часовыми генами» (clk-1, 2 и 3), также влияют на продолжительность жизни C. elegans. Генетический анализ червей с мутациями в двухчасовых генах или одном часовом и других генах, увеличивающих продолжительность жизни, выявили червей со специфическими комбинациями мутаций, живущих в пять раз дольше, чем нормальные, с удлинением каждой фазы жизненного цикла. Более того, такие черви реже питались и выделяли продукты жизнедеятельности и медленнее двигались. Функция белков clk до сих пор неизвестна, но они могут действовать как регуляторы старения у нематод. Показано, что группа генов C. elegans, имеющих отношение к контролю продолжительности жизни (age-1, daf-2, daf-23, spe-26, clk-1), является частью общего генетического пути и контролируется геном age-1. Интересно, что ген daf-2 является гомологом рецептора инсулина. Уменьшение активности этого гена приводит к существенному (в 2 раза) увеличению ПЖ. У C. elegans образуется 959 соматических и около 2000 половых клеток (ПК). Удаление у них зрелых ПК или гонад не влияет на старение и ПЖ. Однако при удалении родоначальных ПК, то есть СК, установлено 2-кратное увеличение ПЖ. Объясняют это тем, что половая линия является источником рост-подавляющего сигнала, аналогичного инсулиноподобному фактору 1 (IGF-1) у млекопитающих. Исключение этого фактора, как считают, способствует замедлению развития, старения и увеличению ПЖ. При этом рост взрослой особи продолжается до гигантских размеров. У других видов нематод увеличения ПЖ и/или гигантизма не обнаружено. Известно, что у некоторых видов млекопитающих гонадэктомия в молодости вызывает гигантизм.
Многие виды рыб и млекопитающих живут на севере дольше, чем на юге. Известно много лекарственных средств, существенно замедляющих метаболизм у животных с лабильным обменом (грызуны, гетеротермные зимоспящие и незимоспящие) и продлевающих их жизнь. Мутантные мыши с дефицитом функций гипофиза часто стареют медленнее и живут дольше. Удаление гипофиза у крыс и введение тироксина замедляло старение и вызывало эффекты омоложения животных: улучшалась функция сердечно-сосудистой и иммунной систем, усиливался рост шерсти, крысы выглядели моложе, по данным биохимических и физиологических обследований.
Широко используемой моделью изучения старения простых организмов являются кишечнополостные. Кишечнополостные (Coelenterata) – богатый видами тип примитивных многоклеточных животных с радиальной симметрией тела, часто придающей им сходство с цветком. Это первые животные, у которых появились настоящие ткани, они представляют собой, по сути, мешок, стенка которого состоит из наружного (эктодерма) и внутреннего (эндодерма) слоев.
Кишечнополостные размножаются почкованием, обычно приводящим к образованию колоний. При половом размножении гаметы выходят во внешнюю среду, где происходит их слияние. После этого из образовавшейся зиготы развивается подвижная личинка – планула. Полип или медуза возникают после метаформоза планулы.
Классической моделью в экспериментальной геронтологии является гидра, в частности, в связи с тем, что она состоит из постоянно обновляющихся клеток, – по существу, это постоянный поток клеток, образующихся с одного конца гидры и слущивающихся с другого. Это позволяет им фактически не стареть и существовать без размножения и полового процесса практически неограниченно.
Известны также медузы, способные к ретроградному развитию до эмбриона в условиях недостаточного питания и с последующим восстановлением роста в питательной среде, у которых старение фактически отсутствует, а ПЖ неопределенна.
Мухи дрозофилы являются излюбленной вследствие удобства и изученности биологической моделью для изучения генных процессов и связи ПЖ с процессами роста, развития и влияниями внешней среды. Обычным методом является изучение ПЖ их в различных условиях и при различных влияниях или генных мутациях. Жизненный цикл дрозофилы при 25 ℃ занимает 10 дней, при 18 ℃ – месяц. Как и в случае с C. elеgans, мутанты дрозофилы, имеющие разную продолжительность жизни, были разделены с помощью химического мутагенеза. Среди полученных различных мутантов некоторые имели мутации в гене супероксиддисмутазы (СОД). Гомозиготные мутанты по этому гену развивались нормально, но продолжительность их взрослой жизни сократилась с 60 до 10 дней. Показано, что эти мутанты имеют повышенную чувствительность к веществам, продуцирующим свободные радикалы, и недостаточно активную сперму. С другой стороны, особи с увеличенным числом копий генов СОД и каталазы имели бóльшую среднюю и максимальную продолжительность жизни.
Рис. 21. Влияние на скорость развития и ПЖ температуры.
По горизонтали – температура среды, по вертикали – продолжительность жизни (сутки). Снижение температуры среды тормозит скорость развития и увеличивает тем самым ПЖ (мухи дрозофилы)
Рис. 22. Влияние на скорость развития и ПЖ полового процесса.
По горизонтали – возраст мух дрозофил (сутки), по вертикали – относительное число доживших. Самки мухи дрозофилы доступны постоянно (1) или в разные сроки жизни (линии: 2, 3, 4). Доступность самок сразу же снижает выживаемость самцов
Ускоренное старение у D. melanogaster является результатом не только мутаций в специфических генах, но может также быть результатом изменений в экспрессии эпигенетических факторов. Так, у старых мушек было обнаружено резкое снижение экспрессии белка фактора элонгации EF-1a, предшествующее общему снижению синтеза белков. Когда с помощью генетических манипуляций в генóм мушек были добавлены дополнительные копии гена EF-1a, то это привело к значительному увеличению продолжительности жизни. Интересно, что манипуляции на одном гене, который не обязательно представляет важный механизм старения, вызывают значительные изменения в комплексном механизме трансляции.
Рыбы являются признанной моделью связи старения с ростом: постоянный рост в течение жизни делает старение рыб малозаметным, а ПЖ – малоопределенной. В известной книге Л. П. Сабанеева «Рыбы России» приводится известный случай: гигантская щука императора Фридриха Барбароссы была выловлена через 277 лет после ее окольцевания.
Амфибии, черепахи – модель связи ПЖ с температурой, определяющей скорость их метаболизма, роста и развития. Крокодилы живут, видимо, сотни лет и достигают больших размеров. Процессы соотношения роста и развития, ПЖ, полового процесса, гипобиоза и регенерации, наблюдаемые у одноклеточных, проявляются и у многих пресмыкающихся, у которых несколько раз в году происходит смена рогового покрова (у змей) с последующим обновлением кожи и организма. Многие из них впадают в гипобиоз летом во время засухи и зимой. При этом происходит замедление половой функции, метаболизма, старения, редукция органов и тканей, а после гипобиоза – обновление организма за счет СК, что позволяет некоторым видам доживать до 200 лет и более. Так, 35-летние исследования долгоживущих пресноводных черепах (Emydidae) показали, что их ПЖ 75–125 лет коррелирует с периодом полового созревания. Замедление развития и полового созревания в молодости существенно продлевало их жизнь.
Рост, развитие и продолжительность жизни
Видовое разнообразие
Связь процессов роста, развития, старения и ПЖ известна давно, так как старение биологами и геронтологами рассматривается как этап онтогенеза, результат окончания программ роста и развития.
В целом можно заключить, что продолжительность периодов роста, развития и ПЖ животных колеблется в очень широких пределах. Коловратки завершают полный жизненный цикл от яйца до смерти за 50–60 часов, а некоторые из пресмыкающихся живут более ста лет (возможно, могут достичь 200–300 лет и более). Величина животных и связанные с этим зародышевая жизнь, период роста и время достижения половой зрелости обычно пропорциональны их ПЖ. Но существует и такой факт: некоторые мелкие животные живут значительно дольше более крупных.
Бюффон определяет ПЖ как 6–7-кратный период роста. Но уже Вейсман приводит пример лошади, полная зрелость которой достигается в 3 года, а живет она в 10–15 раз дольше (тогда как ПЖ овцы´ только втрое превышает период ее роста).
Все лошади страдают от механического старения зубов, ограничивающего продолжительность их жизни. Как и в случае с собаками, карликовые или миниатюрные лошади живут дольше. Сообщается, что исландская миниатюрная лошадь по имени Тюль прожила 57 лет (Ричард Миллер, личное сообщение). Свидетели говорят о лошади по имени Старый Билли, которая прожила 62 года в Англии, но эта запись не подтверждена.
Попугаи, отличающиеся большой долговечностью, в то же время растут очень быстро. Они оперяются и способны размножаться уже в 1–2 года, зародышевая жизнь длится менее месяца. У домашнего гуся при зародышевой жизни в 1 месяц и коротком периоде роста ПЖ достигает десятков лет (ПЖ в сотни раз дольше периода роста). При установленных фактах ПЖ попугаев порядка 100 лет (попугай Чарли У. Черчилля) ПЖ их в 1000 раз больше периода половой зрелости.
В целом в эволюции ПЖ животных (данные по продолжительности жизни видов можно увидеть в международной базе www.anage.com) должна обеспечить размножение и воспитание потомства. Но при общем обратном соотношении плодовитости и ПЖ имеется множество исключений: многие виды попугаев несут 2–3 раза в год по 5–10 яиц, утки и гуси также и плодовиты, и долговечны. Эволюция «не видит» поздних возрастов за счет большой смертности в более ранних возрастах, поэтому эволюционное давление, направленное на стабилизацию и максимальную адаптацию организмов, не распространяется на старшие возрасты. В то же время старшие возрасты по этой же причине «безразличны» для эволюции (она никак не заинтересована в специальных механизмах «убирания» старшего поколения, как утверждают