Предел Хейфлика связан с потерей специализированного генетического резерва, находящегося на окончаниях хромосом под названием «теломеры».
С каждым своим делением клетка теряет часть ДНК. Чтобы потеря этой информации не привела к губительным изменениям, на концах хромосом расположены дополнительные информационные блоки – теломеры.
Представьте, что вам нужно сделать пятьдесят копий имеющейся у вас рукописи, но копировальный центр решил серьезно усложнить вам жизнь. Вместо денег после каждой копии он берет по последней странице вашей рукописи, и так копия за копией. Это серьезная проблема – в рукописи двести страниц, и если за каждую его копию нужно отдавать по странице, то в последней копии будет всего сто пятьдесят страниц, и тот, кому она достанется, недополучит целую четверть рассказа. Но вас не так-то просто провести – вы привыкли находить решения в самых заковыристых ситуациях. Вы добавили в рукопись пятьдесят пустых страниц, разместив их в самом конце, и принесли в копировальный центр рукопись в двести пятьдесят страниц. Теперь во всех пятидесяти копиях рукописи будет весь рассказ целиком – страницы начнут пропадать, только когда вы решитесь сделать пятьдесят первую копию. Так вот, теломеры подобны пустым страницам рукописи в нашей аналогии: с каждым новым делением клетки они укорачиваются, тем самым защищая самое важное – ее ДНК. Где-то после пятидесяти-шестидесяти делений от теломер в конечном счете ничего не остается, и вот тогда клетка оказывается под угрозой.
С какой стати в ходе эволюции нам понадобилось ограничить количество делений клеток?
Ответ простой – из-за онкологии.
Ни одно другое связанное со здоровьем слово не вызывает такого страха и мыслей о смерти, как рак. В нашем сознании он уже настолько тесно ассоциируется со смертным приговором, что во многих семьях если и заводят разговор о раке, то только шепотом.
Как вы наверняка знаете, рак – это не какая-то конкретная болезнь – это группа заболеваний, характеризующаяся сбоем в процессе деления клеток [159]. На самом деле некоторые виды рака очень хорошо поддаются лечению – многие из них характеризуются более высоким показателем выживаемости и вероятности полного выздоровления, чем такие распространенные проблемы со здоровьем, как инфаркт и инсульт.
Как мы уже с вами обсуждали, у нашего организма есть несколько линий защиты от рака. Существуют специальные гены, отвечающие за подавление роста опухолей. Также имеются гены, отвечающие за создание специализированных охотников на раковые клетки, запрограммированных на их поиск и разрушение. Также есть гены, отвечающие за восстановление генов, борющихся с раком. У клеток даже есть встроенный механизм совершения своего рода харакири. Апоптоз – запрограммированная смерть клетки – происходит тогда, когда клетка обнаруживает, что оказалась заражена или повреждена, либо когда другие клетки обнаруживают проблему и «убеждают» опасную клетку совершить суицид. Помимо всего этого существует еще и предел Хейфлика.
Предел Хейфлика эффективно сдерживает развитие рака – если в клетке происходит сбой и она становится раковой, предел Хейфлика все равно не дает ей делиться в свое удовольствие, в конечном счете сдерживая рост опухоли до того, как она начнет представлять опасность. Если клетка способна делиться лишь ограниченное количество раз, после чего выдыхается, то ее деление в какой-то мере всегда находится под контролем, верно?
Да, но только до известной степени. Проблема в том, что рак – довольно подлый маленький злодей, у которого в его клеточных рукавах всегда припасена пара козырей. Одним из них является фермент под названием «теломераза». Как вы помните, предел Хейфлика связан с теломерами – когда они иссякают, клетка гибнет или теряет способность к делению. Что же делает теломераза? Она удлиняет эти расположенные на концах хромосом теломеры. В здоровых клетках теломераза обычно находится в неактивном состоянии, и теломеры продолжают укорачиваться. Раковым же клеткам порой удается активировать теломеразу так, чтобы теломеры восстанавливались гораздо быстрее. Когда это происходит, генетической информации теряется гораздо меньше, потому что заложенный в теломерах резерв никогда не кончается. Данные о сроке годности, запрограммированные в клетке, стираются, в результате чего она оказывается способна делиться без ограничений.
Таким образом, успех раковых клеток обычно связан именно с теломеразой. Более девяноста процентов клеток злокачественных опухолей человека используют теломеразу [160]. Именно так они и становятся опухолями – без теломеразы раковые клетки умерли бы после пятидесяти-шестидесяти делений. Научившись обходить предел Хейфлика с помощью теломеразы, раковые клетки начинают бесконтрольно делиться, приводя к тем ужасным последствиям, с которыми мы все так хорошо знакомы. В довершение всего, успешные раковые клетки – смерть которых нас интересует больше всего – нашли способ обходить и апоптоз – запрограммированную клеточную смерть. Они игнорируют призыв к суициду со стороны здоровых клеток, заметивших что-то неладное. С биологической точки зрения это делает раковые клетки «бессмертными» – они могут делиться сколько угодно.
В настоящее время ученые работают над созданием анализа для выявления повышенной активности теломеразы – такой анализ сильно помог бы врачам в поиске скрытых раковых клеток.
Другим исключением, на которое не распространяется предел Хейфлика, являются стволовые клетки [161], о которых в настоящий момент ведутся такие интенсивные споры. Стволовые клетки – это «неопределившиеся» клетки. Другими словами, они могут делиться, образуя различные типы клеток. В-лимфоциты, из которых состоят наши антитела – белки, синтезируемые лимфоцитами, – способны в процессе деления образовывать только такие же В-лимфоциты, а из клеток кожи могут получиться только клетки кожи и никакие другие. Из стволовых же клеток в процессе деления могут появляться различные типы клеток, а прародительницей всех стволовых клеток, разумеется, является та единственная клетка, с которой началось развитие каждого из нас. Очевидно, что зигота (клетка, получающаяся после объединения сперматозоида и яйцеклетки) должна быть способна производить все типы клеток, иначе мы так и оставались бы зиготами. Стволовые клетки не ограничены пределом Хейфлика – они также бессмертны за счет восстановления теломер с помощью теломеразы, точно так же, как это проделывают раковые клетки. Неудивительно, почему ученые видят в стволовых клетках такой огромный потенциал в лечении болезней и облегчении страданий – они способны превращаться во что угодно и никогда не выдыхаются.
Многие ученые полагают, что профилактика рака является главной причиной появления в ходе эволюции у клеток ограничения на количество делений. Конечно, у предела Хейфлика есть и своя обратная сторона – во всем приходится идти на компромисс – старение. Как только клетка достигнет предела, она оказывается не способна к дальнейшему делению, и все начинает рушиться.
Защита от рака и предел Хейфлика являются не единственными эволюционными объяснениями механизма старения. В первую очередь они никак не объясняют, почему у различных млекопитающих – даже родственных друг другу – настолько сильно отличаются продолжительности жизни.
Любопытно отметить, что у млекопитающих, за некоторыми исключениями, наблюдается тесная зависимость между размером и продолжительностью жизни. Чем животное больше, тем дольше оно живет.
Однако это вовсе не означает, что вам следует начинать активно набирать в весе – средняя продолжительность жизни того или иного вида зависит от естественного размера особей этого вида, а размер отдельных особей тут ни при чем.
Более продолжительная жизнь крупных млекопитающих частично связана с тем, что их организм более эффективно справляется с починкой ДНК. Но это объясняет, по крайней мере частично, за счет чего мы живем дольше [162], однако все равно непонятно, почему у крупных животных появился этот более эффективный механизм.
Согласно одной из теорий, существует обратная связь между продолжительностью жизни и количеством внешних угроз. Речь идет не просто о том, что риск быть съеденным уменьшает ожидаемую продолжительность жизни животного, хотя это так и есть. По сути, животные, подверженные повышенному риску быть съеденными, в ходе эволюции стали жить меньше, даже если их никто при этом и не съедает. Суть в следующем – когда тот или иной вид оказывается подвержен значительному количеству угроз со стороны хищников или окружающей среды, возникает эволюционное давление, подталкивающее к размножению в более раннем возрасте, в результате чего в процессе эволюции особи этого вида начинают быстрее достигать половой зрелости.
Любопытно, что более короткая продолжительность жизни означает более быструю смену поколений, что ускоряет процесс эволюции – а это очень важно для видов, подверженных угрозам со стороны окружающей среды. Это одна из тех причин, по которой у грызунов относительно быстро развивается сопротивляемость ядам.
Вместе с тем, эволюция не требует развития у этих видов механизмов исправления ошибок в ДНК, накапливаемых со временем, потому что большинство особей не доживают до возраста, когда эти ошибки начинают давать о себе знать. Вы бы не стали оплачивать расширенную гарантию на айпод, если бы собирались попользоваться им всего неделю. С другой стороны, виды, занимающие господствующее положение и способные продолжать размножаться большую часть своей жизни, получают преимущество от исправления накопленных в ДНК ошибок. Чем дольше живет особь, тем больше потомства она может оставить.
Я убежден, что запрограммированный процесс старения приносит эволюционное преимущество виду, а не отдельным его особям.
Если следовать этой линии мышления, процесс старения выступает в роли биологической версии «запланированного устаревания» [163]. Запланированное устаревание – это зачастую отрицаемое производителями явление, существование которого, однако, так и не было никогда опровергнуто, когда срок эксплуатации различных товаров – будь то стиральная машинка или автомобиль – намеренно сокращается, чтобы они как можно быстрее изнашивались. Такое явление способствует двум вещам – одну из них можно с натяжкой назвать заботой о потребителях, другая же явно связана с заботой производителей о росте собственных доходов. Во-первых, таким образом люди получают новые, улучшенные версии старой техники. Во-вторых, им приходится за них платить. Некоторые люди обвиняли «Эппл» в запланированном устаревании при разработке своих невероятно популярных айподов несколько лет назад – а именно, в выпуске их с аккумуляторами, которые выходили из строя спустя полтора года, не подлежа при этом замене, из-за чего покупатели были вынуждены покупать новые модели. Теперь «Эппл» развернула программу по замене аккумулятора, которая, по сути, сводится к замене айпода – после небольшой доплаты производители посылают новую модель плеера, эквивалентную вышедшей из строя.