Миллиард ударов сердца
Скорость обмена веществ также, по-видимому, определяет, сколько времени мы живем. Когда мы смотрим на собак, кошек, хомяков и других животных, то замечаем, что у всех видов разная продолжительность жизни. Хомяки счастливо живут три года, кошка может дожить до 15 лет. Мы, люди, можем спокойно рассчитывать на жизнь до 80 лет, и никто из нас не молится прожить два столетия, как гренландский кит. Вместо этого, даже если нам повезло избежать несчастных случаев и болезней, мы неизбежно умрем по «естественным причинам». Однако почему мы надеемся на такую смерть? И, главное, почему некоторые виды могут жить веками, в то время как другим отведено всего лишь несколько месяцев?
Биология смерти — это область интенсивных и активных исследований, но ученые уже давно обнаружили главную закономерность (и она связана с метаболизмом): чем медленнее вид тратит энергию, тем дольше живет. И этому наблюдению уже много веков. Еще в 350 году до нашей эры Аристотель написал трактат «О долготе и краткости жизни», в котором сравнил жизнь с горящей свечой. Он писал: «…слабый огонь попутно сгорает в огне более сильном, ведь свою пищу (дым) он поглощает за долгое время, а сильный огонь — за короткое»
[26]. Так как клетки более мелких видов тратят энергию быстрее, связь с метаболизмом также помогает объяснить, почему у них, как правило, более короткая продолжительность жизни. Аристотель ошибался в механизме (он думал, что животные стареют, потому что высыхают) и, конечно же, не имел ни малейшего представления о том, что такое закон Клайбера. Однако даже то, что древнегреческий мыслитель в целом об этом писал, говорит нам о том, что предположение о том, что смерть неразрывно связана с обменом веществ, существовало уже в Античности.
Макс Рубнер, один из главных представителей науки о метаболизме в конце XIX и начале XX века, был первым, кто объединил эти фрагментарные предположения в последовательную теорию обмена веществ и старения. Сравнивая скорость метаболизма и продолжительность жизни морских свинок, кошек, собак, коров и лошадей, ученый заметил, что общая энергия, затрачиваемая на грамм ткани в течение жизни животного, была почти постоянной, несмотря на огромные различия в размерах тела и скорости обмена веществ. Рубнер предположил, что клетки имеют некоторый внутренний предел на расход энергии в течение жизни. Потратив все энергетические запасы, они умирают, как гаснет свеча, истекающая воском. Эта теория скорости «жизни» получила дальнейшее развитие и отстаивалась американским биологом Раймондом Перлом, одним из первых ученых в области старения в 1920-х годах.
Гипотеза Рубнера была изящной и соответствовала ранним представлениям, но в итоге была опровергнута. Теперь, располагая большим количеством данных, мы знаем, что виды с одинаковой скоростью обмена веществ иногда имеют разную продолжительность жизни. И более быстрый метаболизм не обязательно означает более короткую жизнь. У маленьких птиц, например, обмен веществ быстрее, чем у млекопитающих того же размера, но они все равно живут дольше.
Еще более многообещающее объяснение очевидной связи между долголетием и метаболизмом появилось в 1950-х годах. Это была свободнорадикальная теория старения. Ее разработал Дэнхам Харман, американский исследователь в области медицины и химии, в 1950-х годах. Теория предполагает, что старение — это накопление повреждений, вызванных токсичными побочными продуктами окислительного фосфорилирования. В цепи переноса электронов, заключительном этапе образования АТФ в митохондриях (Глава 2), молекулы кислорода иногда превращаются в свободные радикалы (также называемые реактивными формами кислорода), которые представляют собой молекулы O2, потерявшие электрон. Эти мутанты ненасытны: они вырывают электроны из любого встречного, нанося «увечья» ДНК, липидам и белкам. И Харман утверждал, что старение — это накопление повреждений (иногда называемых окислительным, или оксидативным стрессом) от свободных радикалов. Поскольку эти вещества являются неизбежным побочным продуктом производства АТФ, скорость метаболизма клеток (которая также является скоростью производства АТФ) определяет, как быстро мы стареем и умираем.
Свободнорадикальная теория старения также может стать объяснением тех случаев, когда скорость обмена веществ и продолжительность жизни расходятся. Существует целый ряд эволюционировавших механизмов нейтрализации свободных радикалов и устранения причиняемого ими ущерба. Но, как и любая физиологическая задача, они требуют энергии: ничто не дается даром. В зависимости от условий обитания виды могут эволюционировать, чтобы выделять больше или меньше энергии на противодействие окислительному стрессу. Мышь, находящаяся под постоянной угрозой стать жертвой большого количества хищников, развилась, чтобы направить больше энергии на воспроизводство сейчас и меньше на восстановление повреждений от свободных радикалов в будущем, которое может никогда не наступить. Воробей, с другой стороны, может иметь сходную скорость метаболизма, но, поскольку у него лучше получается уклоняться от атак, он эволюционировал так, чтобы направлять больше ресурсов на техническое обслуживание и ремонт и жить дольше.
У свободнорадикальной теории старения есть изъяны. Во-первых, исследования потребления антиоксидантов у людей и других животных не всегда показывают ожидаемое влияние на продолжительность жизни. Трудности в поиске тесных, прочных связей между метаболизмом и долголетием заставили некоторых ученых сомневаться, что такие зависимости вообще существуют. При всей своей мрачной определенности смерть оказалась удивительно скользким предметом исследования в биологии. Окончательные ответы до сих пор не найдены.
Тем не менее сходство между скоростью метаболизма и продолжительностью жизни трудно игнорировать. Эксперименты на обезьянах, мышах и других видах животных показали, что снижение скорости обмена веществ за счет уменьшения количества пищи приводит к увеличению продолжительности жизни, а аналогичные исследования ограничения количества калорий у людей дали многообещающие результаты. Разная продолжительность жизни млекопитающих, птиц и рептилий согласуется с тем, что мы ожидаем от различий в скорости метаболизма, связанных с размерами особей. Клетки мышей сжигают энергию в десять раз быстрее, чем клетки северных оленей, и их жизнь примерно в десять раз короче (даже когда они умирают от естественных причин). Как мы обсуждали в Главе 1, приматы сжигают только половину того количества калорий в день, что сжигают другие плацентарные млекопитающие (Рис. 3.3), что прекрасно объясняет долгую жизнь, которой наслаждаются люди и остальные приматы. Иные виды, которые тратят мало энергии, тоже живут долго. Холоднокровные гренландские полярные акулы могут жить четыреста лет. Как и в случае с темпами роста и размножения, метаболизм — не единственный фактор, влияющий на продолжительность жизни животных, но, похоже, именно он определяет общие закономерности.
Чем медленнее определенный вид тратит энергию, тем дольше живет.
Независимо от того, является ли корреляция между обменом веществ и смертностью случайной или (как я подозреваю) существует более глубокая связь, что-то странное и удивительное возникает из того, как продолжительность жизни и скорость метаболизма меняются в зависимости от размеров животных и их принадлежности к определенным группам. Сердце должно перекачивать достаточное количество крови во все ткани организма, чтобы удовлетворить потребность в питательных веществах и кислороде. Поэтому частота сердечных сокращений (ударов в минуту) соответствует скорости клеточного метаболизма: она выше у мелких видов и ниже у крупных. Но, поскольку мелкие животные также умирают раньше крупных, общее число ударов сердца в течение жизни одинаково у всех видов: от крошечных землероек до могучих китов. Нам всем отводится около миллиарда ударов сердца
[27].
