На самом фундаментальном уровне функция половых клеток заключается в том, чтобы передавать неповрежденную ДНК следующему поколению, тогда как функция соматических клеток — не сохраниться на века, а быть выбранными за силу и здоровье. Это различие между половыми и соматическими клетками восходит к истокам возникновения полового размножения. Мы не знаем, как появилось это различие, но его связь с половым размножением обсуждается в книге «Половое размножение и происхождение смерти», написанной иммунологом Уильямом Кларком из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. На примере парамеция (микроскопического одноклеточного животного, обитающего в пресноводных прудах) Кларк демонстрирует, какими могли быть первые эволюционные связи между дифференцировкой (в данном случае внутри одной клетки), половым размножением, старением и смертью.
Парамеций может размножаться как половым, так и бесполым способом. Бесполое размножение происходит за счет почкования дочерних клеток от материнской клетки. Однако этот процесс не может идти бесконечно. Даже при оптимальных условиях выращивания примерно через 30 клеточных делений в культуре клеток начинают проявляться признаки старения. Скорость роста клеток снижается, они перестают делиться, и, если популяция не оживляется за счет полового размножения, она погибает. Эта ситуация кардинальным образом отличается от ситуации в популяции бактериальных клеток, которая в целом теоретически бессмертна, хотя многие составляющие ее клетки умирают. В случае парамеция смертной оказывается вся популяция в целом. Такая картина объясняется сложным жизненным циклом парамеция. Одноклеточный парамеций имеет два ядра: крупное называется макроядром, а мелкое — микроядром. Макроядро отвечает за рутинные функции клетки, тогда как микроядро содержит плотно упакованную и связанную с белками неактивную ДНК. При бесполом делении клетки микроядро на какое-то время просыпается, воспроизводит свою ДНК для создания микроядер дочерних клеток и вновь отключается. Одновременно с этим макроядро тоже делится с образованием новых макроядер для дочерних клеток.
По-видимому, макроядро стареет и умирает первым. Мы точно не знаем, что вызывает его старение. Хотя Кларк склоняется к теории программированного старения (в чем, как мне кажется, он не прав), он связывает старение микроядра с износом — с накоплением на протяжении 30 поколений случайных генетических мутаций. Но какой бы ни была причина старения клеток парамеция, чтобы перезапустить биологические часы, он должен прибегнуть к половому размножению. При слиянии двух подходящих клеток в них пробуждаются микроядра, которые делятся путем мейоза с образованием двух гаплоидных микроядер для каждой дочерней клетки. Одно ядро из каждой клетки обменивается на одно ядро из другой клетки, и вновь перемешанные пары гаплоидных ядер сливаются с образованием одного диплоидного микроядра для каждой клетки. Далее эти ядра делятся путем митоза с образованием новых диплоидных макроядер для каждой клетки. Новые микроядра отключаются, а новые микроядра принимаются за рутинную работу. Старые микроядра расщепляются по определенной программе, а их компоненты утилизируются омоложенными клетками. Таким образом, парамеций сочетает преимущества быстрого воспроизведения бесполым способом и периодического вычищения генома за счет полового размножения.
Расщепление старого микроядра, вероятно, является отражением важнейшего этапа эволюции. Мы впервые сталкиваемся с ситуацией, когда ДHK не передается следующему поколению, а направляется на уничтожение. Не объясняет ли это происхождение соматических клеток и свойственного им процесса старения? Как считает Кларк, «именно программируемая смерть микроядра первых эукариот, таких как парамеций, стала предвестником нашей собственной смерти». Я не знаю, так это или нет в буквальном смысле (Кларк видит связь между программируемым разрушением макроядра и программируемым разрушением человеческого тела), но в общем смысле это, безусловно, верно. Соматические клетки (клетки тела) — полезное, но вторичное образование по отношению к зародышевым клеткам, и они не просто смертны, но их гибель запрограммирована. Преимущества очевидны: тело позволяет осуществлять специализацию отдельных клеток (а специалисты всегда имеют преимущество перед дилетантами) и обеспечивать защиту зародышевых клеток. Однако наше тело не должно нас переживать. Как гласит старая пословица, курица — лишь способ сделать из яйца новое яйцо. Человек — лишь надежный способ для яйцеклетки передать генетическое содержимое новой яйцеклетке.
Одноразовая сома сыграла важнейшую роль в эволюции старения и позволяет объяснить, почему мы стареем, но не объясняет механизм старения. Теория старения, связанная с идеей одноразовой сомы, была сформулирована Томом Кирквудом в конце 1970-х гг. и позднее развивалась Кирквудом и знаменитым генетиком Робином Холлидеем. Сегодня большинство ученых считают эту теорию оптимальной основой для изучения процессов старения.
Теория строится на различии между бессмертными зародышевыми клетками и смертными соматическими клетками (клетками тела), которое впервые подметил великий немецкий биолог Август Вейсман в 1880 г. Кирквуд и Холлидей считали причиной этого различия необходимый компромисс между выживанием и воспроизведением. Клетки тела нужны хотя бы для того, чтобы дожить до репродуктивного возраста. Это обходится организму дорого: на поддержание здорового тела и духа на протяжении достаточно долгого периода, пока размножаются зародышевые клетки, уходит значительная часть энергии организма. Бóльшая часть поглощаемой нами еды сжигается для поддержания тела в рабочем состоянии: сердце должно биться, мозг — думать, почки — фильтровать, легкие — дышать. То же самое справедливо и на клеточном уровне. Повреждения и мутации ДНК, о которых мы говорили в предыдущих главах, необходимо исправлять за счет синтеза и встраивания новых фрагментов. Нужны специфические механизмы, проверяющие качество репарации ДНК. Поврежденные белки и липиды нужно расщеплять и заменять новыми. Значительный оборот белков в нашем организме подтверждается активным потреблением азота (в форме аминокислот) и его постоянным выведением (в виде мочевины с мочой). Выделение мочевины отражает расщепление и выведение поврежденных белков. Гипотеза одноразовой сомы гласит, что все эти операции осуществляются за счет энергии, которую можно было бы направить на воспроизведение.
Справедливость гипотезы зависит от ее предсказательной способности. Если для выживания и воспроизведения требуется энергия или ресурсы, источник которых ограничен, должно существовать какое-то оптимальное равновесие, когда на одной чаше весов находится поддержание сохранности тела, а на другой — успешность воспроизведения. Это оптимальное равновесие должно быть разным для разных видов организмов в зависимости от среды обитания, конкуренции, фертильности и других факторов. В таком случае должна существовать общая зависимость между продолжительностью жизни вида и его плодовитостью (количеством детенышей за репродуктивный период). Более того, факторы, увеличивающие продолжительность жизни, должны снижать плодовитость, и наоборот. Существуют ли такие закономерности в природе?
Несмотря на все сложности определения максимальной продолжительности жизни и репродуктивного потенциала животных в дикой природе и даже в зоопарках, ответ на этот вопрос однозначно положительный. За некоторыми исключениями, обычно связанными с особенностями существования, наблюдается строгая обратная зависимость между максимальной продолжительностью жизни и плодовитостью вида. Например, мыши начинают размножаться в возрасте шести недель от роду, приносят ежегодно несколько приплодов и живут всего около трех лет. Домашние кошки первый раз приносят котят примерно в год, дают два или три приплода в год и живут 15 — 20 лет. Травоядные животные обычно производят детенышей один раз в год и живут 30 — 40 лет. Вывод такой, что за высокую плодовитость приходится расплачиваться малой продолжительностью жизни, а при большой продолжительности жизни наблюдается низкая плодовитость.
