Панцири и яды способствуют эволюции долголетия у амфибий и рептилий

Рис. 1. Эволюционное дерево изученных видов амфибий и рептилий и показатели долголетия: продолжительность жизни (время в годах от начала размножения до гибели 95% особей) и скорость старения (оцененная по модели Гомперца, согласно которой вероятность умереть в текущем году увеличивается в \(e^{\beta_1}\) раз с каждым прожитым годом). Горизонтальными серыми и белыми полосами выделены отряды: хвостатые амфибии, бесхвостые амфибии, крокодилы, черепахи, чешуйчатые (ящерицы и змеи), клювоголовые (гаттерия). Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Данные по 77 видам амфибий и рептилий из 107 природных популяций, собранные в ходе многолетних полевых исследований, внесли ясность в малоизученный вопрос о закономерностях эволюции продолжительности жизни и скорости старения у эктотермных (холоднокровных) четвероногих. Как выяснилось, амфибии и рептилии более разнообразны по этим показателям, чем млекопитающие и птицы. В каждом отряде холоднокровных есть нестареющие виды, у которых вероятность смерти практически не растет с возрастом (среди теплокровных известен только один такой вид — голый землекоп). Виды, имеющие хорошую физическую или химическую защиту (прочная чешуя, костяной панцирь, ядовитые железы), как правило, живут дольше и стареют медленнее, чем незащищенные. Это подтверждает классическую эволюционную гипотезу, согласно которой высокая базовая (независящая от возраста) смертность способствует эволюции быстрого старения и недолгой жизни. Подтвердилась и гипотеза об «эволюционном компромиссе» между ранним размножением и долголетием: виды, рано достигающие половой зрелости и производящие каждый год многочисленное потомство, живут меньше и стареют быстрее. Две другие популярные гипотезы не получили подтверждения: о том, что теплокровные из-за более активного метаболизма должны стареть быстрее, чем холоднокровные, и о том, что холоднокровные, обитающие в районах с теплым климатом, должны стареть быстрее обитателей прохладных мест. По-видимому, это значит, что интенсивность метаболизма, ведущая к ускоренному накоплению молекулярных повреждений, — менее значимый фактор эволюции старения, чем отбор на способность с этими повреждениями справляться.

Является ли старение непременным свойством всех живых организмов или его можно избежать? Почему представители разных видов так сильно различаются по продолжительности жизни? Какие факторы влияют на эволюцию скорости старения? Несмотря на энергичные исследования, окончательных ответов на эти вопросы пока нет, хотя есть ряд гипотез с разной степенью теоретической и фактической обоснованности (см. D. Fabian, T. Flatt, 2011. The Evolution of Aging, а также статью в Википедии Evolution of ageing и ссылки в конце новости).

Одним из перспективных подходов к изучению эволюции старения является сравнительный анализ больших массивов данных по демографическим показателям разных видов живых существ (см., например: O. R. Jones et al., 2014. Diversity of ageing across the tree of life). Это позволяет обнаруживать корреляции между долголетием и признаками, которые теоретически могут влиять на его эволюцию, такими как уровень метаболизма, плодовитость, время полового созревания, способность к полету, пресс хищников, наличие эффективных средств защиты от них и т. д. Особенно ценны данные по диким популяциям, потому что в неволе многие интересующие эволюционных геронтологов параметры могут отличаться от естественных.

По теплокровным позвоночным (млекопитающим и птицам) таких данных набралось уже довольно много, а вот эктотермные (пойкилотермные, холоднокровные) тетраподы, то есть амфибии и рептилии (за вычетом птиц, которые формально тоже рептилии), до сих пор были недопредставлены в подобных исследованиях. Между тем они крайне интересны хотя бы потому, что среди них много рекордсменов-долгожителей. Из 30 видов позвоночных, способных доживать до 100 лет, 26 относятся к амфибиям и рептилиям (среди известных примеров — протеи и галапагосские черепахи).

Статья большого коллектива зоологов из 23 стран, опубликованная недавно в журнале Science, восполняет этот пробел. Объем собранных данных впечатляет. Авторы обобщили результаты многолетних исследований 107 диких популяций 77 видов амфибий и рептилий. В каждой из этих популяций животных регулярно ловили, метили, отпускали, снова ловили и т. д. (см. Mark and recapture). Это позволило оценить смертность в разных возрастах. Средняя продолжительность наблюдений за одной популяцией — 17 лет (диапазон — от 4 до 60 лет), среднее число учтенных особей (тоже в расчете на одну популяцию) — 1796, поимок — 4137.

Для каждого вида были рассчитаны два показателя: продолжительность жизни и скорость старения. Результаты показаны на рис. 1.

Продолжительность жизни рассчитывалась как время в годах от полового созревания до смерти 95% половозрелых особей в популяции. Эта мера не идеальна, но всё же она надежнее, чем максимальная (рекордная) продолжительность жизни, которая слишком сильно зависит от размера выборки.

Скорость старения рассчитывалась при помощи модели Гомперца, которая в первом приближении неплохо описывает динамику старения (то есть рост смертности с возрастом) у животных после достижения половой зрелости. Использовалось уравнение \(u=e^{\beta_0+\beta_1\alpha}\), где \(u\) — вероятность умереть в течение года, \(e\) — основание натурального логарифма, \(\alpha\) — возраст в годах от наступления половой зрелости, \(\beta_0\) и \(\beta_1\) — коэффициенты, которые нужно подбирать на основе эмпирических данных. Первый коэффициент характеризует базовую смертность, не зависящую от возраста, а второй — это и есть скорость старения. Суть в том, что смертность, как правило, с возрастом растет экспоненциально, увеличиваясь в определенное число раз каждые сколько-то лет. Например, у людей в интервале от 30 до 90 лет вероятность умереть в течение ближайшего года удваивается каждые 7 лет (в первом приближении), что соответствует величине \(\beta_1\approx0{,}1\). При \(\beta_1=0\) старение отсутствует (смертность постоянна во всех возрастах), при \(\beta_1<0\) можно говорить об «отрицательном старении» (смертность снижается с возрастом), при \(\beta_1=2\) (максимум на шкале на рис. 1) вероятность смерти в данном году увеличивается за каждый год взрослой жизни почти в 7,5 раз (очень быстрое старение).

Связь между скоростью старения и продолжительностью жизни хоть и тесная, но не вполне однозначная. При высокой скорости старения жизнь не может быть долгой. Однако при низкой скорости старения она может быть как долгой, так и короткой: это зависит от базовой смертности, в том числе от пресса хищников.

В каждом из шести попавших в выборку отрядов (рис. 1) нашлись нестареющие виды, чья смертность с возрастом остается постоянной или даже снижается. В научной литературе сейчас принято осторожно называть их «видами с незначительным старением» (negligible senescence) — на всякий случай, вдруг мы чего-то еще не понимаем. Вот как трудно человечеству отказываться от веры в неизбежность старения.

Если проводить сравнение по отрядам, то медленнее всех стареют и дольше всех живут гаттерии, черепахи и крокодилы. Впрочем, и в других отрядах встречаются виды с нулевым и отрицательным старением (рис. 2).

Рис. 2. Скорость старения (вверху) и продолжительность жизни у представителей шести отрядов амфибий (синие точки) и рептилий (зеленые точки). Слева направо: чешуйчатые, бесхвостые, хвостатые, крокодилы, черепахи, туатара (гаттерия). Буквы (A, B, C) показывают, какие группы значимо отличаются друг от друга после внесения поправок на массу тела и филогению (положение на эволюционном дереве). Точками показаны нескорректированные данные. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Авторы использовали собранные данные для проверки четырех гипотез о природе старения и о факторах, влияющих на его эволюцию.

1. Терморегуляторная гипотеза. Многие специалисты убеждены, что главная причина старения состоит в накоплении разнообразных молекулярных повреждений (см.: Экстракт из старых сородичей ускоряет старение, «Элементы», 20.02.2017), в том числе из-за окислительного стресса. Логично предположить, что у эндотермных (теплокровных) животных повреждения должны накапливаться быстрее, чем у эктотермных, потому что у них выше уровень метаболизма. В таком случае теплокровные и стареть должны быстрее, чем амфибии и рептилии. Новые данные, однако, этого не подтвердили. После внесения необходимых поправок на массу тела и эволюционное родство оказалось, что скорость старения у холоднокровных значимо не отличается от таковой у теплокровных. При этом она значимо более вариабельна (сильнее варьирует от вида к виду, рис. 3).

Рис. 3. Скорость старения (слева) и продолжительность жизни у холоднокровных (закрашенные значки) и теплокровных (незакрашенные квадраты — птицы, круги — млекопитающие). По горизонтальной оси — логарифм массы тела. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Данных по теплокровным тоже не всегда подтверждают «метаболическую гипотезу». Она неплохо работает на уровне внутривидовой изменчивости (особи с более высокой температурой тела стареют быстрее), но при межвидовых сравнениях всё не так очевидно. Например, птицы обычно стареют медленнее, чем млекопитающие сходного размера, хотя температура тела у них, как правило, выше.

2. Температурная гипотеза. Близкое по смыслу предположение, тоже основанное на идее о положительной связи между уровнем метаболизма и накоплением повреждений, состоит в том, что холоднокровные, живущие в теплом климате, должны стареть быстрее, чем их сородичи из более прохладных районов. Авторы проверили это, используя данные по средним, максимальным и минимальным температурам в районах обитания изученных популяций. Как выяснилось, у рептилий действительно есть слабая положительная связь между температурой окружающей среды и скоростью старения. У амфибий, однако, всё наоборот: лягушки и саламандры, живущие в прохладном климате, стареют в среднем быстрее, чем их собратья из теплых районов. Что касается продолжительности жизни, то она не коррелирует с температурой ни у рептилий, ни у амфибий.

3. Гипотеза защитных адаптаций. Третья гипотеза, проверявшаяся авторами, основана на классической эволюционной теории старения, согласно которой главной его причиной является недостаточно сильное действие очищающего отбора на поздно проявляющиеся вредные мутации. Логика, впервые изложенная Питером Медаваром, здесь такая. Даже если животное не стареет, оно не бессмертно: рано или поздно оно умрет от каких-то внешних причин (например, его съедят). Если вероятность смерти постоянна (не растет с возрастом), то вероятность дожить до возраста \(\alpha\) экспоненциально убывает с ростом \(\alpha\). Если какая-нибудь мутация снизит жизнеспособность организма в возрасте, до которого и без этой мутации мало кто доживает, то отбор вряд ли сможет ее отбраковать: он ее как бы «не заметит». Поэтому с течением времени в популяции должны накапливаться вредные мутации с поздно проявляющимися эффектами. Они-то и являются причиной старения.

Из этого следует, что итоговая скорость старения, определяемая балансом мутаций и отбора, должна зависеть от уровня внешней, не зависящей от возраста смертности. Например, если пресс хищников настолько велик, что у жертв почти нет шансов прожить больше двух-трех лет, то отбор не будет эффективно отбраковывать мутации, снижающие жизнеспособность после двух-трехлетнего возраста. В результате жертвы будут эволюционировать в сторону быстрого старения. И наоборот, если внешние угрозы минимальны, отбор будет способствовать эволюции медленного старения.

Тут-то и вступают в игру защитные адаптации. Если животное надежно защищено от хищников, например, прочным панцирем или несъедобностью, то следует ожидать, что оно будет, при прочих равных условиях, стареть медленнее, чем его незащищенные родственники.

Авторы рассмотрели два вида защитных адаптаций: физические (панцири черепах, прочная чешуя крокодилов и некоторых чешуйчатых) и химические (всевозможные яды). Оказалось, что защищенные виды действительно стареют в среднем медленнее, чем незащищенные. У видов с физической защитой среднее значение \(\beta_1\) составляет 0,05, с химической — 0,28, у беззащитных — 0,47.

К слову заметим, что медленное старение птиц по сравнению с млекопитающими тоже хорошо объясняется «гипотезой защитных адаптаций». Ведь у птиц есть одна из лучших защитных адаптаций, придуманных природой — способность к полету. То же относится и к летучим мышам, которые живут в среднем намного дольше, чем нелетающие звери того же размера. Ну а у голых землекопов и людей в роли защитной адаптации, способствовавшей эволюции медленного старения и долгой жизни, вероятно, выступала высоко развитая социальность (см.: Что общего у голых землекопов и «голых обезьян»?, «Элементы», 06.03.2017).

4. Гипотеза компромисса между ранней и поздней приспособленностью (или быстрой и долгой жизнью). Помимо идеи об ослаблении отбора с возрастом, классическая эволюционная теория старения включает идею о балансе между ранней приспособленностью (то есть эффективностью размножения в раннем возрасте) и сохранением жизнеспособности в течение долгого времени. При прочих равных то, что происходит в раннем репродуктивном возрасте, для отбора важнее происходящего позже, потому что до позднего возраста еще неизвестно, доживешь ты или нет. Поэтому если возникнет мутация, повышающая раннюю приспособленность ценой сопоставимого снижения поздней, отбор её, скорее всего, поддержит — даже если до проявления негативных эффектов этой мутации у многих особей есть шанс дожить. По-видимому, мутации, повышающие эффективность размножения в молодости, действительно часто делают это ценой ускоренного износа организма или имеют другие негативные поздние эффекты (см. Антагонистическая плейотропия). Следовательно, можно ожидать, что между компонентами ранней приспособленности (скорость полового созревания, плодовитость) и долголетия (высокая продолжительность жизни, медленное старение) будет существовать отрицательная корреляция. В зависимости от условий (например, от того же пресса хищников) одни виды будут выбирать стратегию быстрой жизни («живи быстро, умри молодым»), а другие последуют максиме «тише едешь — дальше будешь».

Данные по рептилиям и амфибиям хорошо согласуются с этой гипотезой (рис. 4). Рептилии, позднее достигающие половой зрелости, стареют медленнее и живут дольше созревающих рано. У амфибий есть значимая положительная связь между плодовитостью (количеством икры, выметываемой в год) и скоростью старения. Как и у рептилий, скорость полового созревания у них отрицательно коррелирует с продолжительностью жизни.

В свете этих данных становится понятнее исключительное долголетие черепах: у них и защита на высоте, и стиль жизни медленный.

Рис. 4. Связь между компонентами ранней приспособленности (время полового созревания, плодовитость) и долголетием у амфибий (синие значки) и рептилий (зеленые). A — скорость старения отрицательно коррелирует с возрастом начала размножения. B — скорость старения положительно коррелирует со среднегодовой плодовитостью. C — продолжительность жизни положительно коррелирует с возрастом начала размножения. D — между продолжительностью жизни и плодовитостью нет значимой корреляции. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Таким образом, исследование показало, что уровень внешней смертности, определяющий давление отбора на вредные мутации с поздним эффектом, и компромисс между быстрой и долгой жизнью, — два фактора, предсказываемые эволюционной теорией старения, — судя по всему, сильнее влияют на эволюцию долголетия у наземных позвоночных, чем интенсивность метаболизма.

По-видимому, нужно признать, что уровень метаболизма не является решающим фактором в эволюции старения. Молекулярные повреждения любой природы (будь то производство свободных радикалов, утрата теломер, производство цитокинов стареющими клетками или повреждения ДНК) должны накапливаться быстрее при интенсивном метаболизме. Но эволюционная судьба вида, то есть то, с какой скоростью он в итоге будет стареть, по-видимому, определяется не столько темпом накопления повреждений, сколько силой отбора на способность с этими повреждениями бороться. В этом смысле эволюция сильнее биохимии.

Источник: Beth A. Reinke, Hugo Cayuela, Fredric J. Janzen et al. Diverse aging rates in ectothermic tetrapods provide insights for the evolution of aging and longevity // Science. 2022. DOI: 10.1126/science.abm0151.

См. также:
1) Быстрое старение у нематоды C. elegans поддерживается родственным отбором, «Элементы», 15.01.2019.
2) Что общего у голых землекопов и «голых обезьян»?, «Элементы», 06.03.2017.
3) Экстракт из старых сородичей ускоряет старение, «Элементы», 20.02.2017.
4) У червя Caenorhabditis elegans старение легко замедлить или ускорить, но трудно изменить его траекторию, «Элементы», 02.02.2016.
5) Как стареют растения, «Элементы», 07.11.2006.
6) Эволюция ускоренного старения как следствие адаптации к неблагоприятным условиям (доклад А. В. Маркова на семинаре «Вопросы эволюции» 27.01.2017).

Александр Марков