Что общего у голых землекопов и «голых обезьян»?

Что общего у голых землекопов и «голых обезьян»?

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

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

«Элементы» не раз рассказывали о голых землекопах — изумительных 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 манер жизни этих грызунов стал известен науке.

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

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

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

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

Проблема о том, что общего у голых землекопов и людей, на первый взгляд напоминает аналогичный проблема про ворона и письменный стол. Но это только на первый взгляд. Люд выделяются среди приматов не только высоко развитой социальностью (см.: Отыскано ключевое различие между человеческим и обезьяньим интеллектом, «Элементы», 13.09.2007), как нагие землекопы — среди грызунов, но и долголетием. Согласно базе этих AnAge (см.: В интернете появилась новая база данных по длительности жизни позвоночных AnAge — самая полная и точная, «Элементы», 15.06.2009), рекордная длительность жизни шимпанзе — 59,4 лет, человека — 122,5 лет, то есть вдвое вяще (см.: Человечество приблизилось к пределу долголетия, «Элементы», 11.10.2016). Кроме того, у шимпанзе даже в идеальных условиях имеет пункт быстрый рост смертности с возрастом, тогда как у современных людей в раскрученных обществах смертность лет до 60 остается низкой и растет с годом 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, указывающие о том, что у голых землекопов и «голых обезьян» есть еще одна значительная общая особенность. Она состоит в том, что у обоих видов во взрослом состоянии сохраняется масса черт, характерных для детенышей или даже эмбрионов близких обликов.

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

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

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

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

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

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

Еще одна ювенильная черта нагих землекопов — слабая способность к поддержанию постоянной температуры тела, что характерно для новорожденных млекопитающих. Приметы ювенилизации и замедленного развития (включая замедленное старение) отмечены также в постройке легких, костей, кровеносных сосудов, митохондрий скелетных мышц, в труду 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 дьявол голых землекопов насчитывает в общей сложности 43 пункта. Эти эти хорошо согласуются с предположением о том, что голые землекопы — неотенические звериные, у которых, по сравнению с другими грызунами, замедлены многие онтогенетические процессы, вводя старение.

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

Что общего у голых землекопов и «голых обезьян»?

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

Давным-давно известные факты о замедленном развитии ряда признаков у людей по сравнению с иными обезьянами (см.: L. Bolk, 1925. On the Problem ot Anthropogenesis) недавно дополнились значительнейшим массивом информации по экспрессии генов в мозге. Сравнение нрава возрастных изменений экспрессии многих ключевых генов, связанных с развитием неокортекса и синаптической пластичностью, у человека и иных обезьян привело исследователей к выводу о «транскрипционной неотении» человечьего мозга (M. Somel et al., 2009. Transcriptional neoteny in the human brain). Как и у нагого землекопа по сравнению с другими грызунами, на молекулярном и клеточном степени развитие человеческого мозга оказалось сильно растянутым во поре по сравнению с шимпанзе и макаками. В частности, максимальная экспрессия генов, связанных с формированием синапсов, в префронтальной коре у шимпанзе и макак наблюдается в году 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 сторонки, очевидно, что растянутое во времени развитие человеческого мозга связано с его вящим объемом и с трудностью прохождения большеголовых детенышей через родовые линии (см.: Быстрый рост мозга в раннем детстве — отличительная черта рода Homo, «Элементы», 29.05.2012). С иной стороны, это не отменяет того факта, что налицо замедление онтогенетических процессов (в том числе — отлагательство момента прекращения роста мозга), то есть неотения в размашистом смысле. К тому же не будем забывать, что аналогичное замедление характерно и для нагого землекопа (см. выше), хотя итоговый объем его мозга образцово такой же, как у мыши.

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

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

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

Какая связь может быть между неотенией/долголетием и росло развитой социальностью? Рассмотрим две альтернативные гипотезы. Первая из них упоминается в обсуждаемой статье и основана на понятье о том, что старение — это адаптация на благо группы (или популяции), повышающая приспособляемость организмов (см.: Ageing theories based on evolvability). Эту идею впервые высказал еще Август Вейсман, и хотя большинство нынешних геронтологов ее отвергают, В. П. Скулачев является ее убежденным и последовательным приверженцем. По мнению Скулачева, старение повышает эффективность естественного отбора и потому идет на пользу популяции в долгосрочной перспективе (см.: Гипотеза академика Скулачева). Старение как примета, вредный для индивида, но полезный для группы, может поддерживаться такими конфигурациями отбора, как групповой отбор (Group selection), родственный отбор (Kin selection) или «отбор второго распорядка 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 нагих землекопов резко ослабляет действие естественного отбора, и потому стареть ради повышения его эффективности становится бессмысленно. У землекопов ослабление отбора связано с тем, что бесчисленные рабочие особи, которые сами не размножаются и поэтому как бы не участвуют в эволюционном процессе, верно оберегают царицу и ее мужей от всех невзгод. У людей к защищенности добавляется еще и то, что адаптация к переменчивой окружению у нас теперь идет за счет культурно-социального и научно-технического развития, а не за счет биологической эволюции. Природный отбор становится неактуален, старение как способ повысить его эффективность теряет резон, и «генетическая программа старения» деградирует.

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

«Классическая эволюционная теория старения» предрекает, что повышенная смертность, вызываемая внешними причинами (например, хищниками или потопами), особенно неизбирательная (не зависящая от состояния организма), должна содействовать эволюции ускоренного старения и сдвигу репродукции на ранний года (стратегия «живи быстро, умри молодым»). При этом запоздалые стадии жизненного цикла, до которых почти никто не доживает из-за рослой внешней смертности, атрофируются под грузом мутаций, подобно неиспользуемому органу. И навыворот, снижение внешней безвыборочной смертности должно способствовать эволюции отсроченного старения и продлению существования, то есть снижению «внутренней» смертности. Ведь теперь у индивидуумов есть шанс дожить до почтенного возраста, а значит, мутации, снижающие запоздалую приспособленность, перестают быть невидимыми для отбора и начинают выбраковываться. Эти идеи детально 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 нагих землекопов, и у людей может способствовать долголетию просто потому, что она мастерит жизнь более защищенной и снижает безвыборочную экзогенную смертность, тем самым содействуя отбору на долголетие. Например, мышь с мутацией, замедляющей старение, вряд ли покинет больше потомков, чем мышь без мутации. Ведь их обеих, скорее итого, кто-нибудь съест задолго до того возраста, когда мыши начинают ослабевать от старости. Совсем другое дело, если вы — царица нагих землекопов, сидящая в надежном подземном убежище в окружении армии неизменных защитников. В этом случае у вас есть хороший шанс просуществовать долгую и плодотворную жизнь, и чем дольше вы сможете сопротивляться старости, тем вяще потомков оставите. Таким образом, в рамках данной модели мы предполагаем, что социальность не ослабляет, а навыворот, усиливает действие отбора — по крайней мере на признаки, проявляющиеся в запоздалом возрасте. Что касается других неотенических признаков, то они могут развиться как побочный эффект отбора на долголетие, если эволюция пойдет по линии общего замедления онтогенеза, а могут иметь и собственную адаптивную ценность.

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

Источник: elementy.ru