Мы уже знаем, что влияние излучения на биологические молекулы в значительной степени связано с расщеплением воды и с образованием свободных радикалов, таких как гидроксильные радикалы. Они не выбирают мишени, а нападают практически на любые органические молекулы и повреждают их. Эти атаки беспорядочны и беспрерывны. При сохранении целостности клетки повреждение белков и липидов не обязательно ведет к смертельному исходу. Если у клетки есть достаточный запас энергии, биологические молекулы могут быть восстановлены или заменены новыми в соответствии с инструкциями, записанными в ДНК
[66]. Дело обстоит сложнее при повреждении самой ДНК. Если в результате этого начинают синтезироваться нефункциональные белки, не способные выполнять какую-то важную работу в клетке, например синтезировать другие белки, клетка практически наверняка погибает. Таким образом, центральным вопросом биологии является обеспечение сохранности ДHK, передаваемой из поколения в поколение.
Давайте опять вернемся к «бессмертной» клеточной культуре. Предположим, что популяцию подобных клеток облучают с такой интенсивностью, что погибает больше половины клеток. Какое-то время популяция сокращается, как и предсказывал Оргел, но затем мы наблюдаем признаки «выздоровления», хотя облучение продолжается с прежней интенсивностью. Спустя некоторое время мы опять можем обнаружить процветающую популяцию, нечувствительную к излучению. Теория предсказывает совсем иной результат. Что же происходит?
Действует естественный отбор. В клетках происходят некоторые изменения. Прежде всего, какие-то клетки делятся быстрее остальных. Эти быстро реплицирующиеся клетки постепенно занимают в популяции доминирующее положение, поскольку они с наибольшей вероятностью успевают поделиться до того, как разрушается их ДHK. Теперь вся популяция в целом удваивается за более короткий отрезок времени. Выжившие клетки синтезируют новый набор генов быстрее, чем излучение разрушает исходный набор. Для потомства вероятность выжить и сохранить геном превышает 50%.
Если клеткам хватает пространства и питания, этой адаптации может оказаться достаточно. Однако клетки могут адаптироваться и по-другому. В возобновляющейся популяции встречаются клетки с дополнительными копиями ДНК: у них есть несколько идентичных хромосом. Наличие дополнительных хромосом дает тот же результат, что и повышение скорости репликации, но не только. Если каждая клетка имеет по одной копии всех генов, любое повреждение гена может лишить клетку важного белка и привести к ее гибели. Но при наличии нескольких копий всех генов клеточная функция пропадает только при повреждении одного и того же гена на всех хромосомах. Создание дополнительного набора генов обходится значительно дешевле, чем создание новой клетки (со всеми белками, митохондриями, везикулами и мембранами), которая впоследствии столкнется с теми же проблемами, что и ее родители.
Вполне возможно, что мы обнаружим еще две адаптации. Первая заключается в повышении частоты конъюгации, при которой две бактериальные клетки на какое-то время соединяются и одна передает другой дополнительные копии генов. Вторая — реакция на стресс. Конъюгацию бактерий можно сравнить с половым размножением. Приобретение генов из разных источников и с разной историей снижает вероятность того, что обе копии гена будут иметь одно и то же повреждение (именно такая ситуация наблюдается при репликации поврежденного гена). Представьте себе, что у вас и у вашего друга одинаковые костюмы. Допустим, вы порвали брюки от костюма, но и другу не повезло, только у него дыра оказалась на пиджаке. Вы можете надеть свой пиджак и его брюки и вполне прилично выглядеть. Такое перемешивание и подгонка генов — суть конъюгации у бактерий и полового размножения у высших организмов.
Стрессовые реакции тоже характерны практически для всех организмов от бактерий до человека. О некоторых стрессовых белках мы говорили в главе 10. Их работу можно сравнить с работой службы скорой помощи: они помогают отремонтировать поврежденную ДНК, расщепляют поврежденные белки и предотвращают распространение вышедших из-под контроля цепных свободнорадикальных реакций. Клетки, которые умеют включать эти защитные реакции в ответ на изменение условий, имеют преимущество перед остальными. Они выживают и воспроизводятся, тогда как их менее адаптированные родственники, даже имеющие дополнительные хромосомы, с большей вероятностью накапливают повреждения и в конечном итоге погибают.
Таким образом, воздействуя излучением на популяцию бактериальных клеток, через несколько поколений мы можем получить нечувствительные к излучению клетки. Теперь представьте себе, что мы отключаем источник излучения. Мы отобрали популяцию закаленных бактерий, снабженных доспехами, как средневековые рыцари, и заставили их жить в мирное время. Теперь вся эта дополнительная защита становится ненужным грузом, который приходится воспроизводить со значительными затратами. Каждый раз, когда устойчивая к стрессу клетка удваивается, она воспроизводит множество копий своих генов и направляет значительное количество энергии на производство дополнительных стрессовых белков. Если какая-то бактерия теряет несколько хромосом и отключает стрессовые реакции, она начинает реплицироваться быстрее. Прежде чем произвести потомство, наша клетка-рыцарь должна скинуть с себя доспехи. Всего через несколько поколений устойчивые к стрессу бактерии забывают о своем прошлом. С нашей антропоцентрической точки зрения, заставляющей нас постоянно приписывать природе какую-то цель, такой бесконечный цикл кажется бессмысленным и неоправданным, но таков принцип эволюции. Именно поэтому бактерии — все еще бактерии.
Какое отношение это имеет к старению? Бактерии в большинстве своем вообще не стареют. Они поддерживают целостность своих генов за счет быстрого воспроизведения. Они способны делиться каждые 30 минут. Они защищаются, создавая дополнительные хромосомы, обмениваясь генами посредством конъюгации и горизонтального переноса (cм. главу 8), а также восстанавливая поврежденную ДНК. Ошибки в ДНК, которые несовместимы с нормальным функционированием клетки, устраняются естественным отбором, а любые полезные мутации столь же быстро распространяются в популяции. Так бактерии существуют уже примерно 4 млрд лет. Конечно, они эволюционировали и в этом смысле постарели, но во всех других отношениях они столь же молоды, как и бесконечное число поколений назад.
Важно отметить, что поддержание жизни бактериальной популяции сопряжено с массовой гибелью клеток. За 24 часа одна бактериальная клетка может произвести 248 (1016) новых клеток, что составляет около 30 кг биомассы. Понятно, что такой экспоненциальной рост невозможен. В большинстве природных сред размер бактериальных популяций изменяется слабо. Бактерии гибнут от нехватки питательных веществ или воды, становятся пищей других организмов, таких как нематоды, или перестают делиться из-за каких-то повреждений. Если количество смертей в массовом масштабе превышает количество рождений, естественный отбор вычищает из популяции генетические повреждения. Выживают только наиболее приспособленные. Как это ни странно звучит, лучший критерий для бессмертия — смерть.
