Ученые объяснили, почему омоложение в природе встречается крайне редко и, как правило, происходит только в экстремальных условиях. Новое исследование показало, что у пчел и некоторых беспозвоночных возможен откат биологического возраста, однако он запускается лишь при неблагоприятных факторах — например, при угрозе для всей колонии. Авторы предложили иную модель: согласно ей, старение — это не просто накопление повреждений, а генетически запрограммированный механизм, который регулирует продолжительность жизни и помогает защищать популяцию от эпидемий. В таком случае омоложение может рассматриваться как фактор, нарушающий коллективный иммунитет. Эти выводы ставят под сомнение классическую теорию старения как результата накопления ошибок и открывают новые перспективы для исследований в области продления жизни.
Омолаживающиеся пчелы и программы эволюции
Ученые Городского университета Гонконга под руководством российского вирусолога и эволюционного биолога Петра Лидского провели исследование, которое отвечает на вопросы, возможно ли в природе естественное омоложение живых организмов и в каких случаях оно происходит. По словам исследователей, классическая модель трактует старение как накопление ошибок и эволюционно вредное явление. В этом случае омоложение должно было бы быть выгодным и, следовательно, широко распространенным механизмом, который эволюция активно использует. На практике в природе это встречается крайне редко. В рамках традиционных представлений это приводит к выводу, что, вероятно, механистически оно невозможно.
Однако у пчел и некоторых других беспозвоночных, например медуз и гребневиков, наблюдается омоложение, то есть откат биологического возраста. Причем животные прибегают к нему не постоянно, а только в неблагоприятных условиях: когда возникает угроза улью, снижение температуры воды и так далее.
— Возникает парадокс: организм выбирает омоложение только тогда, когда что-то идет не так, а в благоприятных условиях — старение и смерть. Мы показываем, что это прямо противоречит классической модели, которая формально предсказывает гораздо более широкое использование омоложения — фактически в каждом случае, когда способное к нему животное достигает пожилого возраста, — рассказал «Известиям» Петр Лидский.
Ученые предложили иной взгляд: существует экологический оптимум долголетия, а старение — это программа, которая обеспечивает соответствие продолжительности жизни этому оптимуму. Ключевую роль в его формировании, как считают исследователи, играют эпидемии хронических заболеваний.
Чтобы обосновать свою теорию, специалисты построили три модели жизни колоний медоносных пчел. В первой использовался классический подход, согласно которому пчелы не способны изменять скорость старения или омолаживаться в течение жизни. Такой вариант игнорирует пластичность продолжительности жизни у социальных насекомых и предполагает, что старение может быть эволюционно выгодным: если большинство особей гибнет от внешних факторов, поддержание организма дольше определенного срока становится нецелесообразным. В этом случае колонии выгоднее направлять ресурсы на производство новых особей, а не на сохранение старых, что соответствует классическим теориям старения.
Однако, если допустить возможность динамического регулирования увядания взрослых пчел, ситуация меняется, и вторая модель предсказывает, что старение вообще не должно наблюдаться: те, кто дожил до старости, должны омолаживаться или замедлять старение. На практике же у социальных насекомых этот процесс всё равно наблюдается, несмотря на их способность к радикальному увеличению продолжительности жизни.
Для разрешения этого противоречия авторы предлагают третью модель контроля патогенов: пчелы умирают не из-за экономии на «ремонте», а потому, что их гибель полезна для колонии. Старые особи с большей вероятностью могут быть заражены патогенами, и их ранняя смерть снижает риск распространения инфекции в улье, способствуя коллективному иммунитету.
В такой системе омоложение становится невыгодным, так как продлевает жизнь потенциально опасных для сообщества особей. Таким образом, ученые объясняют, почему высокая пластичность продолжительности жизни у насекомых не приводит к их массовому омоложению и почему старение сохраняется как устойчивый эволюционный механизм.
Авторы делают вывод, что наблюдаемые в природе факты плохо согласуются с классической моделью старения как накопления ошибок, но хорошо объясняются моделью запрограммированного увядания как механизма контроля патогенов.
— В рамках этой модели омоложение — помеха выполнению полезной программы контроля патогенов. Животные прибегают к нему лишь в тех редчайших случаях, когда вред от продолжения программы старения еще выше. Так, пчела стареет как элемент коллективного иммунитета улья (снижение риска распространения инфекций старыми особями), но омолаживается, если иначе весь улей столкнется с угрозой коллапса, — рассказал Петр Лидский.
Как использовать теорию контроля патогенов
В отличие от классической модели, этот подход сохраняет надежду на принципиальную достижимость омоложения, подчеркнули авторы работы, однако речь не может идти о классическом подходе. Авторы считают, что нужные программы, скорее всего, следует искать в иммунной системе. И именно ее омоложение, согласно предсказаниям теории, самый эффективный способ замедлить или даже остановить старение.
Науке известны организмы с пренебрежимым старением, которые живут дольше похожих видов — землекопы, бессмертные медузы, долгоживущие акулы и так далее, рассказал «Известиям» научный сотрудник Института изучения старения Российского геронтологического научно-клинического центра Пироговского университета, кандидат медицинских наук Михаил Болков. В настоящем исследовании ученые взглянули на медоносных пчел. Расчет колонии показывает, что теоретически они могли бы быть бессмертными, но тогда инфекции распространялись бы от сообщества к сообществу. Смерть, утверждают авторы, эволюционный способ остановить эпидемии.— Говоря о человеке, мы знаем, что старение клеток — это запланированный процесс, при котором клетка, накопившая повреждения, перестает делиться, чтобы не распространять мутации. Это сопровождается различными последствиями, конечно, но из двух зол выбирают меньшее. Теперь на весы теории запрограммированного старения прибавляется еще один камушек, — отметил специалист.
Омоложение — это чрезвычайно сложный биологический процесс. Условно его можно сравнить с ситуацией, когда бабочка вновь превращается в гусеницу. В этом случае клеткам необходимо разобрать поврежденные белки и перезапустить биологические часы, привел пример руководитель сегмента «Умные цепи поставок» рабочей группы FoodNet (Фуднет) НТИ Сергей Косогор. Такие процессы требуют колоссальных энергетических затрат и, по сути, больше напоминают гибель прежней формы существования с последующим формированием новой.
— Для сложных животных такое омоложение будет, скорее всего, катастрофично, у млекопитающих это приведет к распаду нейронных связей, а значит, использовать в медицине необходимо только часть процесса, который обеспечит регенерацию организма, сохранение детородной функции, но позволит сохранить память и навыки, — сказал он.
Гипотеза о том, что старение может быть частично запрограммировано для защиты популяции, конечно, интересная, но она не отменяет классических теорий, а скорее дополняет их, резюмировал эксперт НТИ «Хелснет», ученый-биолог, онкобиоинформатик, основатель биомедтех-стартапов BioAlg Corp. и OncoUnite Дмитрий Чебанов. Идея о роли инфекций и эпидемий как фактора, ограничивающего продолжительность жизни, обсуждается давно, но остается на уровне теории и моделей. В реальной жизни всегда работает комбинация факторов: и накопление повреждений, и энергетические ограничения, и давление среды.