БИОХИМИЯ, 2019, том 84, вып. 12, с. 1792 - 1800

УДК 577.24

ЦИФРОВАЯ ГЕНЕТИКА, ИЗМЕНЧИВОСТЬ, СПОСОБНОСТЬ

К ЭВОЛЮЦИОНИРОВАНИЮ И ЭВОЛЮЦИЯ

ПРОГРАММИРОВАННОГО СТАРЕНИЯ

Обзор

Т. Голдсмит

Azinet LLC, Box 239 Crownsville, MD 21032 USA; E mail: tgoldsmith@azinet.com

Поступила в редакцию 07.06.2019

После доработки 02.09.2019

Принята к публикации 02.09.2019

Одним из основных остающихся нерешенных вопросов в области геронтологии является эволюционная

природа феномена клеточного старения. Он заключается в следующем: вызвано ли старение генетически

запрограммированными механизмами, которые в ходе эволюции подвергались изменениям, так как огра"

ничение продолжительности жизни индивида приводит к повышению способности популяции выживать и

увеличиваться в размерах? Или же старение не запрограммировано, так как оно снижает способность инди

вида выживать и размножаться? Есть небольшое несоответствие между предполагаемыми многочисленны"

ми выгодами для целой популяции от клеточного старения. Однако теория эволюции в том виде, как ее

описал Дарвин и как она в настоящее время преподается, является исключительно ориентированной на ин"

дивида. Поэтому до недавнего времени программированное старение широко воспринималось как теоре"

тически невозможное. В то же время открытия в области генетики выявили проблемы традиционных тео"

рий, которые утверждают, что процесс эволюции происходит с участием популяций, и выступают в пользу

программированного старения. В частности, как описано в настоящем обзоре, это касается обнаружения

того факта, что биологическая наследственность заключается в передаче информации в цифровой форме меж"

ду родителем и потомком любого организма, что строго поддерживает концепции популяцинно"ориенти"

рованной эволюции и сопутствующие теории программированного старения. В этом ряду также находится

вопрос способности к эволюционированию (evolvability). Традиционная теория подразумевает, что способ"

ность к эволюционированию, как мутации и естественный отбор, является наследуемым свойством живых

организмов. Теории способности эволюционировать предполагают, что эта способность у сложно органи"

зованных видов сама является результатом развившихся признаков, и что такие признаки могут подвергать"

ся эволюции, даже если они вредны для индивида. Теории программированного старения, основывающие"

ся на способности к эволюционированию, предполагают, что процесс старения подвергается эволюции, по"

тому что она повышает способность видов к эволюционированию, принося выгоду для популяции. Эта идея

также строго поддерживается цифровой природой наследственности. Тема, является ли старение програм"

мированным или непрограммированным, представляет собой ключевой вопрос для медицинской науки,

так как эти две концепции предполагают очень сильно различающиеся биологические механизмы, которые

ответственны за процесс старения и возникновение большинства возрастных заболеваний.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: клеточное старение, геронтология, генетика, конструирование геномов, цифровые

системы.

DOI: 10.1134/S0320972519120042

Один из наиболее важных вопросов геронто"

вида? Теоретики предложили много различных

логии касается эволюционной природы биоло"

способов [1-5], при которых ограничение про"

гического (клеточного) старения. Является ли

должительности жизни индивидов благоприят"

старение генетически запрограммированным,

ствует сохранению популяции и мало кто из ис"

так как оно ограничивает внутренне предопре"

следователей с этим не согласен. Прямые дока"

деленную продолжительность жизни индивида

зательства, как, например, альтруизм животных

определенного биологического вида, а основан"

[6], по"видимому, свидетельствуют в пользу тео"

ное на популяции значение создает преимуще"

рий, поддерживающих утверждение, что попу"

ство в плане эволюции для популяции, или же

ляционная выгода может компенсировать нано"

старение не является запрограммированным,

симый индивидам вред при групповом отборе

так как клеточное старение приносит вред каж"

[7] и родственном отборе [6]. Поэтому этот воп"

дому отдельному представителю биологического

рос следует рассматривать в более широком

1792

ЭВОЛЮЦИЯ ПРОГРАММИРОВАННОГО СТАРЕНИЯ

1793

контексте: может ли выгода для выживания и

ЧЕРТЫ И ОГРАНИЧЕНИЯ

роста популяции привести к эволюции и сохра"

ЦИФРОВОЙ ГЕНЕТИКИ

нению в ней признака, снижающего способ"

ность индивидов размножаться? Поскольку в

Сравнение аналоговой и цифровой информа3

большинстве случаев признак, который благоп"

ционной систем. В аналоговой схеме коммуника"

риятствует индивидам, также, в целом, благоп"

ций передача информации производится с ис"

риятствует популяции таких индивидов, эта те"

пользованием номинально непрерывно изменя"

ма еще относительно недавно привлекала мало

емой величины определенного передаваемого

внимания, и она не упоминалась в биологичес"

параметра, такого как, например, высота или

ких текстах.

частота звука (или радиосигнала). Свойства

Теория эволюции, включая механизмы про"

схем аналоговой или цифровой информации

цесса эволюции, широко признана как устояв"

сильно отличаются друг от друга, и это будет по"

шаяся наука. В современных учебниках биоло"

казано ниже. Аналоговый метод может быть ис"

гии обычно излагается, что эволюция двигается

пользован для передачи цифровой информа"

за счет того, что индивид или платит цену, или

ции, как это происходит в случае использования

получает выгоду. Например, в учебнике Biology

AM радио для передачи речи.

for AP Courses [8] можно прочесть следующее:

В 1953 г. Watson J.D. и Crick F.H. опубликова"

«Благодаря конкуренции за ресурсы и другим

ли ставшую впоследствии знаменитой статью, в

видам воздействия окружающей среды, индиви"

которой была описана молекулярная структура

ды, обладающие более благоприятными адап"

ДНК [10]. Впоследствии было определено, что

тивными характеристиками, могут с большей

механизм биологической наследственности

вероятностью выжить и размножаться, переда"

включает в себя передачу информации в цифро"

вая эти характеристики с повышенной частотой

вой форме между родителями и потомством лю"

следующему поколению». Имеется широкое

бого живого организма, и наследственная ин"

согласие насчет того, что клеточное старение не

формация закодирована в виде последователь"

приносит выгоды млекопитающим в плане их

ности молекулы ДНК, образованной четырьмя

индивидуального выживания и размножения.

различными нуклеотидами (A, C, G T) [11]. По"

Поэтому еще совсем недавно (в 2004 г.) [9] прог"

этому биологическая наследственность имеет

раммированное старение, повсеместно счита"

общие черты и ограничения, которые примени"

лось теоретически невозможным и, по сути, не"

мы к любой цифровой информационной схеме,

лепым с точки зрения науки, несмотря на суще"

как, например, схемы, которые связаны с уст"

ствование значительного количества эмпири"

ной или письменной информацией, или с сов"

ческих данных в его пользу [3].

ременными цифровыми методами коммуника"

Однако открытия в области генетики приве"

ций, такими как цифровое телевидение или ин"

ли к выявлению большой сложности проблемы,

тернет [12]. Далее обсудим эти особенности и

продолжающихся и растущих проблем, касаю"

налагаемые ограничения.

щихся природы биологической наследственнос"

Символы. Цифровая коммуникация (связь)

ти, которая оказывает непосредственное влия"

состоит из последовательности символов, таких

ние на проблему соотношения роли индивида и

как AXQP…или 13322 или

популяции и действует в пользу популяционно"

Биты. Любая цифровая коммуникация мо"

ориентированных теорий эволюционной меха"

жет быть выражена в виде последовательности

ники и сопутствующих теорий программиро"

двоичных цифр или их аналогов (байты, шест"

ванного старения. В настоящее время осущест"

надцатиричные цифры и т.д.). В связи с тем, что

вляются значительные инвестиции в исследова"

в генетическом коде есть только четыре возмож"

ния, основанные на программированном старе"

ных символа, один генетический символ (обоз"

нии.

начаемый как A, C, G или T) является эквива"

В настоящем обзоре обсуждается установ"

лентом двух бит и может быть выражен в виде

ленный факт, что биологическая наследствен"

00, 01, 10 и 11.

ность включает передачу цифровой информации

Слова. Слово - это многократно используе"

между родителем и потомком. Поэтому для био"

мая последовательность символов, имеющая

логической наследственности также характер"

особое значение, которое может неоднократно

ны функции и ограничения, которые приме"

появляться в сообщении.

няются к любой цифровой информационной

Синхронизация. Цифровые схемы должны

схеме, и цифровой характер биологической

быть снабжены средствами для определения

наследственности свидетельствует в пользу по"

начала и конца их элементов, таких как слова,

пуляционной выгоды и программированного

предложения или пакеты цифр. Иниции"

старения.

рующие и останавливающие кодоны обеспечи"

БИОХИМИЯ том 84 вып. 12 2019

1794

ГОЛДСМИТ

вают синхронизацию в цифровой генетической

удаление символа, обычно приводит к более

схеме.

серьезным последствиям.

Язык. Мы можем определить слово язык как

Точность. Когда параметр структуры (напри"

всю ту информацию, которая должна быть пред

мер, длина бедра) представлен в цифровой фор"

варительно обеспечена на обоих концах пути пе"

ме, точность, с которой может быть задан этот

редачи сообщения, чтобы соответствующим об"

параметр, зависит от конструкции цифровой

разом кодировать или декодировать цифровое

схемы, в частности, от количества символов, ко"

сообщение. Языки, как правило, имеют произ"

торые должны быть определены для этого значе"

вольное значение. Слово «сat» в английской ре"

ния. Количество символов определяет точность

чи часто обозначает пушистого домашнего пи"

или разрешение получающихся при этом дан"

томца, но оно также может звучать как katze (не"

ных. Число 3,1 не так точно, как число 3,14159,

мецкий язык) или gato (на испанском языке).

но оно требует меньше символов для передачи

На языке генетики это сочетание символов

информации. Поэтому, обозначение сложных и

(САТ) означает в земной жизни генетический

точных анатомических особенностей, таких как

код для аминокислоты (гистидин) [13]. Языки

глаза и внутреннее ухо, требует большего коли"

могут различаться по эффективности своего вы"

чества символов в генетическом коде, чем спе"

ражения, и часто используемые слова должны

цификация более крупных, но в то же время, бо"

быть короче. В гипотетическом языке, в кото"

лее простых частей тела (например, большие

ром слово для

«I», которое было как

ягодичные мышцы). Геномный дизайн организ"

«Gzornenblat», будет иметь меньшую эффектив"

ма должен постоянно совершенствоваться, что"

ность символов. Для языков характерна тенден"

бы соответствовать точности, необходимой для

ция развиваться, и генетический язык, очевид"

выражения его фенотипического дизайна.

но, существенно эволюционировал между про"

Комбинированные источники. В аналоговой

кариотами и современными животными.

системе, сигналы, поступающие от двух или бо"

Копирование. Из"за неизбежного наличия

лее источников, могут легко комбинироваться

шума, неосуществимо приготовление много"

путем простого добавления. В результате получа"

численных последовательных копий аналоговой

ется композиция, для которой характерен усред"

связи (например, грампластинки, аналог аудио"

ненный характер обоих источников. Например,

или видеозаписей), так как при этом каждое но"

звуки от двух скрипок в воздухе вместе образуют

вое поколение добавляет дополнительные

композицию. Намного сложнее комбинировать

ошибки. Поскольку цифровая связь, как прави"

информацию, поступающую от двух или более

ло, безошибочна, копии копий могут изготов"

источников цифровых данных. Нам нужно будет

ляться бесконечно. Дизайн цифровой системы

декодировать входящие потоки данных, пра"

влияет на характер возникающих ошибок и спо"

вильно локализовать и получить доступ к каждо"

собность системы исправлять эти ошибки. Эта

му из указанных элементов массива данных,

свойство цифровых данных имеет большое зна"

конвертировать их в один и тот же масштаб и

чение для эволюции жизни, в том виде, как мы

формат. Кроме того, если это необходимо, нужно

ее знаем, и оно позволяет современным биоло"

будет ввести дополнения или произвести другие

гическим видам наследовать характеристики

действия, необходимые для создания значимой

строения от предков, которые жили миллиарды

композиции, а затем создать и получить пра"

лет назад.

вильный формат для выхода данных. Для этого

Ошибки. Цифровая ошибка может возник"

потребуется знание априори языка входных дан"

нуть, если символ ошибочно принят за другой

ных. Вообще нет такого способа простого полу"

символ. Степень серьезности ошибки зависит

чения комбинированных цифровых данных.

от местоположения ошибки и конструкции

Слияние генетических цифровых данных от двух

цифровой схемы. Ошибка в первом символе

различных источников в процессе полового

3,14159 имеет большее влияние, чем ошибка в

размножения диплоидных организмов управля"

последней цифре. Избыточность (например,

ется очень сложными, очевидно развившимися

несколько копий одного и того же гена) может

механизмами биологической наследственности.

компенсировать ошибки. С точки зрения гене"

Кроме того, две спаривающиеся особи должны

тики, ошибки, вызывающие значительные неб"

иметь очень сходные геномные конструкции.

лагоприятные фенотипические эффекты, обыч"

Повторяющиеся последовательности. Это

но устраняются и, следовательно, корректиру"

есть принцип теории информации, заключаю"

ются естественным отбором. Ошибка синхро"

щийся в том, что повторяющиеся последова"

низации, т.е. такая ошибка, которая приводит к

тельности символов, такие как генетические

неправильному прочтению начального кодона

тандемные повторы (например, ACACACA"

или стоп"кодона, или же вызывает вставку или

CAC…) несут в себе мало информации. Это есть

БИОХИМИЯ том 84 вып. 12 2019

ЭВОЛЮЦИЯ ПРОГРАММИРОВАННОГО СТАРЕНИЯ

1795

основа схем сжатия (полностью обратимого)

ные цифровые значения, используемые впослед"

цифровых данных, не приводящих к потерям

ствии для включения случайности в цифровой

информации («lossless»), как, например, архиви"

процесс. Псевдослучайные процессы (например,

рование данных («zip» compression) [14].

крайние значимые цифры миллисекунд с декаб"

Чувствительность паттерна. Цифровая ин"

ря 1999 г.) могут быть использованы для модели"

формация подвержена чувствительности пат"

рования случайного процесса. Сложно органи"

терна, при которой вероятность ошибки зависит

зованные живые организмы имеют механизмы

от содержания передаваемой информации. Био"

для включения элементов случайности в отдель"

логические механизмы, которые создают интро

ные аспекты их строения. Например, случай"

ны и неравный кроссинговер [13], зависят от

ный аспект внешней окраски (размер и локали"

чувствительности паттерна.

зация пятен) является полезным для улучшения

маскировки животного, такого как леопард. Бо"

лее того, в результате конкретных случайных

ЦИФРОВЫЕ ВАРИАЦИИ

процессов определяется, какой родитель будет

И СЛУЧАЙНОСТЬ

обеспечивать каждую хромосому и какие сег"

менты неравного кроссинговера будут отобраны

Дарвин показал [15], что для процесса эво"

при создании зародышевых клеток в процессе

люции очень существенна естественная измен"

мейоза. Другие, подвергшиеся эволюции слу"

чивость наследуемых конструктивных характе"

чайные процессы, связаны с иммунитетом [13].

ристик (признаков) между особями в популя"

Из"за больших различий в цифровых схемах

ции. Без изменчивости не было бы сырья для

наследования процесс эволюции у гаплоидных

действия естественного отбора. Теория Дарвина

видов (например, бактерии) сильно отличается

предполагает, что естественная изменчивость

от эволюции диплоидных видов. Следователь"

является фундаментальным свойством жизни, и

но, доказательства, полученные на бактериях,

что все живые организмы подвержены мутаци"

непосредственно не применимы к эволюции

ям и естественному отбору. Мы можем сделать

диплоидных видов.

вывод, что локальная изменчивость (наблюдае"

мая между особями, которые могут правдопо"

добно взаимодействовать друг с другом в контек"

СПОСОБНОСТЬ ЭВОЛЮЦИОНИРОВАТЬ

сте конкурентного естественного отбора) будет

иметь важное значение. Изменчивость в такой

Традиционные концепции процесса эволю"

популяции будет производить более сильное

ции предполагают, что способность к эволюци"

влияние, чем различия между особями, которые

онированию (evolvability) является врожденным

были широко географически разделены.

свойством всего живого. В то же время нет при"

Однако изменчивость не является фунда"

чин верить тому, что мутации и естественный

ментальным свойством цифровой схемы. Хотя

отбор не применимы в равной мере ко всем ви"

мутации являются основным источником из"

дам. Процесс эволюции, как он был описан

менчивости, открытия в области генетики [13]

Дарвиным (и широко воспринимается в мире),

показали, что у сложных (диплоидных, размно"

заключается в том, что мутация вызывает насле"

жающихся половым путем) организмов, измен"

дуемое изменение строения отдельного индиви

чивость является результатом действия очень

да. Если это изменение приводит к тому, что

сложных и развившихся биологических меха"

наследующие его индивиды производят больше

низмов, которые управляют цифровой наследу"

потомства, достигающего взрослого возраста, то

емой информацией, такой как структура генома

оно далее распространяется в популяции. Если

диплоидных организмов, половое размножение,

этот сценарий «одна мутация за один раз» верен,

мейоз, рекомбинация и неравный кроссинго"

то очевидно невозможно (по определению) для

вер. Локальная изменчивость, которую мы мо"

организма развивать и сохранять признак (как,

жем наблюдать между братьями, сестрами и дру"

например, клеточное старение), который пони

гими близкими родственниками вызвана

жает способность индивида размножаться.

действием этих механизмов. Однояйцевые

Однако, как было описано выше, свойство,

близнецы появляются в результате сбоя работы

которое жизненно необходимо для процесса

механизмов воспроизводства изменчивости.

эволюции (изменчивость), является результа"

Аналогично, случайность не является естест"

том развитых признаков, и признаки, которые

венным свойством цифровой системы. Цифро"

повышают изменчивость, могут рассматривать"

вые компьютерные системы могут быть снабже"

ся как признаки эволюционирования. Развив"

ны аналоговым генератором белого шума, чей

шиеся поведенческие признаки, такие как пове"

выход может затем конвертироваться в случай"

дение, которое вызывает у особей стремление

БИОХИМИЯ том 84 вып. 12 2019

1796

ГОЛДСМИТ

спариваться в местах, удаленных от мест своего

кой"либо наследуемый признак, который в по"

обитания, или с неродственными особями мо"

пуляции варьирует. Следует обратить внимание,

жет оказывать влияние на изменчивость. Было

что в диплоидных организмах один индивид мо"

предположено, что клеточное старение увели"

жет обладать большим количеством генетичес"

чивает изменчивость и в противном случае по"

ких различий между его геномами и, следова"

вышает способность к эволюционированию

тельно, существенной вариацией и генетичес"

несколькими способами [1, 2, 16]. Мы можем

ким разнообразием.

более точно определить термин способность к

Способность к эволюционированию, как и

эволюционированию, охватывая скорость и точ"

изменчивость, принято считать свойством, ха"

ность, с которой процесс эволюции может адап"

рактерным для популяции. Кроме того, подобно

тировать популяцию биологического вида к из"

клеточному старению, другие признаки способ"

менениям, происходящим вокруг нее. Способ"

ности к эволюционированию часто вредны для

ность адаптироваться более быстро или точно

индивида. Поэтому те, кто отвергает популяци"

повышает вероятность того, что популяция смо"

онно"ориентированные теории, отвергают и иг"

жет избежать исчезновения, что она сможет уве"

норируют теории способности к эволюциони"

личиться в размерах и, в конечном итоге, дать

рованию (до недавнего времени таким теориям

начало новым популяциям и виду.

уделялось достаточно мало внимания).

Ключевым положением теории Дарвина яв"

ляется утверждение, что у организмов во время

их жизни не вырабатываются наследуемые улуч"

СЦЕПЛЕНИЕ ПРИЗНАКОВ

шения их строения. Скорее эти улучшения под"

ОКАЗЫВАЕТ ВЛИЯНИЕ

вергаются отбору в соответствии с успехом или

НА ПРОЦЕСС ЭВОЛЮЦИИ

неудачей репродукции отдельных жизней, каж"

дая из которых рассматривается как испытание

Дарвин признавал то факт, что развившиеся

фиксированных наследственных признаков, ко"

изменения в любом признаке в норме будут нуж"

торыми обладает индивид. Это наталкивает на

даться в изменениях других признаков, так как

идею, что эволюция будет иметь тенденцию

только комбинация признаков приводит к появ"

действовать со скоростью, определяемой чис"

лению изменений в строении организма, кото"

ленностью популяции и средней продолжитель"

рые обладают логическим эволюционным смыс"

ностью жизни особей [16]. Живые организмы,

лом. Например, увеличение длины бедра может

обладающие более длительным сроком жизни и

способствовать повышению скорости бега анти"

меньшими популяциями, номинально склонны

лопы, но при условии, что такое изменение соп"

адаптироваться медленнее. Наблюдение, что на

ровождается дополнительными изменениями

самом деле это не происходит, позволяет пред"

мышц, суставов, кровоснабжения и т. д. Такие

положить, что признаки способности к эволю"

факты свидетельствовали в поддержку идеи Дар"

ционированию являются ключевыми для эво"

вина о том, что эволюция должна быть чрезвы"

люции сложных организмов.

чайно постепенной и, следовательно, длитель"

Другие открытия в области генетики также

ной. Поскольку селекционеры обычно относи"

оказывают влияние на эту проблему. В настоя"

тельно равнодушны к неожиданным изменени"

щее время известно, что человеческая популя"

ям, не вызывающих у них интереса признаков в

ция обладает миллионами индивидуальных гене"

результате сцепления генов, селекционное раз"

тических различий (т.н. одиночные нуклеотидные

ведение не применимо к процессу эволюции.

полиморфизмы, single nucleotide polymorphisms),

Открытия в области генетики предполагают

которые обычно оказывают относительно не"

существование различных способов, при кото"

большое влияние на состояние организма [13].

рых геномное сцепление признаков может так

Те различия, которые мы можем наблюдать

же существовать и также может оказывать вли"

между индивидами, являются результатом ре

яние на процесс эволюции [3]. В 1957 г. Williams

комбинации различий, возникающих в результа"

предположил, что плейотропия (особая форма

те мутаций, приводящей к образованию набо"

геномного сцепления признаков) объясняет, что

ров, которые могут оказывать более сильное

неблагоприятный для индивида признак может

влияние на фенотип индивида. Приобретение

быть связан с благоприятным для индивида

популяцией очень больших фенотипических

признаком, приводящим к общему полезному

различий так быстро, как, например, в результа"

эффекту и сохранению этого вредного признака

те селекционного разведения, не обязательно

(в этом случае, клеточное старение) [17], не"

происходит с участием каких либо новых мута

смотря на неблагоприятные для индивида эф"

ций и, в целом, может быть результатом реком"

фекты. Открытия в области генетики также выс"

бинации, которая усиливает или смягчает ка"

ветили многие другие стороны строения генома,

БИОХИМИЯ том 84 вып. 12 2019

ЭВОЛЮЦИЯ ПРОГРАММИРОВАННОГО СТАРЕНИЯ

1797

которые способствуют возникновению связей и

Williams впоследствии [17] предположил, что

далее привели к определению того, что различ"

отрицательные эффекты клеточного старения

ные типы таких связей имеют тенденцию рабо"

на приспособленность млекопитающих возник"

тать в совершенно разных временных масшта"

ли так давно, что трудно объяснить полное отсут"

бах, некоторые из которых превышают время

ствие эволюционной силы, направленной на

существования типичного вида млекопитающих

увеличение продолжительности жизни, и что

[3]. Например, у млекопитающих наблюдается

поэтому клеточное старение должно каким"то

консерватизм генов [13]. Для внедрения нового

образом передать эволюционное преимущество,

функционирующего гена может потребоваться

которое компенсировало бы его эволюционный

устранение сцепления признаков. Время, необ"

недостаток. Современные теории непрограмми"

ходимое для этого, может быть настолько дли"

рованного и программированного старения раз"

тельным, что долгосрочная выгода, такая как

личаются по вопросу природы компенсирую"

выживание вида, компенсирует краткосрочный

щей выгоды.

недостаток. Эти открытия представляют собой

Концепция Medawar/Williams значительно

решение «краткосрочной/долгосрочной» проб"

лучше соответствовала наблюдениям различных

лемы, описанной ниже.

видов, и непрограммированные теории эволю"

Некоторые аспекты строения генома дипло"

ции, такие как теория накопления мутаций [18]

идных организмов, такие как большинство ко"

и теория антагонистической плейотропии [17]

донов, были унаследованы от дальних предков

основываются на этой концепции. Эти теории

прокариотических организмов. Другие аспекты,

предполагают, что естественные разрушитель"

например, различия в длине повторяющихся

ные силы будут действовать, чтобы ограничить

последовательностей, наблюдаются даже между

продолжительность жизни до тех пор, пока они

близкими родственниками.

не столкнутся с противодействием развившихся

в процессе эволюции механизмов сохранения и

восстановления, которые, в свою очередь, будут

ИСТОРИЧЕСКИЙ ВЗГЛЯД

содействовать развитию и сохранению способ"

НА ТЕОРИИ СТАРЕНИЯ

ности обеспечивать продолжительность жизни,

необходимую данной популяции. Эти идеи бы"

В течение почти столетия после публикации

ли опубликованы до большинства генетических

книги Дарвина [15] теоретики не могли предос"

открытий, упомянутых выше.

тавить какое"либо, даже полуправдоподобное,

Теория программированного старения была

объяснение феномена клеточного старения у

впервые сформулирована Weismann в 1882 г. [2].

различных видов, которое согласовывалось бы с

Она была повсеместно отвергнута из"за очевид"

индивидуально"ориентированной механикой

ного конфликта с индивидуально"ориентиро"

Дарвина. В 1952 г. Medawar опубликовал изме"

ванными концепциями Дарвина. Гораздо более

ненную версию теории Дарвина [18], которая

поздние генетические открытия позволяют су"

была более ориентирована на популяцию в том

ществование различных популяционно"ориен"

смысле, что сила эволюции в направлении раз"

тированных теорий эволюционной механики

вития признака зависит от размера популяции,

и зависимых теорий запрограммированного

которая выиграет от этого признака. Поэтому

старения.

продолжительность жизни, требуемая конкрет"

Возродившийся интерес к программируемо"

ной популяцией, зависит от внешних условий,

му старению также привел к более критическим

окружающих популяцию, и может варьировать"

исследованиям основных современных теорий

ся между видами и различными популяциями

непрограммированного старения и выявил мно"

одного и того же вида. Если бы 99% определен"

жество проблем, связанных с этими теориями

ной популяции диких мышей были бы статисти"

(например, [19]). Кроме того, теории непро"

чески убиты хищниками, голодом, болезнями

граммированного старения, базирующиеся на

или другими внешними условиями до достиже"

концепции Медавара, также конкурируют друг с

ния трехлетнего возраста (даже если внутренне

другом (например, [20]).

бессмертны), было бы мало эволюционной си"

лы для развития внутренней способности жить

дольше, потому что от такой способности выиг"

ПРОГРАММИРОВАННОЕ СТАРЕНИЕ -

рала бы только крошечная выжившая когорта.

СОВРЕМЕННЫЕ ВОЗРАЖЕНИЯ

Различные виды и популяции, имеющие раз"

И КОНТРАРГУМЕНТЫ

личные внешние обстоятельства, потребовали

бы различной внутренне определенной мини"

Помимо прямого конфликта с традицион"

мальной продолжительности жизни.

ной теорией, сторонники незапрограммирован"

БИОХИМИЯ том 84 вып. 12 2019

1798

ГОЛДСМИТ

ного старения недавно выдвинули дополнитель"

госрочное преимущество для популяции (не выми

ные возражения:

рание), предотвращая эволюцию признаков, кото

Если средняя продолжительность жизни лю

рые приносят пользу популяциям за счет индиви

бого дикого организма ограничена внешними обс

дов? (например, [23]).

тоятельствами, то зачем для ограничения про

Этот вопрос привел к появлению многочис"

должительности жизни нужно было выработать

ленных популяционно"ориентированных тео"

сложный эволюционный механизм самоубийства,

рий, которые, в основном, отличаются друг от

включающий гены, сигналы, рецепторы и т. д.?

друга лишь в плане размера рассматриваемой

Следовательно, почему бы такой механизм не раз

популяции и, следовательно, и временной шка"

вился? (например, [21].)

лы, от краткосрочной до долгосрочной (напри"

Внешнее ограничение средней продолжи"

мер, групповой отбор [7], родственный отбор

тельности жизни — это отнюдь не то же самое,

[6], отбор малых групп [24]).

что внутреннее ограничение продолжительнос"

Эта проблема обусловлена собственной кон"

ти жизни каждого человека [16], см. ниже.

цепцией временной шкалы, связанной с про"

Существует широкое согласие по вопросу,

цессом эволюции. Учитывая огромные феноти"

что внешние обстоятельства, в которых нахо"

пические различия, которые могут быть созда"

дится популяция, важны для определения про"

ны за очень короткий период с помощью селек"

должительности жизни, необходимой для этой

ционного разведения, можно предполагать, что

популяции. Таким образом, способность слож"

«эволюция» будет быстро «отбирать» индивиду"

ной эволюционирующей программы старения

ально"неблагоприятные изменения строения,

обнаруживать и реагировать на краткосрочные

как, например, клеточное старение. Однако ге"

или локальные изменения в таких условиях при"

нетические открытия позволяют предположить,

несет пользу популяции [16]. Кроме того, реп"

что «эволюция» в своей совокупности на самом

родуктивные характеристики организма тесно

деле действует на протяжении чрезвычайно дли"

связаны с необходимостью к увеличению про"

тельной временной шкалы. Это вытекает из су"

должительности его жизни, и поэтому они четко

ществования многих фенотипических и генети"

контролируются сложными программными ме"

ческих механизмов связи, описанных выше, и,

ханизмами, которые чувствуют и отвечают на

следовательно, поддерживает все популяцион"

внешние условия.

но"ориентированные теории и групповой отбор

Концепция Медавара предполагает, что кле

на «уровне вида» [3].

точное старение влияет на снижение физической

формы индивидов, и ограничение продолжитель

ности жизни будет влиять только на небольшую

ПОСЛЕДСТВИЯ ПРОБЛЕМЫ

более старшую когорту членов популяции, потому

ПРОТИВОРЕЧИЙ

как существует незначительная эволюционная

МЕЖДУ ПРОГРАММИРОВАННЫМ

сила для развития внутренней способности жить

И НЕПРОГРАММИРОВАННЫМ

дольше. Также существует мало эволюционной

СТАРЕНИЕМ ДЛЯ МЕДИЦИНЫ

силы для развития механизмов ограничения про

должительности жизни (например, [21, 22]).

Как было описано Williams в 1957 г. [17], ос"

Теории эволюционирования процесса старе"

нованные на положениях Medawar/Williams тео"

ния [16, 2] предполагают, что повышение спо"

рии непрограммированного старения опреде"

собности к эволюционированию в целом повы"

ленно предполагают, что нет изменяемого в ре"

шает способность организма эволюционировать

зультате медицинского вмешательства (потен"

и поэтому приносит выгоду всем членам попу"

циально излечиваемого) общего фактора, ха"

ляции, а не только когорте индивидов более

рактерного для многих различающихся биоло"

старшего возраста. Небольшое число долгожи"

гических механизмов, которые представляют

вущих индивидов должны в большей степени

собой непосредственные причины возникновения

отрицательно влиять на процесс эволюции, чем

многих различных возрастных заболеваний и

можно было бы предположить, исходя из их

состояний, для лечения которых, следователь"

численности [16]. Согласно другим теориям,

но, необходимы различные виды лечения, при"

программированное клеточное старение обычно

вязанные к конкретным заболеваниям, болез"

помогает популяции, предотвращая сильное

ненным состоянием или даже к персональным

увеличение ее размеров, и последующие эпиде"

причинам возникновения заболеваний. Как по"

мии и голод [4].

казано на рис. 1, возрастные заболевания и сос"

Не будет ли индивидуальный краткосрочный

тояния функционально независимы друг от дру"

недостаток (уменьшенная вероятность получения

га. Клеточное старение (per se), следовательно,

потомства) перевешивать любое возможное дол

является неподдающимся лечению состоянием.

БИОХИМИЯ том 84 вып. 12 2019

ЭВОЛЮЦИЯ ПРОГРАММИРОВАННОГО СТАРЕНИЯ

1799

Рис. 1. Механизмы непрограммированного старения.

Рис. 2. Механизмы программированного старения. Общая

Многие различные механизмы репарации с уникальной

программа старения осуществляет контроль различных

видовой эффективностью объясняют резкие различия в

проявлений клеточного старения путем передачи сигналов.

графиках проявления болезни и последующей продолжи"

Определение внешних условий позволяет осуществлять

тельности жизни между сходными видами, имеющими

подгонку генетически предопределенной продолжитель"

одинаковые возрастные заболевания и другие проявления

ности жизни, чтобы приспособиться к локальным или вре"

клеточного старения

менным условиям, которые воздействуют на оптимальную

продолжительность жизни: голод, суровые условия окружа"

ющей среды или изменения среди окружающих хищников

Теории программированного старения пред"

проявления многих, если не большинства

полагают, что клеточное старение является раз"

симптомов старости, что позволяет предполо"

вившейся возрастной биологической функцией,

жить существование общего механизма, ответ"

которая контролируется программными меха"

ственного за планирование проявления возра"

низмами, сходными с теми, которые контроли"

стных симптомов. С возрастом происходит уве"

руют другие связанные со временем функции,

личение или снижение количества различных

такие как достижение репродуктивной зрелос"

гормонов. Поэтому можно предположить, что

ти, брачные сезоны, метаморфоз, спячка и се"

старение является регулируемой функцией, как

зонные изменения состояния организма (рис. 2).

это представлено на рис. 2. Показано, что раз"

Эти функции характеризуются наличием цент"

личные виды стресса (например, ограничение

рализованного или системного механизма, ко"

калорий, физические упражнения) могут уве"

торый определяет время, когда начинать выпол"

личивать продолжительность жизни, что свиде"

нение функции, и который затем контролирует

тельствует в пользу существования сценария

выполнение функции с помощью гормональ"

логического регулирования [25]. Для некото"

ных или нервных сигналов, направленных раз"

рых видов была показана регуляция продолжи"

личным ассоциированным органам и тканям.

тельности жизни с помощью гормонов или да"

Кроме того, для осуществления контроля над

же феромонов [26].

многими такими функциями необходимо иметь

Централизованный (общий) контроль, сис"

способность обнаруживать изменения некото"

темы обнаружения и механизмы передачи сиг"

рых внешних условий (например, сезонность,

нала предполагают наличие многочисленных

световой цикл день-ночь и т.д.). Клеточное ста"

мишеней для действия лекарств, направленных,

рение, подобно описанным выше функциям,

в целом, на замедление клеточного старения

находится под влиянием внешних условий и мо"

или изменение отдельных сторон этого процес"

жет извлекать выгоды от их обнаружения и

са. Такие лекарства могут дополнить уже суще"

приспособления к ним [3]. В частности, потреб"

ствующие и продемонстрировавшие эффектив"

ность в увеличении или уменьшении продолжи"

ность специфичные для заболеваний методы ле"

тельности жизни, определяемой внутренними

чения.

факторами, логически зависит от внешних

стрессовых условий, таких как наличие хищни"

ков, голод, суровые условия окружающей среды

Конфликт интересов. Автор заявляет об отсут"

и перенаселенность [25].

ствии конфликта интересов.

Существует много доказательств, свиде"

Соблюдение этических норм. В настоящей ра"

тельствующих в поддержку такой модели. Нап"

боте отсутствуют какие"либо сведения об экспе"

ример, генетические заболевания человека, та"

риментальных исследованиях, в которых ис"

кие как прогерия Хатчинсона-Гилфорда и

пользованы в качестве объектов люди или жи"

синдром Вернера, одновременно ускоряют

вотные.

БИОХИМИЯ том 84 вып. 12 2019

1800

ГОЛДСМИТ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Skulachev, V. (1997) Aging is a specific biological function

14. Salomon, D. (2010) Handbook of data compression (5th

rather than the result of a disorder in complex living sys"

Edn.), Springer London.

tems: biochemical evidence in support of Weismann’s

15. Darwin, C. (1859) On the Origin of Species, John Murray,

hypothesis, Biochemistry (Moscow), 62, 1191-1195.

London.

Weismann, A. (1882) Über die Dauer des lebens, Fischer,

16. Goldsmith, T.C. (2017) Evolvability, population benefit,

Jena.

and the evolution of programmed aging in mammals,

Goldsmith, T. (2014) The evolution of aging (3rd edition).

Biochemistry (Moscow), 82, 1423-1429.

Azinet Press Annapolis.

17. Williams, G. (1957) Pleiotropy, natural selection and the

Mittledorf, J. (2006) Chaotic population dynamics and the

evolution of senescence, Evolution, 11, 398-411.

evolution of ageing, Evol. Ecol. Res., 8, 561-574.

18. Medawar, P. (1952) An unsolved problem of biology, H.K.

Libertini, G. (1988) An adaptive theory of increasing mor"

Lewis & Co., London.

tality with increasing chronological age in populations in

19. Goldsmith, T. (2013) Arguments against non"programmed

the wild, J. Theor. Biol., 132, 145-162.

aging theories, Biochemistry (Moscow), 78, 971-978,

Hamilton, W. (1963) The evolution of altruistic behavior,

doi: 10.1134/S0006297913090022.

Amer. Naturalist., 97, 354-356.

20. Kirkwood, T. (1977) Evolution of ageing, Nature, 270,

Wynne"Edwards, V. (1962) Animal dispersion in relation

301-304.

to social behaviour, Edinburgh: Oliver & Boyd.

21. De Grey, A.D. (2007) Calorie restriction, post"reproduc"

Zedalis J., and Eggebrecht, J. (eds.) (2018) Biology for AP

tive life span, and programmed aging: a plea for rigor, Ann.

courses, Open Stax Houston.

N. Y. Acad. Sci.,1119, 296-305.

Olshansky, S., Hayflick, L., and Carnes, B. (2002) No truth

22. De Grey, A. (2015) Do we have genes that exist to hasten

to the fountain of youth, Sci. Am., 6, 92-95.

aging? New data, new arguments, but the answer is still no,

10.

Watson, J.D., and Crick, F.H. (1953) Molecular structure

Curr. Aging Sci., 8, 24-33.

of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid,

23. Williams, G. (1971). Group Selection, Aldine"Atherton,

Nature, 171, 737-738.

Chicago.

11.

Crick, F.H., Barnett, L., Brenner, S., and Watts"Tobin, R.J.

24. Travis, J. (2004) The evolution of programmed death in

(1961) General nature of the genetic code for proteins,

a spatially structured population, J. Gerontol., 59A,

Nature, 192, 1227-1232.

301-305.

12.

Proakis, J., and Salehi, M. (2014) Digital Communications

25. Goldsmith, T. (2017) Externally regulated programmed

(5th Edn.), McGraw"Hill Education, ISBN"10:

aging and the effects of population stress on mammal lifes"

9780072957167.

pan, Biochemistry (Moscow), 82, 1430-1434.

13.

Krebs, J., Goldstein, E., and Kilpatrick, S. (2017) Lewin’s

26. Apfeld, J., and Kenyon, C. (1999) Regulation of lifespan

genes XII 12th Edition, Jones & Bartlett Learning

by sensory perception in Caenorhabditis elegans, Nature,

Burlington.

402, 804-809.

DIGITAL GENETICS, VARIATION, EVOLVABILITY,

AND THE EVOLUTION OF PROGRAMMED AGING

Review

Theodore C. Goldsmith

Azinet LLC, Box 239 Crownsville, MD 21032 USA; E mail: tgoldsmith@azinet.com

Received June 7, 2019

Revised September 2, 2019

Accepted September 2, 2019

A major unresolved issue in gerontology concerns the evolutionary nature of senescence: Is aging caused by geneti"

cally programmed evolved mechanisms because limiting individual lifespan increases a population’s ability to survive

and grow? Or is aging non"programmed because aging reduces an individual’s ability to survive and reproduce? There

has been little disagreement with the many proposed population benefits of senescence, but evolution theory as

described by Darwin and currently taught is very individual"oriented, and until recently programmed aging was wide"

ly thought to be theoretically impossible. However, genetics discoveries have exposed issues with traditional theory

that support population driven evolution and programmed aging. In particular, as described in this article, the dis"

covery that biological inheritance involves the transmission of information in digital form between parent and descen"

dant of any organism strongly supports population"oriented evolution concepts and dependent programmed aging

theories. A related issue concerns evolvability. Traditional theory assumes that the ability to evolve (evolvability) and

involving mutations and natural selection is an inherent property of life. Evolvability theories suggest that evolvabili"

ty in complex species is instead mainly itself the result of evolved traits and that such traits can evolve even if individ"

ually adverse. Programmed aging theories based on evolvability suggest that aging evolved because it increases evolv"

ability causing a population benefit. This idea is also strongly supported by the digital nature of inheritance. The pro"

grammed vs. non"programmed issue is critical to medical research because the two concepts suggest very different

biological mechanisms are responsible for aging and most instances of age"related disease.

Keywords: senescence, gerontology, genetics, genomic design, digital systems

БИОХИМИЯ том 84 вып. 12 2019