Жестокость или необходимость ради выживания?

Жестокость или необходимость ради выживания?

1.2.1. Что такое феноптоз?

В этой главе приведены факты, наводящие на мысль, что умирать по программе могут не только одноклеточные, но и многоклеточные организмы. Для удобства изложения нам понадобится новый термин, обозначающий запрограммированную смерть организма. По аналогии с апоптозом клеток мы назвали самоубийство организма феноптозом. Заметим, что, например, для наших любимых пивных дрожжей феноптоз и апоптоз — это одно и то же, поскольку у них весь организм состоит всего из одной клетки.

Где нам искать примеры феноптоза? Первый выбор достаточно очевиден, если задуматься, зачем это явление может понадобиться в природе. Речь пойдет об однократно размножающихся существах.

Для многих видов живых организмов слова «любовь» и «смерть» в действительности означают два следующих друг за другом события. И родители либо вообще никогда не видят своих детей, либо немного подращивают их, а потом освобождают место молодым. Это жестоко, но целесообразно с точки зрения выживания популяции. Так быстрее сменяются поколения, что позволяет перебрать больше вариантов, увеличив разнообразие потомства, т. е. быстрее приспосабливаться к меняющимся условиям среды.

Не всем животным и растениям повезло

КАК ЧЕЛОВЕКУ ИЛИ, СКАЖЕМ, СОСНЕ. НАМ,

КАК И ЭТИМ ВЕЛИЧЕСТВЕННЫМ ДЕРЕВЬЯМ, РАЗРЕШЕНО ИМЕТЬ ПОТОМСТВО МНОГО РАЗ.

Как рождается новое поколение существ — более-менее понятно. Но задумаемся, а куда девается поколение предыдущее у таких однократно размножающихся видов? Мы считаем, что ответом на этот вопрос является феноптоз.

1.2.2. Жить в 9 раз дольше -это реально

Есть такая однолетняя травка — резушка, или по-латыни Arabidopsis thaliana. Это один из любимых объектов исследования для генетиков — такой же, как пивные дрожжи, плодовая мушка дрозофила и белая мышь. На лабораторном жаргоне ее зовут просто арабидопсис. Трава эта размножается всего один раз и умирает после того, как на ней образуются семена, спрятанные в мелкие стручки. Полный цикл от прорастания семени до цветения взрослого растения занимает всего несколько недель. Во многом за это арабидопсис так любим биологами — всю жизнь растения можно пронаблюдать за время одного чемпионата мира по футболу. Такая скорость развития арабидопсиса диктуется особенностями его жизни в диких условиях. Многие молекулярные биологи считают, что это растение специально создано природой. Другие уверены, что кто-то там, наверху, отвечает за создание видов для лабораторных исследований. Арабидопсис растет в местах «ранения» почвы, а точнее дерна.

Представьте себе основательно заросший летний луг. Плотно стоящие один к другому стебли, жуткое переплетение корней, образующих дерн. В общем — жесточайшая борьба за свет, воду, соли из почвы. Поди потягайся с такими монстрами, как пырей, борщевик или даже мятлик. Но вот по полю промчался лось. И его копыта выворотили из земли кусок дерна, обнажив свежую землю. Вот оно! Незанятое место! Кто выиграет схватку за возникший кусок жизненного пространства? Мощный пырей? Высокая ежа? Выиграет самый быстрый, а не самый сильный. За месяц, в течение которого другие травы только прорастут, арабидопсис успеет полностью вырасти, зацвести и дать миллионы мелких, размером с пылинку семян. Причем, пока остальные пыжатся, пытаясь вытянуть к свету огромный стебель, хитрый маленький арабидопсис может даже повторить раунд размножения еще раз, а то и не один. То есть когда-нибудь старые растения дадут семена и умрут, но прежде чем кусочек обнажившейся земли зарастет трава-

стволом и мясистыми листьями, а - обычное взрослое растение арабидопсиса (слева) возрастом около 2 мес. (близок к предельному для этого вида), и восьмимесячное растение-мутант (справа); б — листья арабидопсиса-мутанта в четырнадцать месяцев (фото из работы С.Мельцера и соавт. сайта http://www. nature.com/ng/

ми-монстрами, успеет взойти и зацвести еще одно поколение арабндопсиса. Изящно, не правда ли? Но для этого надо быстро расти и быстро умирать, чтобы пройти этот цикл несколько раз. Это значит, что у арабндопсиса должна быть программа феноптоза, включающаяся после цветения или созревания семян. И совсем недавно она была обнаружена. Как часто бывает — случайно.

Группа бельгийских ученых изучала процесс цветения араби-допсиса и создала генетическую модификацию этого растения, убрав у него 2 гена из 22 000. Надо заметить, что это основной способ изучения живых существ биологами — испортить что-нибудь, а потом смотреть, к чему это приведет.

Так вот, выключение, или по-научному — нокаутирование, этих двух генов поначалу ни к чему интересному не привело. Растения-мутанты росли так же, как и обычные арабидопси-сы, пока не пришло время цвести. Они (мутанты) попытались это сделать, но получилось как-то не особенно хорошо. Цветы и появившиеся затем стручки были мелкие и немногочисленные... и вот тут начались чудеса. Обычные растения араби-допсиса в соседнем горшке уже умерли от старости (прошли отведенные им природой недели жизни), а мутанты продолжали жить. И расти. У них утолщался ствол, появлялись новые розетки листьев, хотя у нормального арабндопсиса розетка может быть только одна, на уровне почвы. Сами листья превратились из мелких, похожих на травинки перышек, в крупные, мясистые (см. рис. 1). Через месяц-другой ствол начал деревенеть, а весь этот монстр — расползаться по почве, укореняться новыми корневищами. Стареть он уж точно не собирался. Статья наших коллег из Бельгии была опубликована, когда возраст этого куста, или даже небольшого деревца, в девять раз превысил нормальный срок жизни мелкой травки араби-допсиса.

Не стоит думать, что запрограммированная смерть — это удел только «однолетников». Наиболее яркие примеры мы можем найти как раз среди многолетних растений, которые многие годы размножаются вегетативно, но в какой-то момент решают переключиться на половое размножение. Как правило, это приводит их к смерти. То есть после цветения и созревания семян растения-родители погибают.

Так, например, ряд видов бамбука имеет фиксированную продолжительность жизни, определяемую сроком цветения. Этот срок свой у каждого вида и варьирует он от 6 лет (зацветает на шестой год жизни) до 120 лет (зацветает на сто двадцатый год). Бамбук растет настолько густо, что между двумя отдельными стволами в принципе не может поместиться третий. Если бы родительские растения не отмирали, то у новых проростков не было бы никаких шансов добраться до света и питательной почвы. Поэтому цветение означает смертный приговор для предыдущего поколения этого растения.

Выключение 2 генов из 22 ООО генов,

СОСТАВЛЯЮЩИХ ГЕНОМ РЕЗУШКИ, ПРИВЕЛО К ТОМУ, ЧТО ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ жизни ЭТОГО РАСТЕНИЯ УВЕЛИЧИЛАСЬ В 9 РАЗ.

Напомним, что любознательные бельгийцы не создавали никаких новых систем, чтобы получить арабидопсиса-долгожителя. Они только «испортили» растение, лишив его двух, как оказалось, генов смерти. Таким образом было доказано, что смерть арабндопсиса происходит не потому, что он просто не может жить дольше, чем несколько недель, из-за накопления в его тщедушном теле случайных ошибок, а потому что в его гены заложена специальная программа, убивающая организм в определенный момент его жизни, то есть программа феноптоза.

По-видимому, когда-то арабидопсис был высоким и «крутым» растением. Это доказывается тем, что он еще и сегодня умеет изображать из себя гиганта, если отключить феноптоз. Но потом он эволюционировал, «решив», что чем конкурировать с десятками таких же «крутых» видов, проще найти и оккупировать специальную нишу — раны в земле, чтобы быть там полным королем. Правда, лишь до тех пор, пока рана не зарастет «крутыми» видами растений.

То же самое происходит с агавой, которая много лет может расти и размножаться корневищами, а потом зацвести и погибнуть вскоре после созревания семян.

Другой яркий пример — мадагаскарская пальма Ravenala madagascariensis. Это величиственное растение прекрасно себя чувствует вплоть до 100 лет, а потом зацветает мелкими цветами и вскоре после этого гибнет.

Подробности такого рода явлений любопытный читатель найдет в части II, разделе II.2.2.

1.2.3. Феноптоз у беспозвоночных. Богомолы не стареют

Имеют ли отношение к человеку реальное увеличение продолжительности жизни мелкого растения или конечная целесообразность гибели дрожжей? Человек — он из другого царства. Надеюсь, мы никого не обидим, если напомним, что мы — животные. В смысле, что согласно биологической классификации принадлежим к царству животных, и у нас очень многое происходит по-своему. Перейдем к животным.

Начнем с повелителей нашей планеты, если брать по разнообразию, эволюционной приспособленности и общей массе в тоннах. Нет, не с человеков. С беспозвоночных — это черви, моллюски вроде мидий или осьминогов и, конечно же, короли биологии — вездесущие и невероятные насекомые. Утверждается, что если взять какое-нибудь большое дерево во влажных джунглях Южной Америки, завернуть его в полиэтилен и опрыскать инсектицидом, то с него нападает представителей различных видов насекомых больше, чем существует на всей Земле видов рыб, гадов, птиц и зверей вместе взятых. Спросите какого-нибудь классического биолога, кто является венцом эволюции? Конечно же, это двукрылые насекомые (мухи, комары), а вовсе не бескрылые двуногие существа,, которым все неймется.

Если У САМКИ ОСЬМИНОГА СРАЗУ ПОСЛЕ ПОЯВЛЕНИЯ ДЕТЕНЫШЕЙ УДАЛИТЬ ОСОБЫЕ ЖЕЛЕЗЫ, ОНА БУДЕТ ЖИТЬ ДАЛЬШЕ. В ПРИРОДЕ ЖЕ МОЛОДАЯ ОСЬМИНОЖКА ПЕРЕСТАЕТ ПИТАТЬСЯ И УМИРАЕТ СРАЗУ ЖЕ ПОСЛЕ ТОГО, КАК СТАНЕТ МАТЕРЬЮ.

При таком разнообразии беспозвоночных среди них должно быть несложно найти примеры феноптоза. И их действительно множество. Головоногие моллюски — некоторые виды осьминогов и кальмаров, так же как и однолетние растения, размножаются один раз. У кальмаров самец погибает сразу после спаривания, а самка — отложив «кладку». Показателен пример одного из видов осьминогов (Octopus hummelincki), самка которых перестает питаться сразу после появления детенышей. Причем, как и в случае с арабидопсисом, биологи сумели доказать, что тут дело не в каком-то неизбежном старении этой самки, а имеет место настоящая биологическая программа. Если у молодой матери удалить особые железы, то она не теряет способность питаться, живет дальше и может размножиться еще несколько раз.

Самка одного из видов богомола отгрызает голову самцу в конце полового акта, что многие годы приводилось как пример самой изощренной жестокости в мире насекомых. В действительности же оказалось, что у самца богомола семяизвержение наступает только после обезглавливания.

Показателен также пример поденок — небольших насекомых, у которых природой не предусмотрено... рта. Как же они живут? Дело в том, что, как обычно это бывает у насекомых, большую часть жизни поденка проводит в состоянии личинки, которая ест — будь здоров. Но потом наступает последний этап развития этого существа, и личинка превращается во взрослую поденку — что-то среднее между комаром и мотыльком. От личинки она наследует небольшой запас питательных веществ, который позволяет ей летать пару дней, если повезет — встретить партнера противоположного пола и отложить сотни тысяч яиц. После чего биологическая функция поденки считается выполненной, кормить ее никакого смысла нет (с точки зрения эволюции!), и она умирает от голода. Типичный пример феноптоза.

У насекомых можно найти еще и не такие чудеса. Вплоть до самоходных химических бомб-камикадзе. Определенный вид термитов додумался следующим образом «утилизировать» старых рабочих особей. Всю жизнь они спокойно грызут дерево, строят свой термитник, но при этом потихоньку откладывают в особом изолированном отделе своего тела фермент, образующий ядовитое вещество. В старости, когда затупятся жвалы, рабочие бросают свое ремесло и присоединяются к термитам-солдатам, отправляющимся в набег на соседний термитник или атакующим какого-нибудь жука. Если враг разгрызет такого пожилого рабочего, то ядовитая емкость взрывается, распыляется отравляющее вещество и враг гибнет. Надеюсь, вы согласитесь, что вряд ли рабочие термиты превращаются в ходячие бомбы в результате накопления случайных ошибок? Более подробно об этом удивительном факте см. часть II, раздел 11.2.3.

1.2.4. Феноптоз у рыб, птиц и зверей

Примеры феноптоза среди растений и беспозвоночных давно уже не составляют секрета для ботаников и энтомологов. Для них совершенно очевидно, что запрограммированная смерть отдельных индивидуумов — это широко распространенное и биологически оправданное явление. Думаю, что им даже не очень понятно, почему мы поднимаем столько шума из-за такой банальности. Но одно дело — какие-то насекомые и растения, а другое — «высшие» животные — позвоночные. То есть рыбы, земноводные, рептилии, птицы и звери. И мы с вами. Быть может, именно среди них работает принцип бесценности жизни каждого отдельного индивида? Если такое высокоорганизованное существо, как тихоокеанский лосось, сумело вырасти, избежав кучи опасностей в море, то как же можно позволить себе такое расточительство, как самоубийство этой замечательной рыбины?

К сожалению для каждого конкретного лосося, и к счастью для всего вида этих рыб, они относятся к однократно размножающимся существам. Чтобы выиграть гонку за выживание у других видов, они придумали следующий трюк. Взрослые лососи живут в море, где много еды, но и куча опасностей. Вздумай они размножаться там, их икра и мальки были бы легкой поживой для самых разных хищников. И лососи бежали. Когда приходит пора размножения, лососи покидают море и начинают долгое путешествие вверх по впадающим в него рекам, доходя до самых верховий с кристально чистой водой. То есть водой, в которой практически нет никакой еды, и она не может прокормить никаких серьезных хищников. Именно здесь лососи нерестятся. Но чем будут питаться их мальки? Как это ни ужасно — своими родителями. Правда, не напрямую. Сразу после нереста лососи погибают и их тела поедают мелкие рачки, бешено размножаясь на таком пиршестве. Представьте — живешь себе, голодаешь в «кристальной чистоте» заводи горной реки, питаешься неизвестно чем, каждая крошка провианта на счету и тут в эту заводь плюхается многокилограммовое чудовище и, немного побарахтавшись, сдыхает. Вот он, праздник для всей водоплавающей мелюзги! И этими-то страшно размножившимися на телах родителей рачками и питается молодняк лосося, оставив с носом орды морских хищников. Что особенно для нас важно, биологи опять-таки сумели предотвратить запрограммированную смерть лосося при помощи удаления у взрослых рыб определенных органов: гонад или коры надпочечников.

Складывается впечатление, что феноптоз существует у любых однократно размножающихся существ. Есть они и среди млекопитающих — например, австралийская сумчатая мышь (рис. 2), самцы которой совершают биохимическое самоубийство сразу после сезона размножения. Подробнее особо дотошный читатель углубит свои познания о феноптозе у позвоночных в части II, раздел 11.2.4.

Биологи СУМЕЛИ ПРЕДОТВРАТИТЬ ЗАПРОГРАММИРОВАННУЮ СМЕРТЬ ЛОСОСЯ ПУТЕМ УДАЛЕНИЯ У ВЗРОСЛЫХ РЫБ ПОЛОВЫХ ЖЕЛЕЗ ИЛИ КОРЫ НАДПОЧЕЧНИКОВ.

Чтобы привлечь самку в период гона, самцы этой мыши, как и другие животные, выделяют феромоны. Оказалось, что помимо самок, под действие этих летучих веществ подпадают и сами самцы. Их улавливает специальный вомероназальный орган, который (не сразу, а при отностительно длительном воздействии феромона) подает пока еще неизвестный сигнал в мозг, вызывающий разбалансирование гормональной системы этих симпатичных зверьков. Резко повышается продукция кортикостероидов, аномально подскакивают уровни адреналина и норадреналина, что в конце концов приводит к острой почечной недостаточности и смерти самцов сумчатой мыши. Кстати, можно кардинально продлить их жизнь, если просто никогда не показывать им самок. Тогда они не впадают в состояние гона, феромоны не выделяются и мышь не запускает смертельную программу феноптоза.

Обратите внимание, что австралийская мышь, как и дрожжи (о них речь шла в главе 1.1.3), использует феромон в качестве орудия феноптоза, хотя биохимические механизмы действия этого орудия в двух названных случаях оказываются совершенно различными.

Может показаться, что, приводя примеры запрограммированных самоубийств однократно размножающихся существ, мы ломимся в открытую дверь. Если одному или обоим родителям суждено погибнуть после размножения, то такое событие по определению должно быть как-то запрограммировано. На самом деле эти факты — скорее логическая преамбула к еще более интересной истории про феноптоз животных, которым разрешено размножаться многократно. Об этом — в следующей главе.

ГЛАВА 1.3