Что общего у голых землекопов и «голых обезьян»?

Рис. 1. Молодые голые землекопы (слева) и 30-летний патриарх — размножающийся самец (муж «царицы»). Хотя и видно, что он несколько усох с возрастом (саркопения и утрата подкожного жира — старческие признаки), он по-прежнему бодр, исправно исполняет свои супружеские обязанности и умирать вовсе не собирается. Фото из обсуждаемой статьи в Physiological reviews

Голые землекопы и люди отличаются от своих родственников (соответственно, грызунов и приматов) двумя редкими особенностями: высоко развитой социальностью и долголетием. Российские и германские биологи проанализировали факты, свидетельствующие о том, что у этих двух видов млекопитающих есть еще одна важная общая черта: ювенилизация (неотения), то есть задержка развития, ведущая к сохранению у взрослых особей ряда детских и даже эмбриональных признаков. Не исключено, что все три необычные особенности голых землекопов и «голых обезьян» — социальность, долголетие и неотения — тесно связаны между собой.

«Элементы» не раз рассказывали о голых землекопах — удивительных эусоциальных млекопитающих, существование которых было предсказано Ричардом Александером (Richard D. Alexander), специалистом по эволюции социальности (см.: R. Alexander, 1974. The evolution of social behavior), еще до того, как образ жизни этих грызунов стал известен науке.

Голые землекопы обладают целым рядом уникальных особенностей (см. ссылки в конце новости). По словам того же Александера (который всерьез занялся изучением голых землекопов, когда выяснилось, что предсказанные им эусоциальные роющие грызуны реально существуют), эти животные так же резко выделяются среди грызунов, как люди — среди приматов.

Одним из самых удивительных свойств голых землекопов является их долголетие. В лаборатории они могут жить до 30 лет и более. Предел до сих пор не установлен, поскольку голых землекопов не так давно начали содержать в неволе. Другие грызуны такого же размера (голый землекоп — зверек размером с мышь) живут раз в десять меньше. Неудивительно, что геронтологи, ищущие способы продления человеческой жизни, возлагают большие надежды на изучение голых землекопов (см.: Геном голого землекопа — ключ к секрету долголетия?, «Элементы», 11.11.2011).

Как долго живут голые землекопы в природных условиях, точно не известно, но это, судя по всему, сильно зависит от их социального статуса. Размножающиеся особи (царица и ее мужья, которых обычно бывает от одного до трех) защищены от хищников (змей) и прочих невзгод стараниями неразмножающихся рабочих особей и могут жить очень долго. Чем дольше они проживут, тем больше потомков оставят. Что касается рабочих, то они часто погибают в кровавых схватках с рабочими из соседних колоний, и поэтому средняя продолжительность их жизни, по-видимому, невелика. Однако необходимо помнить, что у голых землекопов, в отличие от многих эусоциальных насекомых, рабочие особи сохраняют реальный шанс на участие в размножении. Например, рабочая самка может занять место умершей царицы (самки в таких случаях отчаянно дерутся за «право на престол», который в итоге достается сильнейшей). Таким образом, чтобы оставить потомство, нужно не только дождаться своего шанса, но и сохранить хорошую физическую форму к тому моменту, когда этот шанс появится. Поэтому не исключено, что голому землекопу «выгодно» (с точки зрения распространения своих генов) подольше не стареть, даже если он не царь и не царица, а простой рабочий. Выражаясь более корректно, социальный образ жизни голых землекопов мог способствовать отбору на замедленное старение.

Судя по всему, процесс старения у голых землекопов действительно замедлен. Они не просто долго живут: многие «старческие» болезни, частота которых резко растет с возрастом у мышей и других млекопитающих (включая рак, диабет, многие сердечно-сосудистые и неврологические патологии) редко встречаются у голых землекопов и еще реже становятся причиной смерти. В лабораторных условиях у них не только наблюдается очень низкая смертность, но и почти не выражен рост смертности с возрастом (который часто приравнивают к самому понятию «старение»). В лаборатории, как и в природе, рабочие особи погибают чаще всего в драках с сородичами.

Вопрос о том, что общего у голых землекопов и людей, на первый взгляд напоминает аналогичный вопрос про ворона и письменный стол. Но это только на первый взгляд. Люди выделяются среди приматов не только высоко развитой социальностью (см.: Найдено ключевое различие между человеческим и обезьяньим интеллектом, «Элементы», 13.09.2007), как голые землекопы — среди грызунов, но и долголетием. Согласно базе данных AnAge (см.: В интернете появилась новая база данных по продолжительности жизни позвоночных AnAge — самая полная и точная, «Элементы», 15.06.2009), рекордная продолжительность жизни шимпанзе — 59,4 лет, человека — 122,5 лет, то есть вдвое больше (см.: Человечество приблизилось к пределу долголетия, «Элементы», 11.10.2016). Кроме того, у шимпанзе даже в идеальных условиях имеет место быстрый рост смертности с возрастом, тогда как у современных людей в развитых обществах смертность лет до 60 остается низкой и растет с возрастом очень медленно (правда, потом ее рост ускоряется).

В обзорной статье, опубликованной в журнале Physiological reviews, группа российских и германских биологов под руководством академика В. П. Скулачева проанализировала факты, свидетельствующие о том, что у голых землекопов и «голых обезьян» есть еще одна важная общая особенность. Она состоит в том, что у обоих видов во взрослом состоянии сохраняется множество черт, характерных для детенышей или даже эмбрионов близких видов.

Отдельные признаки неотении в широком смысле (ювенилизации, то есть замедления развития отдельных органов и систем организма) у голых землекопов ранее отмечались некоторыми авторами, начиная с Ричарда Александера. Новизна обсуждаемой работы состоит в том, что авторы попытались, во-первых, составить наиболее полный перечень неотенических признаков у голых землекопов, во-вторых — обсудить возможные причинно-следственные связи между неотенией, социальностью и долголетием.

1. Признаки неотении у голых землекопов. Некоторые ювенильные черты голых землекопов заметны сразу — например, мелкие (по сравнению с ближайшей родней) размеры и почти полное отсутствие волосяного покрова. Мышата тоже рождаются безволосыми, но голые землекопы остаются такими всю жизнь. Еще у голых землекопов полностью отсутствуют ушные раковины (у их родни они развиваются вскоре после рождения) и мошонка, которая у самцов крыс и мышей развивается к трехнедельному возрасту.

Другие «детские» черты обнаруживаются на молекулярном и клеточном уровнях. Например, нейроны головного мозга у голых землекопов весьма устойчивы к аноксии (кислородному голоданию). Такая устойчивость типична для новорожденных млекопитающих (она помогает не задохнуться во время родов), но с возрастом теряется. Голые землекопы сохраняют ее на всю жизнь. Устойчивость отчасти связана с повышенной экспрессией гена, кодирующего одну из субъединиц глутаматного рецептора (GluN2D). У мышей его экспрессия повышена у новорожденных и быстро снижается с возрастом, у голых землекопов — остается высокой всю жизнь.

В развитии и работе мозга голых землекопов обнаружено множество других эмбриональных и детских признаков (включая активное формирование новых нейронов — нейрогенез и сохранение высокого уровня пластичности), что свидетельствует об общей ювенилизации мозга и во многом объясняет устойчивость голых землекопов к «старческим» нейродегенеративным процессам (O. K. Penz et al., 2015. Protracted brain development in a rodent model of extreme longevity).

О замедлении развития свидетельствуют и такие признаки, как долгая беременность (66–84 дней против 20 дней у мыши) и позднее наступление полового созревания. Самки мышей начинают плодиться в полуторамесячном возрасте, а самки голых землекопов — самое раннее в 7,5 месяцев, а обычно позже (вплоть до 16 лет) — в зависимости от того, когда им удастся занять место «царицы». Плодовитость у большинства млекопитающих максимальна в начале взрослой жизни и с возрастом снижается, а у голых землекопов — растет.

Уровень важнейшего антиоксидантного фермента митохондрий, супероксиддисмутазы 2, у мышей снижается с возрастом, а у голых землекопов — нет. Это справедливо и для других ферментов с подобными функциями (супероксиддисмутаза 1, каталаза). Более того, у голых землекопов, в отличие от других млекопитающих, с возрастом не растет уровень свободных радикалов в митохондриях. Клетки голых землекопов более устойчивы к оксидантам, таким как H₂O₂. Все это может быть напрямую связано с задержкой старения (см.: Free-radical theory of aging).

Еще одна ювенильная черта голых землекопов — слабая способность к поддержанию постоянной температуры тела, что характерно для новорожденных млекопитающих. Признаки ювенилизации и замедленного развития (включая замедленное старение) отмечены также в строении легких, костей, кровеносных сосудов, митохондрий скелетных мышц, в работе влияющих на продолжительность жизни сигнальных систем с участием инсулина и инсулиноподобного фактора роста 1 (M. Barbieri et al., 2003. Insulin/IGF-I-signaling pathway: an evolutionarily conserved mechanism of longevity from yeast to humans) и т. д. Приведенный в статье список неотенических черт голых землекопов насчитывает в общей сложности 43 пункта. Эти данные хорошо согласуются с предположением о том, что голые землекопы — неотенические животные, у которых, по сравнению с другими грызунами, замедлены многие онтогенетические процессы, включая старение.

2. Признаки неотении у человека. Давно замечено, что по целому ряду признаков люди больше похожи на детенышей обезьян, чем на взрослых. По-видимому, в ходе антропогенеза у наших предков произошла ювенилизация, затронувшая не только многие морфологические признаки (рис. 2), но и особенности мозга и поведения. В частности, предполагается, что отбор на пониженную внутригрупповую агрессию («детский» признак у многих млекопитающих), происходивший на ранних этапах антропогенеза (см.: Семейные отношения — ключ к пониманию эволюции человека, «Элементы», 09.10.2009), мог попутно привести к ювенилизации ряда других признаков (см.: Бонобо ведут себя по-детски, «Элементы», 08.02.2010), подобно тому, как это произошло с одомашненными лисицами в знаменитом опыте Д. К. Беляева (см.: Л. Н. Трут, 2007. Обретет ли человек нового друга?).

Рис. 2. Череп взрослого мужчины (слева) по ряду признаков больше похож на череп детеныша шимпанзе (в центре), чем взрослого самца (справа). Фото с сайтов boneclones.com, boneclones.com, rafael.glendale.edu

Давно известные факты о замедленном развитии ряда признаков у людей по сравнению с другими обезьянами (см.: L. Bolk, 1925. On the Problem ot Anthropogenesis) недавно дополнились важнейшим массивом информации по экспрессии генов в мозге. Сравнение характера возрастных изменений экспрессии многих ключевых генов, связанных с развитием неокортекса и синаптической пластичностью, у человека и других обезьян привело исследователей к выводу о «транскрипционной неотении» человеческого мозга (M. Somel et al., 2009. Transcriptional neoteny in the human brain). Как и у голого землекопа по сравнению с другими грызунами, на молекулярном и клеточном уровне развитие человеческого мозга оказалось сильно растянутым во времени по сравнению с шимпанзе и макаками. В частности, максимальная экспрессия генов, связанных с формированием синапсов, в префронтальной коре у шимпанзе и макак наблюдается в возрасте одного года, а у человека — в пять лет (X. L. Liu et al., 2012. Extension of cortical synaptic development distinguishes humans from chimpanzees and macaques).

С одной стороны, очевидно, что растянутое во времени развитие человеческого мозга связано с его большим объемом и с трудностью прохождения большеголовых детенышей через родовые пути (см.: Быстрый рост мозга в раннем детстве — отличительная черта рода Homo, «Элементы», 29.05.2012). С другой стороны, это не отменяет того факта, что налицо замедление онтогенетических процессов (в том числе — отсрочка момента прекращения роста мозга), то есть неотения в широком смысле. К тому же не будем забывать, что аналогичное замедление характерно и для голого землекопа (см. выше), хотя итоговый объем его мозга примерно такой же, как у мыши.

Таким образом, старая идея о том, что в ходе антропогенеза произошло замедление ряда онтогенетических процессов, подтверждается новыми данными.

3. Социальность, неотения и долголетие: есть ли между ними связь? Итак, голых землекопов и людей объединяют, помимо долголетия и исключительно высоко развитой социальности, также и многочисленные неотенические черты. Что это — случайное совпадение? Или между этими тремя особенностями действительно существует связь?

Корреляция между неотенией и долгой жизнью представляется довольно естественной. Хотя мы пока еще мало знаем о генетических механизмах регуляции темпов развития (в частности, неясно, существуют ли некие единые «онтогенетические часы» или скорость развития контролируется разными молекулярными системами на разных этапах), более или менее очевидно, что тайминг развития разных подсистем организма и этапов онтогенеза — если не всех, то хотя бы некоторых — может быть взаимосвязан. Поэтому замедление одних процессов может автоматически повлечь за собой замедление других. Например, отбор на замедленное старение может привести, в качестве побочного эффекта, к задержке развития неокортекса и волосяного покрова. Или наоборот: отбор на замедленное развитие какого-то органа может привести к общему замедлению онтогенеза и продлению жизни. Ведь старение — закономерный этап жизненного цикла, зависящий от генов и «запрограммированный» в геноме точно так же, как и другие онтогенетические процессы (независимо от того, является ли старение адаптацией, поддерживаемой отбором, или побочным эффектом ослабления отбора с возрастом, см. ниже). Кроме того, можно предположить, что если отбор одновременно поддерживает замедление сразу нескольких онтогенетических процессов (например, замедленное развитие мозга — чтобы дети не рождались со слишком большими головами и лучше обучались в детстве, а замедленное старение — из-за возросшей роли бабушек и дедушек в заботе о потомстве), то в такой ситуации вероятность формирования целого комплекса неотенических изменений повышается. Таким образом, не исключено, что неотения и долголетие были приобретены голыми землекопами и людьми в едином комплексе, как два взаимосвязанных признака.

Какая связь может быть между неотенией/долголетием и высоко развитой социальностью? Рассмотрим две альтернативные гипотезы. Первая из них упоминается в обсуждаемой статье и основана на представлении о том, что старение — это адаптация на благо группы (или популяции), повышающая приспособляемость организмов (см.: Ageing theories based on evolvability). Данную идею впервые высказал еще Август Вейсман, и хотя большинство современных геронтологов ее отвергают, В. П. Скулачев является ее убежденным и последовательным сторонником. По мнению Скулачева, старение повышает эффективность естественного отбора и поэтому идет на пользу популяции в долгосрочной перспективе (см.: Гипотеза академика Скулачева). Старение как признак, вредный для индивида, но полезный для группы, может поддерживаться такими формами отбора, как групповой отбор (Group selection), родственный отбор (Kin selection) или «отбор второго порядка на эволюционную перспективность», реальность которого была продемонстрирована в долгосрочном эволюционном эксперименте Ричарда Ленски (см.: В долгосрочном эволюционном эксперименте выявлен отбор на «эволюционную перспективность», «Элементы», 25.03.2011).

В рамках идеи адаптивного старения связь долголетия с социальностью объясняется тем, что социальность у людей и голых землекопов резко ослабляет действие естественного отбора, и поэтому стареть ради повышения его эффективности становится бессмысленно. У землекопов ослабление отбора связано с тем, что многочисленные рабочие особи, которые сами не размножаются и поэтому как бы не участвуют в эволюционном процессе, надежно оберегают царицу и ее мужей от всех невзгод. У людей к защищенности добавляется еще и то, что адаптация к переменчивой среде у нас теперь идет за счет культурно-социального и научно-технического развития, а не за счет биологической эволюции. Естественный отбор становится неактуален, старение как способ повысить его эффективность теряет смысл, и «генетическая программа старения» деградирует.

Альтернативное объяснение можно дать в рамках так называемой «классической эволюционной теории старения», которая основана на идее об ослаблении естественного отбора с возрастом (см.: Evolution of ageing). Даже нестареющий организм, жизнеспособность которого не зависит от возраста, не является бессмертным: рано или поздно он все равно погибнет из-за хищника, болезни или стихийного бедствия. Вероятность дожития до возраста Х у нестареющего организма экспоненциально убывает по мере роста Х. Чем ниже вероятность дожития до данного возраста, тем слабее действие отбора на мутации, фенотипический эффект которых проявляется в таком возрасте или позже. Из этого следует неизбежность накопления вредных мутаций с поздними эффектами, которые и становятся причиной старения. Кроме того, существуют аллели, повышающие жизнеспособность или плодовитость в раннем возрасте ценой ускоренного снижения жизнеспособности с возрастом. Такие аллели распространяются, потому что их ранние фенотипические эффекты «важнее» для отбора (сильнее влияют на интегральную приспособленность), чем поздние.

«Классическая эволюционная теория старения» предсказывает, что повышенная смертность, вызываемая внешними причинами (например, хищниками или наводнениями), особенно неизбирательная (не зависящая от состояния организма), должна способствовать эволюции ускоренного старения и сдвигу репродукции на ранний возраст (стратегия «живи быстро, умри молодым»). При этом поздние стадии жизненного цикла, до которых почти никто не доживает из-за высокой внешней смертности, атрофируются под грузом мутаций, подобно неиспользуемому органу. И наоборот, снижение внешней безвыборочной смертности должно способствовать эволюции отсроченного старения и продлению жизни, то есть снижению «внутренней» смертности. Ведь теперь у особей есть шанс дожить до почтенного возраста, а значит, мутации, снижающие позднюю приспособленность, перестают быть невидимыми для отбора и начинают выбраковываться. Эти идеи подробно изложены в классической работе Джорджа Уильямса (G. C. Williams, 1957. Pleiotropy, Natural Selection, and the Evolution of Senescence).

С этой точки зрения социальность и у голых землекопов, и у людей может способствовать долголетию просто потому, что она делает жизнь более защищенной и снижает безвыборочную экзогенную смертность, тем самым способствуя отбору на долголетие. Например, мышь с мутацией, замедляющей старение, вряд ли оставит больше потомков, чем мышь без мутации. Ведь их обеих, скорее всего, кто-нибудь съест задолго до того возраста, когда мыши начинают слабеть от старости. Совсем другое дело, если вы — царица голых землекопов, сидящая в надежном подземном убежище в окружении армии верных защитников. В этом случае у вас есть хороший шанс прожить долгую и плодотворную жизнь, и чем дольше вы сможете сопротивляться старости, тем больше потомков оставите. Таким образом, в рамках данной модели мы предполагаем, что социальность не ослабляет, а наоборот, усиливает действие отбора — по крайней мере на признаки, проявляющиеся в позднем возрасте. Что касается других неотенических признаков, то они могут развиться как побочный эффект отбора на долголетие, если эволюция пойдет по пути общего замедления онтогенеза, а могут иметь и собственную адаптивную ценность.

Какое из этих объяснений ближе к реальности, покажут будущие исследования.

Источник: Vladimir P. Skulachev, Susanne Holtze, Mikhail Y. Vyssokikh, Lora E. Bakeeva, Maxim V. Skulachev, Alexander V. Markov, Thomas B. Hildebrandt, Viktor A. Sadovnichii. Neoteny, Prolongation of Youth: From Naked Mole Rats to “Naked Apes” (Humans) // Physiological Reviews. 2017. V. 97. P. 699–720.

Александр Марков

Источник: elementy.ru

Комментарии: