отбор способствует благополучию всей экосистемы, а не только отдельных особей? Продолжайте читать, чтобы узнать!
Предыдущие теории эволюции и старения
За годы своего существования ученые-эволюционисты выдвинули две основные теории, объясняющие, как старение и эволюция сочетаются друг с другом. В 1957 году Джордж Уильямс предположил, что старение - это, по сути, негативный побочный эффект работы генов, которые в какой-то мере помогают нам. Например, возможно, те же гены, которые помогают молодому животному быть сильным и плодовитым, слишком сильно давят на систему и в итоге приводят к ее повреждению. В экспериментах с плодовыми мушками и лабораторными червями ученые обнаружили, что некоторые гены, которые помогают животным быть сильными и плодовитыми, действительно имеют вредные побочные эффекты, как и предсказывала теория. Но есть и множество других генов, которые увеличивают силу и жизнеспособность в раннем возрасте, а также помогают животным жить дольше! Это означает, что животные могут использовать эти гены, чтобы жить дольше без каких-либо плохих последствий. То есть идея о том, что вредные последствия будут, ошибочна.
Вторая теория заключалась в том, что для восстановления повреждений, которые приводят к старению, требуется энергия, а энергия должна поступать из пищи, которую бывает трудно получить. Поэтому наши тела должны использовать запасы энергии с умом! Использование энергии для воспроизводства сразу же - это "верный путь" к передаче генов, в то время как сохранение энергии сейчас для ремонта тела в будущем более рискованно: если животное решит сохранить энергию на потом, а не размножаться сейчас, оно может не получить возможности передать свои гены. Эта теория имела большой смысл, когда была представлена Томасом Кирквудом в 1977 году, но несколько лет спустя ученые обнаружили, что когда животным приходится меньше есть, они живут дольше! Эти факты свидетельствуют против теории Кирквуда.
Поскольку ни одна из этих теорий не объясняет в полной мере, как старение может поддерживаться естественным отбором, мы решили изучить этот вопрос самостоятельно. Мы создали математическую модель, чтобы выяснить, как эволюция может предпочесть более короткую жизнь более длинной. И мы подумали, что, возможно, старение, хотя и имеет свою цену, само по себе может быть преимуществом.
Перемены - недостающий ингредиент!
Наша математическая модель [ 1 ] была основана на оригинальной идее Андре [ 2 ], одного из авторов этой статьи. Андре добавил новый ингредиент к предыдущим математическим моделям, которые использовались для объяснения эволюции старения: изменение. Эволюция означает изменение от поколения к поколению. Животные должны меняться, потому что окружающая среда постоянно меняется. Характеристики, которые хороши и обеспечивают преимущества для выживания в один момент, могут не сработать позже, когда мир станет другим. А старение помогает заменить старых особей новыми, которые могут быть лучше приспособлены к новым условиям.
Мы запрограммировали нашу математическую модель таким образом, что каждый индивид занимает место на игровой доске, как показано на рисунке 1. В каждом квадрате может находиться только одна особь, а цвет квадрата показывает, кто в нем живет. Синие квадраты с грустными синими лицами представляют животных, которые умирают от старости. Красные квадраты с красными счастливыми лицами представляют животных, которые не страдают от старости.
Когда наши теоретические животные размножаются, их потомство рождается рядом. Так, когда у грустного синего лица появляется потомство, где-то рядом с родителем появляется новое грустное синее лицо. Это означает, что через некоторое время все жители локальной области становятся родственниками. В природе ресурсы, такие как пища, ограничены. Чтобы отразить это, в каждом квадрате может выжить только одна особь. Когда две или более особей занимают одно и то же место, они конкурируют между собой. И более способные, лучше приспособленные особи имеют больше шансов выжить. Это единственная конкуренция в игре, ни одна особь не должна беспокоиться о конкуренции с другой стороны игрового поля. В долгосрочной перспективе некоторые местные семьи имеют тенденцию распространяться больше, чем другие. Таким образом, группы родственных животных возникли естественным образом, с нерегулярными и постоянно меняющимися границами. Конкуренция чаще всего происходит между родственными животными. Это означает, что те, кто стареет, обычно конкурируют с теми, кто тоже стареет. А старение усложняет конкуренцию. Это заставляет животных быстрее адаптироваться. А быстрее меняться - важное преимущество.
Необходимость адаптироваться к изменяющимся условиям была важным фактором в нашей модели. Изменения означают, что то, что работало раньше, может не сработать в дальнейшем. Поэтому со временем мы сделали всех немного слабее - и тех, кто старел, и тех, кто не старел. В принципе, у каждого животного есть сила, которую мы называем фитнес. Те, кто обладает большей физической силой, сильнее и имеют больше шансов выжить в конкурентной борьбе. Кроме того, как и в реальной жизни, потомство может родиться немного сильнее или немного слабее своих родителей. То есть их приспособленность может быть немного выше или ниже приспособленности их родителей. Таким образом, группы могут меняться и выживать. В игре увеличение продолжительности жизни означает, что старые животные будут существовать дольше. Животные становятся слабее, потому что одновременно меняется окружающая среда в модели. Это означает, что старые животные, как правило, самые слабые. Поскольку сообщества животных меняются только тогда, когда рождаются новые животные (которые немного отличаются от своих родителей), это означает, что когда животные живут дольше, группа эволюционирует медленнее. Сообщество с коротким сроком жизни может развиваться быстрее, чем сообщество с большим сроком жизни, и поэтому быстрее приспосабливается к изменяющейся среде. Быстро эволюционирующие сообщества вскоре становятся более приспособленными, чем медленно эволюционирующие.
По воле случая у одних продолжительность жизни была короче, а у других - длиннее. Сообщества с меньшей продолжительностью жизни развивались быстрее, производя на свет более приспособленных особей.
Что означают наши результаты?
Наша математическая модель позволяет предположить, что, возможно, мы стареем потому, что мир меняется! Очевидно, что старение может нанести вред отдельным особям, лишив их возможности размножаться. Но старение может принести пользу всему сообществу, поскольку старение и смерть увеличивают скорость эволюции, делая популяции более приспособленными к изменениям в окружающей среде. Это может быть более важным для здоровья всего сообщества, чем вред от ранней смерти. Так что, возможно, старение - это важный процесс, который поддерживается эволюцией. Иногда естественный отбор может предпочесть более короткую продолжительность жизни более длинной, на благо всего сообщества!
