Впервой главе мы кратко рассмотрели исторический аспект проблемы старения. Иными словами, как геронтологи дошли до такой жизни, когда их сообщество расколото на оптимистов и пессимистов, причем последние все еще преобладают, но постепенно теряют свои позиции: им приходится признать, что смертоносные программы существуют в геномах живых клеток, включая одноклеточные организмы, а значит, старение в принципе могло быть (по крайней мере, у одноклеточных) одной из числа таких программ.
Для дальнейшего обсуждения удобно ввести термин, обозначающий запрограммированную смерть организма. По аналогии с апоптозом (одним из видов запрограммированной смерти клетки) такую смерть организма можно было бы назвать словом «феноптоз» (термин предложен нашим крупнейшим филологом Михаилом Леоновичем Гаспаровым).
Итак, феноптоз — запрограммированная смерть организма. Как правило, программа смерти закодирована в геноме гибнущего существа и представляет собой цепь биохимических событий, вызывающих в конечном итоге его самоуничтожение. Реже такая смерть наступает в результате поведенческой реакции, закодированной в геноме гибнущего индивида, его сексуального партнера или близкого родственника жертвы.
Примеры феноптоза у одноклеточных мы рассмотрели в предыдущей главе. Теперь нам предстоит разобраться, существует ли это зловещее для индивида явление у более сложных, многоклеточных форм жизни.
II.2.2. Феноптоз у растений: снова гены смерти!
Не может быть никаких сомнений в том, что высшие организмы в том варианте их конструкции, который сегодня дошел до нас, содержат в себе семена смерти.
А. Вейсман
Быстрое старение растений, размножающихся только раз в жизни, служит, пожалуй, наиболее часто описываемым примером феноптоза, биохимический механизм которого в определенной степени уже изучен. Как пишут известный физиолог растений Л.Д. Нуден и его соавторы, «еще до того, как стало многое известно о биохимии старения [таких растений], оно рассматривалось как внутренне запрограммированный процесс, который специфичен и организован в отношении того, когда, где и как он происходит. Хотя это старение развивается с возрастом, оно не может быть отнесено к процессам пассивного старения, поскольку контролируется внутренними и внешними сигналами и может быть замедлено или ускорено этими сигналами. Напротив, старение как пассивное накопление повреждений, зависящее от времени, лучше всего иллюстрируется постепенным уменьшением жизнеспособности семян при их хранении».
|
|
Хорошо известно, что быстрое старение и смерть сои удается предотвратить удалением стручков или созревающих в них бобов. Интересный опыт был поставлен Нуденом и Мюрреем. На стадии созревания бобов авторы удалили у растения все стручки кроме одного. В положенный срок (около 3 месяцев) растение не погибло, оставшись зеленым, но листья на ветке, где был оставлен единственный стручек, пожелтели и пожухли. Гибель этих листьев не удалось предотвратить, убив флоэму струей горячего пара, направленной на ветку между листьями и стручком. Пар должен был предотвратить транспорт веществ из листьев в стручок через живую ткань флоэмы, но не из стручка к листьям через ксилему, уже омертвевшую у взрослого растения. Это доказывает, что старение сои индуцируется стручками, генерирующими какой-то смертоносный сигнал или образующими ядовитое вещество, убивающее листья. Подобное наблюдение противоречит утверждению Кирквуда и Мелова, недавно опубликовавших статью о невозможности, по их мнению, существования программы старения: «Нет каких-либо указаний, пишут авторы, что организмы, способные к размножению только раз в жизни, активно разрушаются после завершения процесса размножения».
|
|
Есть основания полагать, что важную роль во включении процесса старения листьев сои играет фитогормон абсцизо-вая (в переводе «листопадная») кислота. Наномолярные концентрации этой органической кислоты регулируют экспрессию ферментов, образующих или разрушающих активные формы кислорода (АФК) в листьях растения. Известно, что старение растений сопровождается резким повышением в них уровня АФК.
Старение сои — сравнительно быстрый процесс, занимающий примерно 10 дней при максимальном времени жизни этого растения, равном 90 дней. Своевременное удаление созревающих стручков многократно увеличивает продолжительность жизни сои. Подобный феномен описан и для других однократно размножающихся высших растений, включая резушку (Arabidopsis thaliana), классическую растительную модель биохимиков, генетиков и геронтологов. Именно на этом объекте 3. Мельцеру и сотрудникам, бельгийским биологам из Гента, удалось прямо опровергнуть еще один тезис уже упомянутой статьи Кирквуда и Мелова: «Среди многих генетических мутаций, влияющих на продолжительность жизни, иногда значительно увеличивающих эту продолжительность, еще не было найдено ни одной, которая полностью прекращала бы старение». Как сообщили Мельцер и коллеги в недавно опубликованных статьях, мутации в двух (из более чем 20 ООО) генов A.thaliana, а именно в части soc1 и full, имеют следствием переключение растения с полового на вегетативное размножение. Мутант зацветает с большим запозданием, с гораздо меньшим количеством цветков и семян и в то же время полностью утрачивает быстрое старение, вызываемое этими семенами. Продолжительность жизни организма (обычно менее трех месяцев) многократно увеличивается (по крайней мере до 18 месяцев). У растения появляется камбий, вторичный рост, одеревеневший ствол и множество корневищ. Из мелкой травы резушка становится кустарником с большими мясистыми листьями. Цветковая меристема в основном трансформируется в вегетативную.
|
|
Авторы полагают, что современная A. thaliana исходно возникла как вегетативно размножающееся многолетнее растение, первоначально конкурировавшее с другими кустами и деревьями, и лишь затем в процессе эволюции стало травой (как это случилось с хвощами и папоротниками). Такой переход сопровождался появлением полового размножения, завершающегося образованием многочисленных очень мелких семян, легко разносимых ветром на большие расстояния. Семена быстро прорастают и, попав в открытую почву, дают побеги мелкой травы, которая растет, не конкурируя с другими растениями, еще не успевшими вырасти на этой почве.
Современная резушка — короткоживущий организм, убиваемый своими собственными семенами. Ранняя смерть ускоряет смену поколений, а стало быть, и эволюцию A. thaliana. Другое обстоятельство, также ускоряющее эволюцию, состоит в том, что резушка — однократно размножающееся существо, так что новая порция семян будет заведомо образована другим индивидом, а это повышает разнообразие потомства и, стало быть, увеличит вероятность появления новых признаков. В ту же сторону (ускорения эволюции) влияет сама смена вегетативного размножения на половое, где геном потомства — всегда гибрид геномов двух родителей. Не случайно переход к половому размножению у дрожжей есть одна из реакций на ухудшение условий среды, а значит, и попытка найти новые признаки, могущие помочь выжить в изменившейся обстановке. По-видимому, трансформация резушки из вегетативно раз-
множающегося растения в цветковое произошло сравнительно недавно, так что древняя (вегетативная) программа жизни еще сохранилась в ее геноме в качестве резервной. Краткая жизнь A. thaliana может дать этому виду еще одно преимущество. Эта трава появляется в открытой почве и умирает так быстро, что другие растения просто не успевают достаточно развиться, чтобы конкурировать с резушкой. Поэтому она проводит всю свою короткую жизнь и дает семена в сравнительно комфортных условиях. Поразительно, что случай с A. thaliana буквально подтверждает мысль первого исследователя старения как программы Августа Вейсмана о том, что высокоорганизованные существа «носят в себе семена смерти» (см. эпиграф к этому разделу).
A. thaliana может рассматриваться в качестве прецедента, когда инактивация нескольких генов полностью предотвращает быстрое старение, влекущее за собой смерть. При этом резушка вряд ли какое-то редчайшее исключение. Мельцер и соавторы пишут: «... среди покрытосеменных растений способ жизни как многолетнего дерева мог предшествовать эволюции такого растения в однолетнюю траву, причем подобные трансформации происходили неоднократно и независимо друг от друга. И наоборот, однолетние травы, также многократно, эволюционировали в многолетние деревья. Например, различные виды однолетних трав, таких как Sonchus и Echium, на изолированных островах эволюционировали в древовидные многолетние растения из их континентальных однолеток».
Среди многолетних растений есть примеры организмов, многие годы размножающихся вегетативно, затем переключающихся на половое размножение и гибнущих после созревания семян. Как уже упоминалось в разделе 1.2.2, ряд видов бамбука имеет фиксированную продолжительность жизни, определяемую сроком цветения. Агава и мадагаскарская пальма Ravenala madagascariensis, зацветающие соответственно на десятый и сотый год, гибнут тотчас вслед за созреванием семян. Еще дольше живет растение Puya reimodii в Андах: после 150 лет вегетативного размножения она зацветает и вскоре гибнет. Однако даже этому долгожителю далеко до лишайников, найденных в Антарктиде и на Аляске: их возраст более 10 тыс. лет, а максимальная продолжительность вегетативной жизни даже неизвестна.