[Из песочницы] Взгляд биолога на корни нашего старения

Нижеследующий текст изначально набирался как продолжение вот этого диалога, но размер ответа превысил все мыслимые размеры, а учитывая что на Хабре существует спрос на тему истоков старения и смерти от оной, я решил оформить его (ответ) отдельной статьёй.

Дисклеймер: если вам кажется, что текст направлен определённому человеку, а не аудитории в целом, то так оно и есть, но менять я ничего не буду.

Эта статья написана полностью из головы, что называется на одном дыхании (правда в три захода), потому в ней минимальное количество ссылок и картинок – прошу понять и простить, либо написать в комментарии, возможно я что-то исправлю.

Вместо пролога: Обращение к phenik `у. Я тут оглянулся на наш диалог и понял, что неправильно строю общение, что-то я много задаю неудобных вопросов, заставляя вас уходить в глухую оборону (потому видимо мы и пошли по кругу) и никак не освещаю свою позицию. Простите, постараюсь исправится.

Даже не знаю с чего начать, поэтому начну, пожалуй, с самой дальней и абстрактной области. Вы неверно применяете термодинамику к биологии. Вам кажется что хаос (я сознательно буду избегать слова энтропия там где только можно) творящийся в окружающей среде непременно должен «победить» биосистему (ведь нас же всех ждёт тепловая смерть). Но это не верно, наоборот, это экзотические химические реакции научились извлекать пользу из окружающего хаоса и превратились в биологические системы, и вектор развития этих систем в основном направлен на изолирование (на самом деле на независимость, но в контексте нашего диспута «изолирование» более правильное слово) себя от внешней среды и всё более эффективное использование этой среды (и её флуктуаций) в собственных нуждах. Если вы взглянете на молекулярный уровень жизни, то увидите, что в своей основе мы живём за счёт броуновского движения и хитрого жонглирования ионами, гидрофобностью и гидрофильностью. Вы увидите, что это не окисление неизбежно повреждает клеточные структуры, а клетка эффективно использует окислительно-восстановительные реакции для собственных нужд.

Сразу оговорюсь, я не утверждаю что хаос творящийся вокруг биосистемы не способен так или иначе её повредить, я пытаюсь акцентировать внимания на том что этот хаос является нормальной средой для биосистем, и что в совокупности биосистемы извлекают из хаоса гораздо больше пользы чем получают вреда, иначе бы их просто не существовало.

Если мы встаём на точку зрения, что среда неизбежно разрушает организм (современный, непрерывно приспосабливающийся к среде в которой обитает последние 3,5 миллиарда лет), притом разрушает так эффективно, что организм существует всего мгновение на фоне истории, то придётся признать, что жизнь не могла зародиться в столь агрессивной среде как на планете Земля. Или же придётся объяснить хоть какие-то подходы как же протожизнь была защищена от такого воздействия. Почему современные организмы, напичканные репарирующими системами на всех уровнях организации, не могут дотянуть и до века, неизменно накапливая повреждения и разрушаясь, а какая то протожизнь, по определению не имеющая таких механизмов, сумела не просто избежать этих проблем, но и развиться до того что мы называем жизнью? (Здесь попахивает божественным вмешательством).

Другой аспект взгляда неизбежного накопления повреждений. Я не люблю этот аргумент потому как он больше философский чем практический, но к этой части он очень подходит. Если я (или кто-то другой) дотошно будет от вас добивать ответа на вопрос о том, что такое жизнь и что такое смерть, смело сдирая шелуху слов, то рано или поздно придётся признать, что смерть безусловно есть, но любая ныне живущая особь любого вида есть непрерывная линия колонии клеток живущая 3,5 ляма лет. Понимаете, в чём дело ни один вид не имеет стадии «нежизни» в своём развитии/размножении (оставим вирусов и им подобных за скобками). Неважно делитесь вы, отпочковываетесь, размножаетесь с помощью сперматозоидов или спермиев, семена у вас или икра, в любом случаи все эти промежуточные агенты межу поколениями являются живыми на всех «участках» развития. (Я знаю, приверженцы теории накопления повреждений ответят, как обычно, что половые клетки специально дополнительно защищены от повреждений или живут слишком короткую жизнь или малоактивны до поры или…, что бы накопить повреждения, но вот вопрос (мы же пытаемся думать системно), если механизм защиты в принципе осуществим и применяется многими видами, то что мешает видам применять эти механизмы на весь организм?)

Метаболизм.

Вы и что такое метаболизм представляете себя искажённо, через термодинамику. А это не верно, термодинамика тут вообще с боку стояла. Метаболизм, это совокупность всех процессов в организме, а не мера скорости физических (тепловых) процессов. Более того, в полном согласии с тем, что я писал выше (биологические системы имеют вектор к всё большей изоляции от внешней среды), метаболизм естественным образом (как отражение совокупности всех процессов) неизменно поднимается от менее сложных организмов к более сложным (хотя бы потому что в более сложных системах идёт больше процессов). То есть не скорость метаболизма определяет как жить организму, а организм своей жизнью определяет скорость своего метаболизма.

Пытаясь приставить «термодинамический метаболизм» к старости вы пытаетесь доказать, что чем выше скорость, тем короче жизнь, но это лишь потому что вы не знакомы с биологией, по своей сути этот постулат абсурден.

Во-первых, да, есть некоторая прослеживаемая закономерность, но эта закономерность из области «почему больше красных карандашей чем зелёных». Вы можете посчитать карандаши и констатировать факт, что да, красных больше, но совершенно не обязательно есть глубинные причины этих различий. Или другой пример – если вы негр, то весьма вероятно ваш нос шире чем у большинства людей в мире, но если у вас широкий нос то это ещё не значит, что вы негр. Понимаете, не ширина носа определяет расу или цвет кожи, но раса определяет и цвет кожи и ширину носа. Вы можете построить график, где на одну ось нанесёте шкалу цвета кожи, а на другую ширину носа, и эксель послушно проведёт прямую, указывая зависимость. Именно так была выведена зависимость скорости метаболизма и максимального срока жизни, то есть это та самая сова натянутая на глобус.

Во-вторых, живые системы в своей эволюции склонны наращивать свою изоляцию от среды. Так вот, теплокровность это адаптация выработанная для защиты от среды (точнее для независимости скорости метаболизма от внешней температуры, но в нашем случаи это одно и то же), а не для того что бы метаболизм разогнался и убил нас. То есть появление теплокровности, должны были (собственно, не «должны были», а так и есть) наоборот, стабилизировать все химические реакции в организме и значит более эффективно противостоять воздействию внешней среды поддерживая (ремонтируя) организм.

Если мы взглянем на графики приведённый вами:

то сразу увидим много интересного не вписывающегося в вашу концепцию. Я бы много к чему мог придраться, но объём текста меня ограничивает, приведу один, но самый наглядный пример. В графиках отмечены только млекопитающие (ну ещё бы чем строже рамки выборки тем проще найти корреляцию), но что будет если мы добавим туда птиц (тоже теплокровные между прочем)? Например всякие воробьи-синицы по массе как мыши, по метаболизму так и обгоняют грызунов (крыльями летать – не лапами копать), а вот живут мелкоптаховые примерно по 5-15 лет. А теперь сравним с рыбами той же массы – стало ещё хуже! Они живут примерно как птицы 5-10 лет, но их метаболизм гораздо ниже чем даже у грызунов.

Вы как бы отметаете эти «аномалии» заявляя:

Связи замысловатые (помним, что это саморазвивающаяся система), но основной вклад в МПЖ вносит интенсивность метаболизма, остальные факторы только модулируют ее… …Есть еще индивидуальные адаптации, связанные с образом жизни. Также влияет эффективность управления гомеостазом…
…Основной вклад в их МПЖ вносит низкая интенсивность метаболизма, и его оптимальная регуляция… …Плюс конечно индивидуальные адаптации этих видов.

А я вот наоборот, скажу вам что, что-то очень много исключений, в вашей теореме, не логичнее ли предположить что это, как вы выразились, индивидуальные адаптации связанные с образом жизни отражают скорость их метаболизма? Не высокая скорость метаболизма определяет нашу теплокровность, а наша теплокровность обуславливает скорость метаболизма. А сама же теплокровность обусловлена адаптацией к среде. И тут мы плавно переходим к среде, то бишь к экологии.

Экология

Вы превратно понимаете что такое экология. Экология в биологии это не «кто-то разлил нефть – экология плохая», экология это взаимоотношение видов друг с другом и окружающей средой. Поэтому когда вы пишите:

На просторах саванны в одних и тех же экологических условиях живет мышь и слон.

мы понимаем две вещи, первая – ваше представление о экологии базируется на массмедиа навязанные «зелёными» и относятся исключительно к экологии человека. Второе – вы совершенно не поняли что я имел в виду когда писал что максимальный срок жизни зависит (в том числе) от экологии вида.

Ну у нас уже есть слон и мышь, давайте на их примере и разбираться, что же такое экология вида (кратко и с уклоном в причины сроков жизни этих видов). Живя на просторах одной и той же саванны, слон и мышь имеют совершенно разную экологию. Слон является крупным стадным травоядным в силу размера и не имеющий естественных врагов. Слоны имеют сложную социальную структуру выражающийся в образовании групп в которых растёт молодняк. Обычно слон вынашивает одного слонёнка (раз в несколько лет), срок беременности больше года, после рождения молодняк оберегается до достижения половозрелости 3-4 года (долго даже по меркам млекопитающих). В случаи недостатка пищи, воды, прочих ресурсов, слоны способны совершать длительные миграции на большие расстояния в поисках нужных ресурсов.

Какие отсюда можно сделать экологические выводы, относящиеся к сроку жизни. Отсутствие пресса со стороны хищников приводит к тому, что не требуется постоянно пополнять популяцию от убыли.

Слон не самый пластичный в экологическом плане вид, но способность находить нужные ресурсы на значительных расстояниях от основных пастбищ, компенсирует этот недостаток, что опять таки позволяет экономить на пополнении популяции в случаи стихийных бедствий, и не требует механизма экстренного увеличения численности.

Из двух вышеобозначенных пунктов становится понятно почему у слона столь длительное вынашивание и созревание (большой приплод в отсутствие лимитирующих факторов способен резко увеличить численность популяции обрекая её на излишнюю внутривидовую конкуренцию (говоря проще – голод)). А длительное вынашивание и созревание уже признаки долгоживущих видов (зачем спешить и тратить много ресурсов за раз, если можно медленно и не спеша «собрать» новую особь, при этом обеспечив стабильную численность популяции). Если сюда прибавить глубокую социализацию, завязанную в том числе на «вожаке» (для придирчивых на «вожачьке») который должен помнить отдалённые пастбища и водопои то становится понятно почему у слона такая длинная жизнь – так удобнее для популяции с экологической точки зрения.

Перейдём к мышам (абстрактным мышам живущим в саване). Мелкое животное питающиеся либо растительностью, либо его плодами, часто и тем и другим. Вид находится под существенным давлением хищников – очень много врагов. Популяция малоподвижна, обычно живущая на ограниченном пространстве. В плане пищи и смены места обитания грызуны удивительно пластичны.

Что мы можем вытащить с этой экологической характеристики? Существенный пресс хищников надо компенсировать приплодом. Отсюда высокая скорость размножения (здесь и короткая беременность, и быстрое созревание, и множественные беременности в короткий срок, и количество «щенят» от самки).

Ограниченный ареал конкретной популяции и не способность быстро мигрировать на значительные расстояния (маленькие они), делают мышей уязвимыми перед различными бедствиями (потоп, засуха, и прочие понос_и_золотуха), поэтому грызуны часто имеют механизмы экстренного наращивания численности при доступности ресурсов и жизненного пространства. Как мы обозначили выше, высокая скорость размножения имеет свои риски, что бы избежать перенаселения колонии мыши имеют поведенческий механизм ограничения рождаемости и непосредственного уничтожения приплода.

Высокая скорость размножение, отсутствие заботы о потомстве (молодняк почти сразу активен), высокий пресс хищников – являются экологическими маркерами короткоживущих видов.

А как же голый землекоп! Он то долгоживущий. Давайте разбираться (с экологической точки зрения). Подавляющие количество грызунов ведут норный или полуподземный образ жизни. А вот голые землекопы пошли дальше, и перешли на полностью подземный образ жизни. Столь кардинальная смена среды обитания не могла не сказаться на виде. В первую очередь уйдя во тьму землекопы практически полностью избавились от влияния хищников. Так как разучиться дышать проблематично, как и проветривать сеть тоннелей (пусть и большую), кислород становится ограниченным ресурсом. Популяция отвечает рядом мер главная из которых является ограничение рождаемости по средством строгой иерархии позволяющая контролировать как рождаемость так и распределение ресурсов. Так как мы рассматриваем только экологию вида остановимся на этой точке и подобьём итог. И так мы имеем почти колониальный вид с аномально низкой рождаемостью для своего семейства. Что колониальность, что, как отмечено выше, низкая скорость размножения являются экологическими маркерами долгожительства.

Я думаю этих примеров должно хватить, но так как я всё же отвечаю на ваш комментарий то пройдёмся и по человеку.

Вы пишите:

Человек еще больше выскакивает из-за вклада массы мозга, благодаря оптимальному управлению теплообменом (гомеостазом). Человек может выбирать стратегии поведения оптимизирующие интенсивность метаболизма, напр., оптимизировать потребление калорий выбирая диету, избегать стрессовых нагрузок меняя образ жизни, использовать достижения цивилизации и тп.

Гомеостаз это, конечно круто, я правда не знаю с чего вы взяли что человек более оптимально управляет гомеостазом чем например медведь, но да бог с ним – не важно. Но вы почти угадали с массой мозга, это действительно одна и косвенных причин нашего долголетия. Человек во многом уникальная скотинка, наша гипертрофированная культура, и сверх сложная социальная иерархия потребовали от природы огроменого мозга, в свою очередь большой объём мозга заставил значительную часть созревания вынести за эмбриональный период (как сказали в одном старинном сериале «Попробуйте вытащить то что размером с тыкву через то что размером с апельсин»). Это привело к ещё одной уникальной характеристики вида – самому длинному периоду постэмбрионального развития. Зато культура рванула ввысь! Ведь можно всё это постэмбриональное развитие совместить с передачей знаний от старшего поколения к младшему, чему очень даже способствуют сложные социальные взаимодействия.

Человеки столкнулись с некоторыми функциями которые не очень охотно совмещаются. В частности, надо защищаться от хищников и добывать пищу, зачастую ради этого перемещаясь на значительные расстояния. При этом беременные самки теряют свою мобильность на поздних сроках, которые не такие и короткие (у нас одна из самых длительных беременностей), молодняк вообще в таких ситуациях уязвим, а совсем молодой-молодняк вообще не способен на переходы и защиту даже от самых жалких хищников. Значит надо было распределить роли в популяции. И вот мы получаем ту социальную структуру которую имеем: часть популяции (беременные женщины и дети) сидит в безопасном месте, добытчики носят им еду. Но здесь новая загвоздка, кто же будет передавать опыт молодняку если тот кто его генерирует и передаёт часто вынужден отсутствовать? Здесь на помощь приходит старость. То есть полный цикл жизни становится следующим: Рождение, взросление (обитание в безопасном становище, переработка пищи, изготовления орудий труда), половозрелость (защита, добыча пищи, вынашивание, забота о молодняке (самки)), старость (передача опыта, защита, переработка пищи, изготовления орудий труда, управление популяцией). То есть старость является следующим этапам жизни человека, при том очень важным для популяции. Наверное этот ряд многим кажется надуманным, я не буду много писать в доказательство написанного выше (потому как уже и так много всего написал) — почитайте лучше что нибудь по антропологии, я лишь приведу несколько наиболее ярких примеров понятных всем.

При сложной социальной структуре со сложной иерархией (где главный не один, а много, и подчинённость стоится на куче нюансов) требуется (ну пусть будет желателен) механизм «узнавания» касты. Человек выбрал визуальный путь – изменения фенотипа.
Подросток, даже если он силён, высок и красив всё равно выглядит не так как взрослый мужчина даже если этот мужчина слабая замухрышка. Нет ни каких особых биологических причин растить бороду или усы взрослому человеку и не растить молодому, мы могли сразу рождаться с усами и бородами, или отращивать их сразу после рождения, но у нас этот процесс отложен до половозрелости для большей наглядности «кто тут старший». Походив с усами энное количество времени, наш фенотип вновь подвергается изменениям, не столь резко как при взрослении, но столько же кардинально – меняется форма ушей, носа, глаз, бровей, цвет волос или даже их отсутствие. И даже не пытайтесь мне доказать, что это происходит в следствии повреждения. Во-первых, в мире полно видов у которых нет фенотипических проявлений старости, во-вторых есть например вот этот дедушка Ван:

Взглянув на его тело и не видя лица его может и можно спутать с тридцатилетним, но как только в вы увидите лицо вы более не сомневаетесь что это дедушка. Сложно представить как же так избирательно повреждения накапливаются исключительно на лице. Что бы не быть многословным скажу, что фенотипические изменения столь устойчивы что сейчас их используют как биомаркеры старения, и в ряде случаев это точнее, чем ковыряние в химии клетки, можно почитать например здесь

Кроме фенотипических возрастных различий мы в добавок получаем психологические (что естественно, ведь с возрастом меняется и роль (читай поведение)), это хорошо демонстрируют такие устоявшиеся понятия как «почемучка», «юношеский максимализм», «остепениться», «впал в детство». Можете сами оглянуться на окружающих или вспомнить свою юность. Пока вы молод вы легко рискуете, вы дерзки и вас тянет на приключения, затем вы «остепеняетесь», а в старости многих тянет на спокойное сидение дома за каким-нибудь рукодельным хобби, например ковырянием в огороде.

Подобьём итог: человек имеет один из самых долгих периодов созревания, имеет специальный «постфертильный» возраст, сложную социальную структуру, и всё это является маркерами долгоживущих видов.

Вообще, как видно из этого маленького экологического разбора, экология вида является своеобразным зеркалом эволюции этого вида. А это подводит нас к следующей важной теме нашего разбирательства.

Эволюция.

Вы как-то очень однобоко и неполно понимаете эволюцию. Хотелось бы написать о причинах, но это очень длинно, эх. Сразу перейдём к сути. Приверженцы теории накопления повреждений и как следствия смерти организма, исходят из примитивного представления что отбор работает с конкретной особью (да простят меня деревья за неполиткорректное слово), отсюда делается неверный вывод что бессмертие есть безусловное благо позволяющие беспрестанно распространять свой генотип и раз бессмертных организмов нет, то эволюция не способна породить бессмертие.
Но эволюционный процесс гораздо шире и работает сразу на множестве уровней организации биосистем – начиная от внутриклеточного-клеточного, продолжая на индивидуальном, на популяционном, на экосистемном, и наконец заканчивая биосферным уровнем (здесь конечно со мной можно поспорить эволюция там работает или нет). В нашей дискуссии нас в первую очередь интересует популяционный отбор потому как именно здесь (главным образом) идёт отбор на смертность.

Популяция это не просто удобное название скопления особей одного вида. Популяция это надорганизменный уровень организации биосистем. Популяция имеет свой ареал обитания, свою экологию, свой гомеостаз, своё размножение, срок жизни (хотя многие популяции условно бессмертные), генотип, фенотип и прочее, короче популяция во многом ведёт себя как целый организм. Нас прежде всего интересуют генетика и фенотип популяций.

Среди приверженцев теории накопления ошибок бытует мнение что нет никакого популяционного отбора или он исчезающе мал. Это мнение почти такое же смешное, как и утверждение о плоской Земле. Потому я не буду в серьёз здесь доказывать, что популяции так же подвержены эволюции, это закрытый вопрос для биологии уже как полсотни лет. Вы можете сами изучить этот вопрос при желании, эволюцией популяций занимается раздел биологии который называется «популяционная генетика», если вы хотите копнуть поглубже то мне всегда импонировали Райт и Фишер, так же основополагающим законом этой науки считается Закон Харди – Вайнберга – погуглите, найдите какую-нибудь статью поприличнее или учебник и почитайте, там нет сложной математики.

И так в чём же эволюционное преимущество смерти? Да вы что, братцы(!), смерть сильнейший катализатор эволюции, настолько сильный и показательный что мы, говоря о скорости эволюции измеряем её поколениями, а не временем. Смерть в данном случаи обеспечивает генетическую/фенотипическую пластичность популяции. Она позволяет быстро занимать освобождающиеся экологические ниши, приспосабливаться к давлению среды. Ведь если вы не умираете вы не можете приспособится к изменившимся условиям, а условия со временем обязательно меняются. Чем оборачивается отсутствие пластичности и при чём здесь смерть хорошо демонстрирует сосна остистая межгорная (похоже и в правду практически бессмертный вид). Если посмотреть ареал этого вида,

то хорошо видно, что эти мелкие ареальчики мелких популяций раньше сливались в один большой ареал.

Но шли столетия, даже тысячелетия, ледниковые периоды менялись тёплыми, экология данных территорий кардинально менялась – одни виды сменяли другие. И если взрослые, сильные организмы (возможно самые большие организмы на Земле) способны противостоять изменениям и продолжать жить, то поросль уже не способна выживать и нормально развиваться на данных территориях. Вот доживут последние Мофусаилы до своего топора/древоточца или всё же естественной смерти и пропадёт вид с планеты. Если, конечно, человек не поможет искусственно.

Генетическая/фенотипическая пластичность, не единственное преимущество смерти, другое важное преимущество гомеостаз популяции. Можно найти и другие преимущества смерти, но они уже не будут столь универсальны, и будут иметь видовую специфичность (например, кормление молодняка собственными тушками).

Ну хорошо, раз смерть так выгодна популяциям то почему существуют бессмертные организмы? Ну во-первых мы разобрались что даже если такие виды существуют, то в исторической перспективе они проигрывают в эволюционной гонке. А во-вторых, существуют условно бессмертные виды, а это несколько другое. Давайте разберёмся на примере гидры. Долгое время выдвигались и опровергались теории о бессмертии гидры, точку поставил Даниэль Мартинес проведя четырёхлетний эксперимент с разными группами гидр. Да, гидра бессмертна если ей устроить вечное лето. Но что мы наблюдаем в природных популяциях? Гидра доживает до осени, оплодотворяется половым путём оставляет «яйцо» и умирает. То есть с экологической точки зрения гидра вовсе не бессмертна и срок её жизни составляет год (ну точнее от весны до осени). Здесь хорошо проявляется свойство эволюции использовать то что есть и не трогать систему которая уже хорошо работает.

Ещё есть знаменитая медуза турритопсис (тоже кстати класс гидройдных), тоже вроде как бессмертная. Я не буду тратить ни ваше ни своё время и напишу без подробностей, если вы взгляните на её жизненный цикл, то бессмертие там такое же мнимое (и даже более), чем у гидры и сводится к размножению. Нет там такого что бы особь омолодилась до предыдущей стадии и осталась той же особью (в том же теле), а потом та же особь снова повзрослела.

Вместо эпилога.

Оглядываясь на освещённые уже темы хочется плакать как много тем ещё осталось (например любимые староборцами теломеры которые не только сокращаются (и часто не во всех тканях), но у некоторых видов и удлиняются, да и в целом не очень хорошо согласуются со старением, про «митохондриальное старение» к которому тоже есть вопросы, про то что метилирования ДНК не следствия старости, а заложенный механизм изменения экспрессии генов, про то что странным выглядит то как отлично работающие в молодом возрасте репарирующие системы начинают ломаться (то есть накапливать повреждения?) строго после половозрелости и строго в одном возрасте и при том вне зависимости от условий и прочее и прочее).
Глядя на своё время, хочется плакать вдвойне. Мы осмотрели только верхушку айсберга, и мне некогда осматривать подводную часть. Может вы найдёте прочую информацию сами, а может, если сильно попросите, я вернусь со второй частью (вряд ли), но это будет не раньше следующего года (февраля), а пока я хотел бы сказать пару слов на последок.

Я не хочу вас убедить что старость победить невозможно, конечно же возможно, но на данный момент мы совершенно не представляем себе как работает старость на молекулярном уровне. Биологи в целом не очень понимают, как именно регулируется экспрессия генов в каждом конкретном случаи. И никто не может сказать прячется ли старость в конкретном древнем участке ДНК (вряд ли конечно), или разбросана по всем генам кусочками-подпрограммками (что объяснило бы некоторые особенности старости), и пока мы не поймём этих механизмов старость и смерть будут неизбежны. И все эти люди, так легко обещающие вам вечную молодость благодаря их процедуре, коэнзиму, диете и прочему — шарлатаны пытающиеся втюхать вам свой товар, либо выбить очередной грант на исследования (я допускаю что среди этих людей есть и те кто искренне заблуждаются, но это ровным счётом ничего не меняет). Когда-нибудь человечество разберётся с этой загадкой, но боюсь не при нашем поколении.

Удачи вам. И желаю дожить вам хотя бы до предела, определённого природой.