Чем определяется продолжительность жизни организмов различных видов

Продолжительность жизни различных многоклеточных организмов в обычных («нормальных») условиях их существования колеблется по крайней мере в 10 000 раз: у некоторых видов коловраток она составляет несколько дней, тогда как максимальная продолжительность жизни человека и черепахи равна 120-150 годам. Продолжительность жизни растительных организмов может быть еще в несколько десятков раз больше. По крайней мере среди баобабов и кактусов имеются организмы, продолжительность жизни которых превышает несколько тысяч лет. И трудно сказать, каков предел долголетия этих растений. Их жизнь прекращается обычно под влиянием неблагоприятных физических воздействий. Кроме того, клетки растительных организмов обладают практически неограниченной продолжительностью жизни. Именно поэтому их размножение вегетативным путем (т. е. путем перевивки) может происходить в течение практически любого промежутка времени.

Процесс старения не наблюдается и у некоторых одноклеточных организмов. Существуют формы (клоны) инфузорий, которые могут размножаться сотни раз без всяких функциональных изменений. Даже среди многоклеточных животных организмов имеются, вероятно, нестареющие виды, предел продолжительности жизни которых трудно даже указать. Среди таких животных наиболее полно изучены актинии, принадлежащие к группе кишечнополостных.

Что же определяет столь резкие различия в скорости старения и продолжительности жизни животных различных видов? Утверждение, что они определяются различиями их генома, информации в нем содержащейся, столь очевидно, что кажется банальным. Ведь мы уже знаем, что старение определяется протекающими в них внутриклеточными процессами, по крайней мере большинство из которых так или иначе контролируется геномом. Другое дело, если в организации генома долгоживущих организмов, в его свойствах нам удастся найти такие свойства, которые отсутствуют или выражены в меньшей степени в геноме короткоживущих организмов. Итак, мы сформулировали один из основных вопросов, ответ на который необходим для понимания механизмов долголетия. Прямой ответ на этот вопрос дать нельзя, поскольку он пока исследован мало. Ограниченность наших знаний о 1 структуре генома и механизмах регуляции его функций делает маловероятным окончательный ответ на поставленный вопрос и в недалеком будущем. Действительно, если бы мы знали, каков состав генов, а тем более последовательность оснований в каждом из них, в клетках долгоживущих и короткоживущих организмов, то заключение о генетических факторах долголетия можно было бы сделать достаточно быстро. Но современные методы генетического и физико-химического анализа не позволяют получить такие знания. Однако заключение о различиях между геномами долго- и короткоживущих организмов можно делать и на основании различий в признаках, которые контролируются этими генами. Мы ограничимся рассмотрением некоторых из наиболее важных таких различий у животных организмов.

Первый признак, характеризующий долголетние виды животных, - снижение частоты генных и хромосомных мутаций в их клетках.

Развитие оплодотворенной яйцеклетки отнюдь не всегда завершается формированием полноценного организма. И одной из причин этого являются изменения генома (мутации), которые возникают либо в одной из половых клеток, либо в клетках эмбриона на очень ранних стадиях его развития - еще до формирования органов. Мутации могут привести к гибели зародыша - это летальные мутации, либо проявиться в виде различных нарушений структуры и функций организма (примером являются наследственные заболевания у человека). Анализ частоты возникновения таких отклонений в развитии организма, которые, несомненно, обусловлены генетическими изменениями, позволяет оценить частоту мутаций в зародышевых клетках. Это число для различных генов и клеток различных организмов разнится и равно 10⁵ в расчете на клетку. То есть в течение одного периода репродукции в каждой из 10⁵ половых клеток происходит мутация определенного гена. Но ведь период репродукции у различных организмов различается более чем в 1000 раз, составляя, например, у дрозофилы - дни, а у человека около 30 лет. Следовательно, абсолютная частота мутаций, то есть частота изменения гена в единицу времени у организмов, развивающихся быстро, значительно больше, чем у медленно развивающихся организмов. Продолжительность всей жизни организма находится в прямой зависимости от продолжительности его развития. Обычно первая величина в 3-5 раз больше второй. Следовательно, мы можем заключить, что долгоживущие организмы характеризуются замедленной скоростью мутаций генов в их половых клетках. Но нельзя ли объяснить такое постоянство только тем, что мутации - следствие ошибок в процессе редупликации генома половых клеток, и потому их частота не зависит от того, в течение какого промежутка времени они существуют в организмах: несколько дней в организме дрозофилы или несколько десятков лет в организме человека? Нет, такое объяснение неверно. И вот почему. Зрелые половые клетки (яйцеклетки) находятся в яичниках женщины в неделящемся состоянии до тех пор, пока они не будут оплодотворены сперматозоидом, а тот факт, что чем старше роженица, тем больше вероятность возникновения у ее ребенка различных наследственных заболеваний, прямо свидетельствует о том, что с возрастом в яйцеклетках происходит накопление изменений генома, то есть мутации действительно накапливаются с возрастом. Какова же молекулярная основа обнаруженной закономерности.

почему у долгоживущих организмов частота мутаций в половых клетках снижена? Выше мы показали, что одна из основных причин спонтанного повреждения генома состоит в том, что ДНК является нестабильной структурой, и прежде всего потому, что из нее выщепляются пуриновые основания, она повреждается перекисями липидов и другими внутриклеточными факторами, а биологическая стабильность генома, возможность передачи в ряду многих поколений подавляющего большинства генов в неизменном состоянии обеспечивается системой репарации ДНК. Скорость депуринизации ДНК в клетках дрозофилы вряд ли превышает таковую в клетках человека. Ведь эта скорость возрастает с увеличением температуры, а клетки человека существуют при большей температуре, чем клетки дрозофилы (обычно дрозофил содержат при 20°). Другим важным фактором, определяющим скорость депуринизации ДНК, является концентрация водородных ионов в клетках. То, что известно о метаболизме половых клеток организмов с различной видовой продолжительностью жизни, не позволяет утверждать, что эти различия как-то связаны с различиями рН, концентрации перекисей. ДНК-аз или других факторов, повреждающих ДНК. Хотя окончательного заключения по этому вопросу пока сделать нельзя, но то, что способность к репарации ДНК у соматических клеток человека коррелирует с величиной видовой продолжительности жизни животных, то есть является генетической характеристикой, позволяет заключить, что именно увеличенная способность к репарации повреждений ДНК является одной из основных причин, обеспечивающих стабильность генома половых клеток.

Мы только что рассмотрели вероятную связь между скоростью старения различных организмов и скоростью возникновения в их клетках изменений отдельных генов, частотой возникновения генных мутаций. Однако и в половых, и в соматических клетках с возрастом увеличивается частота возникновения повреждений в целых хромосомах (частота хромосомных аберраций). Одним из механизмов таких изменений также является повреждение ДНК. Не удивительно поэтому, что частота хромосомных аберраций, возникающих под влиянием и физических, и химических факторов, обычно коррелирует с частотой генных мутации. Поэтому тот факт, что в клетках животных с большей видовой продолжительностью жизни частота накопления хромосомных аберраций с возрастом меньше, чем в клетках, менее долголетних животных, вполне согласуется и подтверждает предположение, к которому мы пришли: одним из факторов, способствующих большей видовой продолжительности жизни животных, является увеличенная стабильность их генома.

Повреждение генома половых клеток особенно резко влияет на продолжительность жизни организма. Мутации в них, приводящие к развитию наследственных заболеваний у людей, как правило, резко снижают их общую продолжительность жизни, и часто стабильность генома клеток таких больных снижена.

Но в половых клетках могут возникать и такие изменения генома, которые внешне ничем не проявляются, хотя жизнеспособность организмов, развившихся из таких клеток, снижена: и у человека, и у дрозофил, и у лошадей, и у коловраток обнаружена обратная зависимость между возрастом матери и продолжительностью жизни потомства.

Таким образом, старение организма определяется не только теми генетическими повреждениями, которые им получены в течение жизни, но и «грузом» мутаций в половых клетках, передаваемых затем соматическим клеткам.