Секреты, которые позволяют животным жить столетиями
Грязно-бежевый, с серо-коричневыми пятнами, моллюск Минг не был чем-то из ряда вон выходящим. У него было имя, как и у большинства моллюсков. Ему было 507 лет, когда ученые оторвали его от морского дна в Исландии (и убили его) в 2006 году, и он был одним из самых старых известных животных, которых мы знали.
В августе 2016 года ученые подсчитали, что пятиметровая самка гренландской акулы прожила 392 года, что делает ее самым долгоживущим позвоночным. Рекорд продолжительности жизни среди млекопитающих принадлежит гренландскому киту, который, как считается, дожил до преклонных 211 лет.
Люди стали доминирующим видом во многих отношениях, но продолжают удивляться видам, которые переживают нас. У биологов примеры экстремального долголетия вызывают фундаментальные вопросы о том, почему организмы стареют и умирают. И с учетом того, что они делают, почему отдельные виды живут сотни лет, а другие — месяцы, недели или просто дни?
Люди живут относительно долго. Некоторые исследователи надеются, что приобретение большего знания того, что обеспечивает долголетие в животном мире, даст шанс не только лучше понять эти виды, но и наш собственный. Другие заходят дальше, полагая, что это ключ к более долгой и здоровой жизни людей.
Открытие необычного возраста Минга в 2013 году привело к моментальным предположениям, что секрет его долгой жизни заключается в очень низком потреблении кислорода.
И действительно, одно из наиболее глубоко укоренившихся представлений о продолжительности жизни животных состоит в том, что она тесно связана со скоростью обмена веществ — или скоростью химических реакций, которые разлагают пищу на энергию и производят соединения, необходимые клеткам. Мысль о том, что животные накапливают повреждения и умирают быстрее, если работают больше, уходит еще в эпоху промышленной революции. В этом у животных должно быть сходство с машинами, работающими на износ.
В начале 20 века немецкий физиолог Макс Рубнер сравнивал показатели энергетического метаболизма и продолжительности жизни у морских свинок, кошек, собак, коров, лошадей и людей. Он обнаружил, что более крупные животные имеют более низкие скорости метаболизма на грамм ткани и что они живут дольше, что привело его к мысли, что ускоренное потребление энергии сокращает жизнь.
Американский биолог Раймонд Перл развил эту идею еще больше после своих исследований влияния голодания, изменения температуры и наследственности на продолжительность жизни плодовых мушец и саженцев дыни канталупы. «В общем, продолжительность жизни меняется обратно пропорционально темпу расхода энергии во время жизни», писал он в своей книге «Скорость жизни» в 1928 году.
В 1954 году Денхем Харман из Калифорнийского университета в Беркли представил механизм поддержки того, что стало известно как теория скорости жизни. Он предположил, что старение является следствием накопления повреждений, вызванных свободными радикалами. Получаемые вследствие метаболизма свободные радикалы представляют собой чрезвычайно реактивные молекулы, которые могут повреждать клеточную инженерию, воруя электроны.
Однако, хотя верно, что более крупные виды млекопитающих имеют более медленные темпы метаболизма и живут дольше, теория скорости жизни в значительной степени была опровергнута. Во-первых, ученые указали на то, что многие птицы и летучие мыши живут гораздо дольше, чем должны, при своих темпах метаболизма. Сумчатые живут меньше, чем плацентарные млекопитающие, хотя имеют замедленный по сравнению с ними метаболизм.
Джон Спикмен из Университета Абердина в Великобритании утверждает, что только то, что животные с медленным метаболизмом живут дольше, не означает, что первое приводит ко второму.
«Все доказательства, которые использовались для поддержки теории скорости жизни, имеют фундаментальный косяк», говорит Спикмен. «Все они выходят из исследований, которые сравнивают животных с разными размерами тела».
В 2005 году Спикмен использовал хитрый статистический прием, чтобы удалить влияние массы тела из этого уравнения, изучая данных 239 видов млекопитающих и 164 видов птиц. Для каждого животного с более высоким, чем ожидалось, уровнем метаболизма для его размера тела, он выводил меньшую, чем ожидалось, продолжительность жизни, и наоборот. «Как только масса тела удалялась из уравнения, как для млекопитающих, так и для птиц, связь между скоростью метаболизма и продолжительностью жизни исчезала», говорит Спикмен.
Однако этот расчет, как и предыдущие работы, поддерживающие теорию скорости жизни, использовал остаточные скорости метаболизма животных, когда они не переваривают пищу и не регулируют температуру тела. Исследователи традиционно использовали эти показатели, потому что в таком состоянии будет больше доступных данных. Но многие животные проводят не так много времени со спокойным метаболизмом, а доля времени, затрачиваемого различными видами на него, варьируется в широких пределах.
Чтобы обойти эту проблему, Спикмен сравнил ежедневные затраты энергии и максимальную продолжительность жизни для 48 видов млекопитающих и 44 видов птиц, по которым мог найти данные, и затем использовал тот же статистический метод, чтобы удалить влияние размера тела.
«Оказывается, связь есть, но противоположная тому, что вы могли бы предсказать из теории скорости жизни», говорит Спикмен. «Среди млекопитающих, как только вы исключаете влияние размера тела, сразу оказываются долгожителями существа с повышенной скоростью метаболизма». Результаты для птиц оказались статистически незначительными.
По сути, мысль о том, что чем больше кислорода потребляет животное, тем больше производство свободных радикалов, которые наносят ущерб, а значит и ускоряют старение, сегодня уже устарела. Благодарить стоить глубокие исследования митохондрий — частей клеток, которые генерируют энергию.
Когда митохондрии расщепляют химические вещества в пище, протоны проталкиваются через их внутренние мембраны, создавая разницу в электрическом потенциале между ними. Когда же протоны возвращаются через эту мембрану обратно, эта разность потенциалов используется для создания аденозинтрифосфата (АТФ) — молекулы, в которой хранится энергия.
Первоначально считалось, что производство свободных радикалов было высоким, когда электрическая разность между мембранами митохондрий была высокой — то есть, чем выше скорость метаболизма, тем выше скорость образования высокореактивных молекул, которые приводят к повреждению и старению клеток.
Однако эта модель не учитывает присутствие «разобщающих белков» во внутренней мембране митохондрий. Благодаря функциям, среди которых выделение тепла, эти разобщающие белки запускают поток протонов через мембрану, чтобы уменьшить разность потенциалов в ней, когда она высока.
«Традиционная идея заключается в том, что по мере того, как вы увеличиваете свой метаболизм, определенный процент потребляемого вами кислорода пойдет на производство свободных радикалов, но она принципиально не подтверждает то, что мы знаем о работе митохондрий», говорит Спикмен. «Мы вообще должны бы ожидать, что чем выше скорость метаболизма и количество разобщающих белков, тем меньше будет свободных радикалов».
Поскольку понижение производства свободных радикалов ассоциируется с продолжительностью жизни, эта гипотеза называется «разобщение ради жизни». Когда Спикмен испытывал ее в 2004 году, он обнаружил, что мыши в верхнем квартиле метаболической интенсивности потребляли больше кислорода и жили на 36% дольше, чем в нижнем квартиле — что поддерживает идею «разобщения ради жизни».
Еще более точный указатель того, как долго живут виды животные, это их размеры. В исследовании 2007 года Жоау Педро Магалханес из Университета Ливерпуля в Великобритании сравнил массу тела и максимальную известную продолжительность жизни более 1400 видов млекопитающих, птиц, земноводных и рептилий.
В этих четырех группах Магалханес обнаружил, что 63% вариаций в продолжительности жизни были связаны с массой тела. Оставить одних млекопитающих — 66%. Летучие мыши — не совсем обычные, потому что живут гораздо дольше, чем должны для своих размеров, поэтому их исключили из расчета. Вместе с этим, масса тела объяснила продолжительность жизни у 76% млекопитающих. Ассоциация для птиц составила 70%, для рептилий — 59%. У земноводных корреляции не было.
Магалханес и другие изучавшие влияние размера на длительность жизни, говорят, что все сводится к комбинированным эволюционным и экологическим факторам.
«Размер тела является определяющим фактором экологических возможностей», говорит Магалханес. «Меньшие животные имеют больше хищников и должны расти быстрее, а также быстрее размножаться, если хотят передать свои гены. Более крупные животные, такие как слоны и киты, с меньшей вероятностью будут съедены хищниками и испытывают недостаток в эволюционном давлении, чтобы созревать и размножаться в раннем возрасте».
Если размер тела влияет на продолжительность жизни из-за вероятности быть съеденным, это значит, что разные популяции одного и того же вида могут жить дольше или меньше в разных средах.
Стивен Остед, журналист, который стал укротителем львов, а затем биологов, решил проверить эту идею, исследуя взрослых самок опоссумов в конце 1980-х. Он поймал и установил радиоошейники на 34 особях на острове Сапело и еще на 37 — на материке возле Айткена, Южная Каролина. На вторую из этих популяций охотились дикие собаки и рыси (Lynx rufus), а на популяцию на острове — нет. Опоссумы острова были под меньшим давлением со стороны хищников в целом и генетически изолированы.
Остед обнаружил, что островные опоссумы жили в среднем четыре с половиной месяца, или на 23% дольше, чем их материковые родственники. Они также имели значительно меньшие пометы, начинали воспроизводиться позже и могли воспроизводиться дольше. Испытания показали, что коллаген в хвостовых сухожилиях старел быстрее у материковых опоссумов.
Остед рассмотрел возможные последствия изменения климата, болезнетворных микроорганизмов и рациона питания, но пришел к выводу, что более продолжительный срок жизни островной популяции, скорее всего, был связан с генетическими вариациями, вызванными различной селекционной нагрузкой.
Есть и другие факторы, которые, на первый взгляд, могут влиять на продолжительность жизни видов, но на самом деле оказываются лишь функцией размера тела и экологических факторов. Размер мозга, например, коррелирует с максимальной продолжительностью жизни, особенно у приматов, как и размер глазного яблока. Если что-то меняется с размером тела, то будет похоже, что вместе с ним меняется и продолжительность жизни, потому что есть простая связь между размером тела и сроком жизни.
И хотя в научном обществе сложился консенсус относительно важности размера тела для продолжительности жизни, остается много вопросов без ответа.
