У дамарских пескороев и рабочие, и размножающаяся элита ради выживания жертвуют половыми клетками

Рис. 1. Дамарский пескорой (Fukomys damarensis). Фото с сайта dnazoo.org

Дамарские пескорои — один из немногих эусоциальных видов млекопитающих. Как и голые землекопы, они живут гораздо дольше других грызунов схожего и меньшего размера. Известно, что размножающиеся особи пескороев живут дольше рабочих. В попытке выяснить, различаются ли чем-то стратегии старения у этих каст, исследователи устроили дамарским пескороям сеанс физических нагрузок. Оказалось, что возникающий при этом окислительный стресс был сильнее в половых клетках, чем в клетках крови. Ученые предполагали, что этот эффект проявится только у рабочих особей, но, вопреки их ожиданиям, он наблюдался у животных обеих каст. Это означает, что как рабочие пескорои, так и размножающаяся «элита» сделали ставку на выживание и пренебрегли качеством потомства. Возможно, этим и объясняется долголетие пескороев по сравнению с другими грызунами.

Размножение — довольно невыгодный для взрослого организма процесс. Во-первых, он не приносит непосредственной пользы для выживания данной конкретной особи. Во-вторых, он является крайне энергозатратным, причем затраты энергии могут быть как прямые (они идут, например, на то, чтобы выносить плод или сформировать яйца), так и косвенные (подавление иммунитета во время беременности делает мать более уязвимой к инфекциям).

Из этих соображений, казалось бы, следует, что животные, которые начинают размножаться относительно рано и делают это довольно часто (примером может служить обычная домовая мышь), должны жить не очень долго — коль скоро производство потомства истощает их ресурсы (здесь, правда, возможна и обратная логика: среди короткоживущих организмов отбор выделяет тех, кто рано и часто размножается).

Возникает забавное противоречие. С одной стороны, во множестве экспериментов на животных степень их «старости» и жизнеспособность оценивают именно по плодовитости. И если какое-нибудь средство для продления жизни снижает, например, у дрозофил способность размножаться, то его нарекают токсичным и в следующие эксперименты не выпускают. С другой стороны, если размножение требует больших энергозатрат, то запрет на размножение должен, напротив, эту жизнь удлинять. И действительно, некоторым животным (например, тем же дрозофилам или ящерицам) стерилизация помогает прожить подольше.

Проблема осложняется тем, что из обоих этих «правил» (что обычно старость связана со снижением фертильности и что кастрация продлевает жизнь) есть свои исключения. Плодовитость далеко не всегда очевидно связана — положительно или отрицательно — с продолжительностью жизни. Например, у людей четкую закономерность до сих пор найти не удается (см. Между беременностью и старением много общего, «Элементы», 09.07.2020).

Человек, конечно, не самая удобная модель — уже хотя бы потому, что может сделать сознательный выбор: размножаться ему или нет. Но есть в животном мире и более показательные исключения — это эусоциальные виды, то есть виды со строгой репродуктивной специализацией, у которых внутри каждой группы размножается лишь небольшая часть особей. Так, в колонии пчел есть матка, которая всю жизнь только и делает, что размножается, но живет на порядок дольше рабочих пчел: в среднем 3–5 лет против полутора месяцев (L. Saade Haddad et al., 2007. Extended longevity of queen honey bees compared to workers is associated with peroxidation-resistant membranes). Есть, конечно, разные соображения о том, как ей это удается — за счет специальной диеты (D. C. Wan et al., 2018. Honey bee Royalactin unlocks conserved pluripotency pathway in mammals) или работы конкретных генов (Y. Y. Shi et al., 2011. Diet and Cell Size Both Affect Queen-Worker Differentiation through DNA Methylation in Honey Bees (Apis mellifera, Apidae)), — но факт остается фактом: активное размножение совершенно не сокращает пчелиные дни. Аналогично устроены колонии и некоторых других общественных насекомых: муравьев, ос, термитов.

Среди млекопитающих эусоциальных видов совсем мало: всего три или два — в зависимости от того, включать ли в этот список человека (не все зоологи с этим согласны). Первым обычно вспоминают голого землекопа (Heterocephalus glaber). И это неспроста: его уже изучили вдоль и поперек, причем не только с точки зрения социальности, но и как модель замедленного старения. Причем есть подозрения, что именно эусоциальность позволила землекопам стать рекордсменами среди грызунов: в условиях, когда размножаются только избранные особи, а остальные ждут своего шанса стать избранными, жить долго становится особенно выгодно (см. Что общего у голых землекопов и «голых обезьян», «Элементы», 06.03.2017).

Тем не менее, связь длины жизни с размножением у землекопов пока не выглядит очевидной: одни авторы пишут о том, что риск умереть у «простых рабочих» землекопов в 10 раз выше, чем у размножающейся элиты (J. G. Ruby et al., 2018. Naked mole-rat mortality rates defy Gompertzian laws by not increasing with age), а другие отмечают, что не во всех условиях эту связь можно обнаружить (C. M. Schmidt et al., 2015. The long-lived queen: reproduction and longevity in female eusocial Damaraland mole-rats (Fukomys damarensis)).

Зато есть еще один эусоциальный грызун, про которого сомнений давно уже не осталось — это дамарский пескорой (Fukomys damarensis). Пескорои во многом напоминают голых землекопов: это некрупные зверьки, которые роют тоннели в песке, в поисках подземных клубней растений — их излюбленной пищи. В отличие от голых землекопов дамарские пескорои покрыты плотным слоем шерсти. Их ареал охватывает значительные территории в южной части Африки.

Вообще среди семейства землекопов есть немало социальных видов, у которых размножающиеся особи живут дольше, чем неразмножающиеся (на рис. 2 для примера показаны гигантские пескорои (Coetomys mechowi), см. также P. Dammann et al., 2011. Extended Longevity of Reproductives Appears to be Common in Fukomys Mole-Rats (Rodentia, Bathyergidae)). Но только у дамарского пескороя это разделение достаточно строгое: особь, которая изначально не относится к элите, как и у голых землекопов, в норме никогда не получает шанса на размножение. Потому и разница в продолжительности жизни у них заметная — пусть не на порядок, как у пчел, но в разы. Например, если отловить самок дамарского пескороя, пометить их и потом ежегодно отслеживать, то размножающиеся самки ловятся повторно до 8,5 лет, а неразмножающиеся — только до 4 (см. C. M. Schmidt et al., 2015. The long-lived queen: reproduction and longevity in female eusocial Damaraland mole-rats (Fukomys damarensis)).

Рис. 2. Два гигантских пескороя (Fukomys mechowii) — представители социальных (но не эусоциальных) землекопов. Неразмножающийся 9-летний самец (слева) выглядит старше, чем его размножающаяся 15-летняя мать (справа). Изображение из статьи P. Dammann et al., 2011. Extended Longevity of Reproductives Appears to be Common in Fukomys Mole-Rats (Rodentia, Bathyergidae)

Коль скоро от «касты» пескороев зависит длина их жизни, можно предположить, что и процессы старения у них тоже как-то различаются — по крайней мере, своей скоростью, но возможно и механизмами. И здесь снова становится актуальной теория одноразовой сомы (подробное обсуждение см. в новости Предложена универсальная модель старения одноклеточных, «Элементы», 22.05.2020). В классической формулировке она предполагает, что в организме есть «нестареющая» (или медленно стареющая) часть — половые клетки, в которых активно работают внутриклеточные системы уборки «мусора», и «одноразовая» часть — все остальные клетки тела, которые делают упор на рост, деление и синтез белка и пренебрегают уборкой, что приближает их старость. А поскольку основное отличие между кастами пескороев состоит в способности размножаться, можно предположить, что они по-разному распределяют ресурсы между сомой и половыми клетками.

Проверить, так это или нет, попытались ученые из нескольких научных учреждений ЮАР, Швейцарии и Англии. Они предположили, что пескорои из «элиты» делают ставку на размножение, а рабочие особи — на выживание. Если это так, то в зависимости от касты особи должны по-разному реагировать на стресс, поскольку он должен в большей степени проявляться в тех клетках, где ослаблена защита, то есть преимущественно в половых клетках у рабочих и в соматических у «элиты». Чтобы это проверить, исследователи решили подвергнуть группу самцов пескороев повышенным физическим нагрузкам: им насыпали в 5–7 раз больше песка, чем обычно. Вынужденные рыть тоннели и искать пищу на большей территории, пескорои тратили больше энергии и испытывали более сильный окислительный стресс. После этого авторы работы измеряли количество маркеров окислительного стресса в их сперматозоидах и крови (представляющей сому).

Физические нагрузки не оказались для животных чрезмерными: несмотря на то, что они стали тратить больше времени на перекапывание песка, остальные активности не пострадали, а сами пескорои не потеряли в весе и не выглядели утомленными. Тем не менее, в их крови и сперме появились признаки стресса: малоновый диальдегид (маркер окисленных липидов) и окисленный глутатион (защитная молекула в клетке, которая жертвует свои атомы водорода на нейтрализацию свободных радикалов). Активизировался у них и антиоксидант супероксиддисмутаза (СОД) — фермент, который направленно уничтожает активные формы кислорода. Правда, оказалось, что ее активность выросла в основном в соме, причем вне зависимости от касты (рис. 3). И те, кому дано размножаться, и те, кому размножение не светит, выбрали сохранить сому и пожертвовать сперматозоидами.

Рис. 3. (a) — активность супероксиддисмутазы в сперматозоидах, (b) — концентрация малонового диальдегида в сперматозоидах, (c) — отношение активностей супероксиддисмутазы в половых клетках и соме, (d) — отношение концентраций малонового диальдегида в половых клетках и соме. На каждом из графиков справа показаны данные для группы землекопов, которым приходилось иметь дело с повышенными нагрузками. Изображение из обсуждаемой статьи в Proceedings of the Royal Society B

Выбор рабочих пескороев вполне объясним: шансов оставить потомство у них немного, разве что в рядах «элиты» когда-нибудь освободится место. Но поскольку неизвестно, когда это случится и случится ли, то гораздо важнее в принципе дожить до этого дня, чем сохранить сперматозоиды целыми.

Понять «элиту» гораздо сложнее: казалось бы, единственная их функция как раз состоит в том, чтобы беречь свои половые клетки. Авторы статьи полагают, что дело здесь в отсутствии конкуренции: поскольку «элитарные» пескорои в любом случае оставят потомство, каким бы малочисленным и хилым оно ни было, нет никакого резона жертвовать собой ради его качества. Такова оборотная сторона эусоциальности.

Получается, с одной стороны, что никакой специальной стратегии старения по результатам этого эксперимента обнаружить не удалось. Что «элита», что «простые смертные» дамарские пескорои стареют одним и тем же путем. А вопрос о том, что обеспечивает разницу в их продолжительности жизни, остается открытым. Возможно, дело здесь просто в условиях жизни — например, количестве рисков, которым себя подвергают те и другие. А может быть, здесь кроется какой-то дополнительный механизм, который еще предстоит раскопать ученым, и заодно сравнить с тем, что происходит у голых землекопов и других социальных грызунов.

С другой стороны, тот путь, которым движутся обе касты пескороев — это и есть в некотором смысле верный рецепт долголетия. Из теории одноразовой сомы напрямую следует, что лучший способ жить дольше — переключить сому из режима роста в режим защиты и экономии, пожертвовав зародышевой линией. И если эта теория верна, то можно предположить, что именно этот механизм и помог пескороям (вне зависимости от касты) жить дольше, чем другие грызуны вроде мышей. А позволить себе такое переключение им помогла монополия на размножение: когда ослабленное внимание к зародышевой линии не выбивает организм из репродуктивной гонки.

Источник: R. Mendonça, P. Vullioud, N. Katlein, A. Vallat, G. Glauser, N. C. Bennett, F. Helfenstein. Oxidative costs of cooperation in cooperatively breeding Damaraland mole-rats // Proceedings of the Royal Society B. 2020. DOI: 10.1098/rspb.2020.1023.

Полина Лосева