Старение. Почему эволюция убивает? - Петр Владимирович Лидский

главе 27 мы рассматривали эволюцию миксоматоза кроликов. При снижении плотности популяции хозяев количество заражений миксомавирусом также сокращалось. То есть распространение миксомавируса (болезнь, которая передается кровососущими насекомыми или воздушно-капельным путем) зависит от плотности популяции кроликов. Но в случае с заболеваниями, передающимися половым путем, ситуация иная, поскольку половые контакты так или иначе являются обязательными для размножения животных: если популяция становится слишком разреженной, то животные мигрируют в поисках пары.

Соответственно, число инфекционных контактов в случае заболеваний, передаваемых половым путем, в меньшей степени зависит от плотности популяции. А количество новых венерических инфекций больше зависит от частоты встречаемости инфицированных животных в популяции. Такие инфекции называются частотно-зависимыми.

Стерилизующие заболевания с частотно-зависимой передачей являются одним из наиболее опасных экологических факторов, способных привести популяцию хозяев к полному вымиранию [121]. Действительно, если передача патогена функционально связана с размножением животного, у популяции хозяев мало шансов на восстановление. Интересно, что моделирование выявляет резкий фазовый переход 47 в этой системе: либо болезнь присутствует на низком уровне и не оказывает большого влияния, либо болезнь экспоненциально расширяется и полностью уничтожает популяцию хозяев.

Сравнительно небольшое изменение в инфекционности патогена может переводить модель из одной фазы в другую. Таким образом, патогены, передаваемые половым путем, будут либо почти незаметными, либо вызовут катастрофу. У высших позвоночных, имеющих относительно низкую плодовитость и нуждающихся в спаривании для каждого раунда репликации, эти патогены могут являться фактором, формирующим эволюцию продолжительности жизни.

У других групп животных, таких как беспозвоночные или рыбы, половой путь передачи заболеваний может быть менее важен. У многих видов беспозвоночных спаривание не требуется на каждом этапе размножения. Например, самка плодовой мушки может спариться один раз в начале жизни и хранить сперму до конца своих дней. У рыб или двустворчатых моллюсков оплодотворение является внешним (экстракорпоральным): половые продукты выбрасываются наружу и не вводятся в тело партнера, поэтому риск передачи инфекций половым путем снижен. Скорее всего, у этих видов болезни, передающиеся половым путем, не играют большой роли для эволюции старения.

Однако у этих видов могут встречаться другие стерилизующие инфекции. Напомним, что у видов с высокой плодовитостью достаточно всего нескольких плодовитых самок, чтобы поддерживать численность популяции. Поэтому кастрирующие патогены не оказывают такого сильного воздействия на динамику численности популяций этих видов и поражают их чаще, чем животных с относительно низкой плодовитостью, таких как млекопитающие или птицы. Многие известные кастрирующие инфекции рыб и беспозвоночных не передаются половым путем: например, упомянутая выше саккулина передается свободноживущими личинками. Таким образом, пути передачи стерилизующих патогенов, являющихся движущей силой эволюции продолжительности жизни, могут отличаться в разных группах животных.

Итак, ключевое предположение гипотезы контроля патогенов заключается в том, что хронические стерилизующие инфекции оказывают постоянное селективное давление. Для этого необходимо, чтобы такие патогены постоянно присутствовали в окружающей среде. Но так ли это? Серьезная проблема модели, на которую обратит внимание любой паразитолог, — это эволюция устойчивости к патогенам. Почему организмы стареют, вместо того чтобы выработать устойчивость к патогенам и избавиться от старения?

46 Разумеется, если рассматривать современную эпидемиологическую ситуацию, то эти проблемы практически ушли на второй план благодаря огромному прогрессу, достигнутому в лечении инфекционных заболеваний: люди, живущие с ВИЧ, способны иметь здоровых детей, а сифилис и вовсе полностью излечивается. Однако если мы обсуждаем эволюционное формирование механизмов старения, которое продолжалось на протяжении миллионов лет в отсутствии средств лечения, то достижения медицины последнего столетия пока несущественны. Для того чтобы эти изменения оказали влияние на эволюцию продолжительности жизни, должно пройти еще несколько миллионов лет.

47 Термин «фазовый переход» означает, что в определенных условиях очень незначительные изменения таких параметров, как способность патогена передаваться между хозяевами, могут привести к значительным изменениям, например, к массовому вымиранию либо хозяина, либо патогена.

Глава 34

Почему старение лучше устойчивости к патогенам?

Давайте вернемся к быстрой эволюции устойчивости к вирусу миксомы, которая наблюдалась у кроликов в Австралии. Миксоматоз кроликов — смертельная болезнь, однако стерилизующие патогены также могут производить очень сильное селективное давление, которое тоже должно вести к быстрой эволюции устойчивости. Если бы хозяева могли приобрести иммунные механизмы, предотвращающие репликацию стерилизующих патогенов или делающие их менее вредными для организма, адаптивное старение стало бы ненужным и было бы утрачено в ходе эволюции. Тогда почему эволюция устойчивости к стерилизующим патогенам не происходит повсеместно и старение все еще присутствует в подавляющем большинстве живых организмов?

Примечательно, что у крабов не развилась устойчивость к саккулине. Однако можем ли мы распространять эти наблюдения на все виды животных? Старение наблюдается повсеместно, и, следовательно, если гипотеза контроля патогенов верна, стерилизующие заболевания должны быть сильным, универсальным и постоянно действующим фактором. Помимо отсутствия эволюции устойчивости, важно объяснить, как эта модель может функционировать, если мы не видим постоянных эпидемий кастрирующих инфекций, подобных саккулине, во всех популяциях животных.

Как обсуждалось в предыдущей главе, относительно незначительные изменения могут привести к тому, что эпидемия стерилизующего заболевания, передаваемого половым путем, перейдет из режима низкой встречаемости к катастрофическому вымиранию носителей. Когда такие патогены присутствуют в малых количествах, они не могут оказывать серьезного селективного давления, приводящего к развитию резистентности. Однако при повышении эффективности передачи, которое может быть вызвано увеличением продолжительности жизни хозяина, эти заболевания могут вызвать резкую вспышку и стать причиной локального вымирания. Такие случаи, вероятно, более распространены, чем саккулиноподобные заболевания, но все еще ограничены высшими позвоночными, для которых характерна низкая плодовитость и необходимость спаривания.

Существуют ли более универсальные сценарии, которые позволили бы патогенам быть эволюционными стражами старения, при этом оставаясь в тени? Есть еще два сценария, потенциально способных это объяснить: коинфекция несколькими патогенами и адаптация чужеродных патогенов.

Коинфекция несколькими мягкими патогенами

Предположим, что популяция животных одновременно заражена несколькими мягкими хроническими заболеваниями. Каждая инфекция несколько уменьшает репродуктивную способность зараженной особи, но этого сокращения недостаточно, чтобы вызвать быструю эволюцию устойчивости. Кроме того, устойчивость к различным патогенам обуславливается разными мутациями (за примерами разных генов, приводящих к устойчивости к малярии и бактериальным инфекциям, мы можем вернуться к главе 8). Таким образом, отбор резистентных хозяев прогрессирует медленно и отстает от эволюции патогенов, обеспечивая долгосрочную устойчивость этой экосистемы.

Однако если несколько патогенов заражают один и тот же организм, их пагубное воздействие может суммироваться, что в конечном итоге приводит к полной стерилизации. Моделирование показывает, что случаи коинфекции должны расти с возрастом и что несколько мягких патогенов могут оказывать селективное давление в пользу короткой продолжительности жизни точно так же, как один патоген с сильным стерилизующим эффектом. Таким образом, нескольких относительно легких заболеваний может быть достаточно