Факультет

Студентам

Посетителям

Членистоногие, которым свойственно старение

Тема: Генетика  

Факторы старения и продолжительность жизни лучше всего изучены у позвоночных и членистоногих.

Это объясняется, возможно, тем, что число существующих видов насекомых и ракообразных огромно, а также тем, что к этому типу относятся виды, которые привлекли внимание исследователей благодаря большой продолжительности их жизни и возможности содержания их в лабораторных условиях. Проблемы продолжительности жизни и старения изучались на 2 из 6 классов типа членистоногих — на насекомых и ракообразных. Среди ракообразных лучше всего изучены различные водяные блохи, а именно Daphnia longispina и Daphnia magna.

В конце 20-х и начале 30-х годов Терао и его сотрудник Танака изучили некоторые физиологические особенности водяной блохи Moina macrocopa Strauss. Как видно из приводимых ниже цифр, продолжительность жизни представителей этого вида достигает максимума при температуре около 15°, а затем при дальнейшем повышении температуры снова уменьшается.

Эти исследователи изучали также интенсивность дыхания в зависимости от возраста (с поправкой на объем тела) и нашли, что она медленно падает между 6-м и 15-м днями. Наконец, они показали, что чувствительность к действию анестезирующих препаратов, измеряемая по времени, необходимому для полного обездвижения животных в 1/50 М растворе хлоретана, с возрастом постепенно снижается.

Примерно 10 лет спустя Ингл и др. обратили внимание на другой вид дафний (Daphnia longispina). Эти авторы показали, что продолжительность ее жизни почти удваивается под влиянием голодания и что ритм сокращений сердца у голодающих животных замедлен. Эти наблюдения напоминают о явлениях, которые Чайлд наблюдал у плоских червей, Рудзинская — у Tokophrya, а Мак-Кей и др. — у белых крыс.

Банта и Вуд расширили исследования такого рода, затронув генетические аспекты проблемы. Исследование проводилось на видах, способных размножаться либо партеногенетически, либо половым путем. В чрезвычайно интересной статье «Накопление рецессивных мутаций в процессе длительного партеногенеза» эти авторы отметили низкую жизнеспособность полового поколения Daphnia longispina, полученного после 279, 378, 442, 477 и 570 вполне жизнеспособных партеногенетических поколений. Подобное падение жизнеспособности, по-видимому, можно объяснить накоплением рецессивных мутаций.

Шехтер опубликовал краткое сообщение о влиянии гепарина и витамина К на продолжительность жизни Daphnia magna: погружение голодных животных в растворы витамина К несколько уменьшало их выживаемость. Присутствие гепарина в растворе повышало ее. Эти опыты заслуживают проверки.

Нидхэм исследовал способность к регенерации в различном возрасте в опытах с другим представителем членистоногих — Asellus aquaticus. Было показано, что многократная регенерация в одном и том же участке тела, по-видимому, связана с истощением запасов какого-то неизвестного вещества, так как скорость регенерации с каждым разом снижается. Этого, однако, не наблюдалось, если ампутацию производили в другом месте, например, если ампутировали другую ногу. Эти данные напоминают некоторые факты, установленные Либманом на аннелидах; он отметил обратную зависимость между способностью к регенерации и частотой полового цикла. Как половые клетки, так и клетки, используемые при регенерации, образуются из примитивных клеток, элеоцитов, находящихся в органе, именуемом хлорагог.

Расход этих клеток для одной цели снижает возможности их использования для другой. Так, во время регенерации плодовитость животных снижается, и, наоборот, способность к регенерации резко снижается, если элеоциты используются на образование половых клеток.

Соответствующие исследования были проведены на нескольких видах насекомых, среди которых были, однако, представители нескольких отрядов. Как показали исследования Юэра и Юэра, продолжительность жизни жука Pinus tectus Boie зависит от температуры и влажности. Самым долгоживущим из насекомых является американский таракан Periplaneta americana L., на котором проводил свои исследования Боденштейн, изучавший механизм действия гормонов у насекомых. Гриффитс и Таубер собрали некоторые данные о продолжительности жизни самок после последней линьки. Максимальная продолжительность жизни таких самок была равна 398 дням, минимальная — 120 дням. Самки, обладающие высокой плодовитостью, живут меньше. Девственные самки жили вдвое дольше, чем плодные. Этот факт, по-видимому, свидетельствует об истощении резервных веществ и о трудностях, связанных с откладкой яиц. Недавно Кларк и Рубин опубликовали интересную работу, касающуюся продолжительности жизни одного из видов Habrobracon. Они показали, что причиной Старения этого насекомого не являются соматические мутации, так как продолжительность жизни гаплоидных и диплоидных самцов и самок почти одинакова, хотя их чувствительность к действию излучения различна.

Еще на одном перепончатокрылом — на медоносной пчеле — было изучено влияние алиментарного фактора, в частности состава маточного молока, на продолжительность жизни и гистологические признаки старения. Ходж указал на изменение числа и вида нервных клеток у медоносной пчелы; его работа недостаточно убедительна. Примененный им метод отбора старых особей оставляет желать лучшего. Он руководствовался чисто внешними признаками ли отбирал только что погибших пчел. Более современное и более тщательное исследование, выполненное Рокштейном, показало, что в мозге медоносной пчелы с возрастом резко изменяется общее число клеток и соответственно увеличивается содержание холинэстеразы. Из всех членистоногих в отношении старения наиболее подробно изучена плодовая мушка Drosophila. Это насекомое оказалось подходящим объектом не только для генетических, но и для геронтологических исследований.

Дрозофила была впервые использована в ставших теперь классическими геронтологических работах Лёба и Нортропа. Эти авторы выявили четкую зависимость продолжительности жизни насекомого от той температуры, при которой оно находится на стадии имаго.

Таким образом, работы Лёба и Нортропа показали, что, изменяя условия внешней среды, можно произвольно увеличивать или уменьшать продолжительность жизни высших многоклеточных животных. За классическими исследованиями этих авторов последовали интереснейшие работы Пэрла и его сотрудников — Алпатова, Майнера, Паркер и Гонзалеса. Эти работы до сих пор считаются наиболее обоснованными исследованиями, касающимися сущности факторов, определяющих продолжительность жизни. Алпатов и Пэрл расширили исследования Лёба и Нортропа, изучив влияние температуры,

при которой находится насекомое во время развития, на продолжительность жизни имаго или взрослой особи. Они установили, что мухи, развивавшиеся при 18°, были не только крупнее мух, развивавшихся при 25 или 27°, но и жили несколько дольше. Нортроп также показал, что голодание личинок в течение различных периодов времени приводило к увеличению времени развития, т. е. установил, что голодание приводило к замедлению развития; однако продолжительность жизни имаго существенно не менялась. Так, если продолжительность развития от яйца до куколки варьировала от 8 до 17 дней, то продолжительность жизни имаго колебалась лишь между 10,5 и 11,9 дня.

Крожьер и др. изучали изменение смертности дрозофил в разные периоды их жизни и выявили несколько критических периодов, отличавшихся повышенной смертностью. Эти наблюдения никем не были подтверждены, и их статистическая значимость весьма сомнительна.

Из факторов, оказывающих влияние на продолжительность жизни дрозофилы, изучены следующие: действие излучения, возраст матери, плотность популяции, тепловой шок, воздействие эфира и спирта, голодание и добавка различных пищевых веществ, аноксия, гипероксия, влияние тяжелой воды, а также генетические факторы (в том числе гибридизация, мутации, хромосомный баланс).

Ниже мы рассмотрим некоторые из этих факторов.

Пэрл, Майнер и Паркер исследовали влияние плотности популяции; ниже мы приводим полученные ими результаты.

Те же авторы исследовали зависимость интенсивности размножения от плотности популяции и показали, что она снижается до 1 особи в день при увеличении плотности популяции с 5 до 90 особей на пробирку.

Рассматривая влияние различных химических факторов среды на продолжительность жизни, мы уже упоминали, что голодание на стадии личинки существенно не влияет на продолжительность жизни имаго. Лёб и Нортроп также показали, что продолжительность жизни имаго мало зависит от состава питательной среды, они при этом ссылались на то, что насекомые столь же долго жили на так называемой «глюкозо-агаровой» среде (однако эта среда на самом деле представляет собой более сложный комплекс веществ, а не просто смесь глюкозы с агаром). Как и следовало ожидать, полностью голодавшие дрозофилы погибали значительно раньше, чем особи, получавшие корм. Пэрл и Паркер, однако, показали, что, хотя при нормальном питании продолжительность жизни мутантов vestigial и особей дикого типа резко различна, при голодании эта разница не обнаруживается.

Совсем недавно Гарднер установил, что добавление к питательной среде рибонуклеиновой кислоты, ниридоксина и дрожжевого экстракта увеличивает продолжительность жизни дрозофилы на 10% по сравнению с насекомыми, выращенными на обычной среде. Если же к смеси добавляли пантотеновую кислоту, то продолжительность жизни насекомого увеличивалась на 15%. Гарднер поставил перед собой задачу выяснить, какие факторы, присутствующие в маточном молоке пчел, способствуют увеличению продолжительности жизни мух. Одним из наиболее активных факторов оказалась пантотеновая кислота: даже в отсутствие других факторов, она приводила к увеличению продолжительности жизни на 26%.

Пэрл и Паркер показали, что многократное воздействие эфира весьма слабо влияет на продолжительность жизни дрозофилы.

Мухи, многократно подвергавшиеся воздействию эфира, жили в среднем 51,6 дня, тогда как контрольные мухи, на которых воздействовали эфиром лишь изредка, жили 49,78 дня. Вместе о тем Пэрл и др. установили, что устойчивость дрозофилы к действию спирта с возрастом понижалась по экспоненте.

Недавно было показано, что мухи, выращенные на среде, содержащей 20 и 40% тяжелой воды, и находившиеся на этой среде на протяжении всей жизни, живут вдвое меньше, чем контрольные. Понижение парциального давления кислорода в воздухе (1%) на стадии имаго увеличивает продолжительность жизни, тогда как в атмосфере чистого кислорода продолжительность жизни значительно уменьшается. Чувствительность взрослых дрозофил к действию ионизирующего излучения исключительно низка.

В самом деле, в определенных условиях доза 5000 г фактически увеличивает продолжительность жизни облученных мух. Захер (личное сообщение) указывает, что даже такие высокие дозы, как 50 000 г, не уменьшают продолжительности жизни этих насекомых. Этот же автор пишет: «Дрозофил ежедневно с момента вылупления подвергали рентгеновскому облучению. При этом мухи, получавшие от 1,5 до 3 кг в день в течение всей жизни, жили на 30% дольше контрольных и в то же время характеризовались ясно выраженной пониженной изменчивостью». Исследования Ульриха, установившего довольно высокую чувствительность яиц дрозофилы к рентгеновским лучам, позволили ему высказать предположение, что радиорезистентность взрослых дрозофил объясняется тем, что их соматические клетки не делятся. По мере дробления чувствительность яиц к облучению снижается.

В последнее время мы занимались изучением влияния условий, при которых производят облучение. Оказалось, что, хотя при облучении мух в нестерильных культурах продолжительность их жизни действительно увеличивается на 30%, та же самая доза (5000 rad) при абсолютно стерильных условиях культивирования снижает продолжительность жизни на 10%. В специальной серии опытов было показано, что стерильные особи живут дольше нестерильных.

Мейнард-Смит и Стрелер недавно с несколько различных теоретических позиций подошли к рассмотрению механизмов, лежащих в основе изменений продолжительности жизни дрозофилы и других холоднокровных под воздействием различных внешних факторов. Мейнард-Смита интересовал вопрос о том, существует ли несколько различных механизмов старения или такой механизм один. Он определял вероятную продолжительность жизни мух, которых подвергали воздействию высокой температуры в течение значительного периода жизненного цикла, а затем до конца их жизни содержали при более низкой температуре. Мейнард-Смит пришел к выводу, что при температурах выше и ниже 31° действуют различные приводящие к смерти процессы. Он использует эти наблюдения для подтверждения мысли о множественности механизмов старения, не упоминая о том, что процессы, протекающие при температуре выше 31°, не имеют никакого отношения к нормальным физиологическим процессам, свойственным этим насекомым. В самом деле, есть все основания сомневаться в том, что изменения, происходящие при такой высокой температуре, в какой-то степени вообще сходны с нормальными процессами старения этих организмов. По всей видимости, смертность в этих условиях отражает интенсивность денатурации определенных чувствительных структур.

В своих исследованиях мы ставили перед собой задачу оценить возможную роль процессов с высокой энергией активации, например, тепловой денатурация белка, в нормальных процессах старения дрозофилы в диапазоне температур, считающемся физиологическим для данного вида. Мы подвергали насекомых кратковременному (1 час) воздействию тщательно регулируемой температуры от 36 до 39° и после этого определяли смертность. Хотя в первые 5 дней после воздействия высокой температуры (38,5°) смертность насекомых достигала 50%, дальнейшая продолжительность жизни тех мух, которые оправлялись от этого теплового шока, не отличалась от продолжительности жизни контрольных мух, содержавшихся на протяжении всей жизни при 25°.

Из этих исследований мы сделали вывод, что приводящие к смерти процессы нормального старения дрозофилы не связаны с денатурацией белка, так как различные воздействия, которые, несомненно, приводят к денатурации, не сопровождаются «старением». Таким образом, хотя наши данные согласуются с данными Мейнард-Смита, мы не присоединяемся к его интерпретации, так как не считаем, что процессы, ведущие к смерти при действии высоких температур, играют какую-то роль в нормальных процессах старения организмов. Мы недавно показали, что кратковременное пребывание в условиях высокой температуры действительно приводит к некоторому повышению повозрастной смертности (по сравнению с контролем), если среду, на которой они содержатся, систематически менять.

Утверждение, что продолжительность жизни животного определяется генетически, может показаться банальным. Разница между дрозофилой и черепахой, несомненно, определяется различием в генетической структуре клеток дрозофилы и черепахи. Выше уже упоминалось о существовании ряда различных генетических аномалий, которые могут проявляться в процессах старения. Однако лишь один из генетических факторов, а именно влияние мутантных генов, можно изучить путем прямого генетического исследования. Обычные методы генетического анализа непригодны для изучения противоречий и несоответствия в функциях генов или «упущений» в развившемся геноме. Для экспериментального исследования доступными оказываются лишь ошибки в воспроизведении генов половых клеток, а возможно, и некоторых делящихся соматических клеток.

Первые, и до сих пор непревзойденные по изяществу, исследования по влиянию генетической конституции на продолжительность жизни были опубликованы после 1923 г. Пэрлом и др. В их ранних исследованиях в качестве родителей были взяты: линия дикого типа, называемого. «Олд. Фолмоут», и линия, гомозиготная по 5 мутациям, названная «Кинтапл».

Обращает на себя внимание тот факт, что средняя продолжительность жизни представителей F1 даже больше, чем продолжительность жизни особей дикого типа, от которого частично произошли эти гибриды. Сходные, но в некоторых отношениях еще более поразительные данные получили недавно Кларк и Мейнард-Смит, которые производили скрещивание двух географически изолированных штаммов D. subobscura. Мейнард-Смит, по-видимому незнакомый с основополагающими работами Пэрла, Паркера и Гонзалеса, пишет: «Интерес к проблеме старения возник у нас в связи с открытием того, что гибриды между инбредными линиями живут дольше родительских штаммов и продолжительность их жизни варьирует не так широко. Эти данные были подтверждены в последующих опытах, но нам повезло в том, что именно у инбредных линий, которые мы первоначально взяли в опыт, данный эффект выражен особенно отчетливо. Однако дальнейшие исследования показали, что, кроме гетерозиса и сверхдоминантности, в генетической изменчивости продолжительности жизни играют роль гены, ограниченные полом, т. е. по-разному влияющие на продолжительность жизни самцов и самок». Приведены данные о продолжительности жизни некоторых линий и их гибридов; данные эти взяты из работы Кларка и Мейнард-Смита. Из этих данных видно, что для высокоинбредных линий характерны какие-то вредные рецессивные признаки, которые проявляются в уменьшении продолжительности жизни потомства. В некоторых случаях эти мутанты удается выявить по их влиянию на другие морфологические или физиологические признаки; примером может служить мутация vestigial, возникавшая спонтанно в культурах D. melanogaster в опытах Пэрла. Явное возрастание гибридной мощности, отмеченное в исследованиях Мейнард-Смита, по-видимому, представляет собой результат некоторых скрытых мутаций в F1.

Наиболее обстоятельную работу по изучению действия специфических генных мутаций и сочетаний генов на продолжительность жизни дрозофил выполнил Гонзалес в 1923 г.

Гонзалес скрещивал между собой гибридов F1 (Кинтапл Х Дикий тип) и разделял потомство в зависимости от фенотипа. Линия Кинтапл содержала следующие мутации: b, pr, vg, a, sp. Работа Гонзалеса со всей очевидностью показала, что морфологические изменения, связанные с присутствием мутантных генов в гомозиготном состоянии, сопровождаются уменьшением продолжительности жизни.

Была предпринята еще одна серия оригинальных работ по изучению влияния генетической конституции на продолжительность жизни. Автор этих работ Гауэн поставил перед собой задачу проверить распространенную в то время гипотезу Рубнера о том, что продолжительность жизни обратно пропорциональна интенсивности обмена веществ. Гауэн вывел ряд линий дрозофилы, которые в отличие от линий, выведенных Гонзалесом, не несли мутантных генов, но характеризовались различным соотношением числа аутосом к числу половых хромосом. У дрозофил, где определение пола зависит от баланса между аутосомами и Х-хромосомами, можно получить не только нормальных самцов и нормальных самок, но также триплоидных самок и полный ряд интерсексов, у которых соотношение числа аутосом к числу Х-хромосом лежит между нормальным соотношением для самца (две аутосомы и одна Х-хромосома) и нормальным соотношением для самки (две аутосомы и две Х-хромосомы).

Гауэн показал, что различия в средней продолжительности жизни нормальных самцов и самок незначительны и что триплоидная самка живет почти столько же, сколько нормальная диплоидная. Однако средняя продолжительность жизни интерсексов оказалась вдвое меньше продолжительности жизни нормальных самцов и самок и триплоидных самок. У тех же интерсексов интенсивность общего обмена (при расчете на 1 мг веса тела в 1 день) была примерно втрое выше интенсивности обмена у нормальных самцов и примерно вдвое выше, чем у нормальных и триплоидных самок. Если общее количество CO2, выделяемого в течение жизни нормальными самцами и самками и триплоидными самками, примерно одинаково, то интерсексы выделяют всего 50—70% этого количества.

Эти результаты не согласуются с простой гипотезой Рубнера. Кроме того, они свидетельствуют о том, что старение у дрозофилы не связано с накоплением рецессивных соматических мутаций, которые были бы чрезвычайно редкими у триплоидных самок. Тем не менее продолжительность их жизни такая же, как и у диплоидных.

Гауэн сделал еще одно интересное наблюдение. Для интерсексов кривая смертности соответствует процессу первого порядка, так как зависимость выживания от возраста является линейной, тогда как для нормальных самцов и самок, а также для триплоидных самок характерны так называемые «прямоугольные» кривые выживания, т. е. кривые, свидетельствующие о повышении смертности по мере старения. Кроме данных, опубликованы сообщения об опытах, посвященных изучению зависимости стабильности генома дрозофилы от возраста родителей. Стерн и Бриджес определяли частоту кроссинговера в первой и третьей хромосомах D. tnelanogaster в зависимости от возраста и температуры. Опыты Стерна показали, что у особей, содержавшихся вплоть до вылупления при температуре 30°, частота кроссинговера была на 50% больше до тех пор, пока не истощились все яйца, проходившие митоз в период воздействия высокой температуры. После этого частота кроссинговера уменьшилась до уровня, соответствующего температуре 25°. Бриджес установил, что с возрастом частота кроссинговера в третьей хромосоме меняется: сначала она была высокой, затем понижалась, а потом снова повышалась. Эти наблюдения не получили объяснения, к тому же не было произведено оценки достоверности результатов. В 1955 г. Ганнах опубликовала результаты своих наблюдений над изменением соотношения полов (в потомстве); после 21 дня пребывания при температуре 18° процент самок снижался с 50 до 42. Ганнах пользовалась необычным штаммом, и общее значение ее наблюдений пока оценить трудно.

В 1953 г. Комфорт показал, что у D. subobscura не наблюдается феномена Лансинга, т. е. после многократного инбридинга продолжительность жизни потомства молодых самок, взятых из последовательных поколений, не превышает продолжительности жизни у исходных линий. Гласс недавно сообщил, что путем отбора можно воздействовать на продолжительность жизни дрозофилы, создавая молодые или старые «ортоклоны».

Сведения о старении беспозвоночных скудны по сравнению с тем, что известно о позвоночных, в частности о таких лабораторных животных, как крыса и мышь, а также с тем, что известно о старении человека. В последующих разделах этой монографии мы приведем обширный материал, заимствованный из наблюдений над человеком и млекопитающими. Теперь мы переходим к изложению некоторых данных о смертности, которые можно будет понять в свете приводимых далее сведений о структуре и функции организмов.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: