Brudny beż z szarobrązowymi plamami przypominającymi plamę, Ming małża nie był zbyt dobry patrzeć na. Przynajmniej otrzymał nazwę, która jest więcej niż można powiedzieć o większości mięczaków. Szacowany na 507 lat, kiedy naukowcy wyrwali go z islandzkiego dna morskiego (i zabili) w 2006 roku, quahog oceaniczny był najstarszym znanym zwierzęciem, jakie kiedykolwiek żyło.
W sierpniu 2016 roku naukowcy oszacowali, że długa na metr samica rekina grenlandzkiego żyła przez 392 lata, co czyni ją najdłużej żyjącym kręgowcem. Rekord długości życia ssaków należy do wieloryba wieloryba, który, jak się uważa, osiągnął wielki wiek 211 lat.
Być może to dlatego, że ludzie stali się tak dominujący pod innymi względami, że fascynują nas gatunki, które nas przeżyły. Dla biologów przykłady ekstremalnej długowieczności rodzą fundamentalne pytania o to, dlaczego organizmy się starzeją i umierają. A biorąc pod uwagę, że tak jest, dlaczego osobniki niektórych gatunków mogą żyć setki lat, podczas gdy inne mają miesiące, tygodnie lub nawet dni?
Ludzie są stosunkowo długowieczni. Niektórzy badacze mają nadzieję, że zdobycie większej wiedzy o tym, co napędza długowieczność w królestwie zwierząt, daje szansę nie tylko lepszego zrozumienia tych gatunków, ale także naszego własnego. Inni idą dalej, wierząc, że jest to klucz do dłuższego i zdrowszego życia ludzkiego.
Odkrycie niezwykłego wieku Ming w 2013 roku doprowadziło do natychmiastowych spekulacji, że sekret jego długiego życia tkwi w bardzo niskiej zawartości tlenu
Rzeczywiście, jednym z najbardziej zakorzenionych poglądów na temat długości życia zwierząt jest to, że jest ściśle powiązany z tempem metabolizmu – lub szybkością reakcji chemicznych, które rozkładają żywność na energię i wytwarzają związki potrzebne komórkom . Pogląd, że zwierzęta ulegają kumulacji szkód i umierają szybciej, gdy pracują ciężej, jak maszyny pracujące na pełnych obrotach, prawdopodobnie pochodzi z czasów rewolucji przemysłowej.
Dlaczego można osobniki niektórych gatunków żyją setki lat, podczas gdy inne mają miesiące, tygodnie lub nawet dni?
Na początku XX wieku niemiecki fizjolog Max Rubner porównał wskaźniki metabolizmu energetycznego i długość życia świnek morskich, kotów, psów, krów, koni i ludzi. Odkrył, że l zwierzęta rasy Arger miały niższe tempo metabolizmu na gram tkanki i żyły dłużej, co doprowadziło go do wniosku, że zużywanie energii szybsze skrócenie życia.
Amerykański biolog Raymond Pearl rozwinął ten pomysł po swoich badaniach nad skutkami głód, zmiany temperatury i dziedziczność na długość życia muszek owocowych i sadzonek melona kantalupa. „Ogólnie rzecz biorąc, długość życia zmienia się odwrotnie proporcjonalnie do tempa wydatkowania energii w życiu” – napisał w swojej książce The Rate of Living z 1928 roku.
W 1954 roku Denham Harman z University of California w Berkeley, zapewnił mechanizm wspierający to, co stało się znane jako teoria wskaźnika życia. Zaproponował, że starzenie się jest wynikiem nagromadzenia uszkodzeń spowodowanych w komórkach przez wolne rodniki. Są to wysoce reaktywne cząsteczki, powstające podczas metabolizmu, które mogą uszkadzać maszynerię komórkową poprzez kradzież elektronów.
Jednakże, chociaż prawdą jest, że większe gatunki ssaków mają wolniejsze tempo metabolizmu i żyją dłużej, teoria szybkości życia ma w dużej mierze zostały porzucone. Po pierwsze, naukowcy wskazali, że wiele ptaków i nietoperzy żyje znacznie dłużej niż powinny ze względu na tempo ich metabolizmu. Torbacze mają krótszą żywotność niż ssaki łożyskowe, pomimo niższego tempa metabolizmu.
John Speakman z University of Aberdeen w Wielkiej Brytanii jest jednym z tych, którzy podkreślili, że tylko dlatego, że zwierzęta o wolniejszym tempie metabolizmu mają dłuższe życie, nie nie oznacza, że to pierwsze powoduje drugie.
„Wszystkie dowody, które zostały użyte na poparcie teorii tempa życia, mają w sobie fundamentalną wadę” – mówi Speakman. „To znaczy, że pochodzi z badań, w których porównano zwierzęta o różnej wielkości ciała”.
W przypadku ssaków, po wyeliminowaniu wpływu wielkości ciała, „te z wyższym tempem metabolizmu, które żyją dłużej
W 2005 roku Speakman zastosował sprytną sztuczkę statystyczną, aby usunąć wpływ masy ciała z równania, w badanie danych dla 239 gatunków ssaków i 164 gatunków ptaków. W przypadku każdego zwierzęcia o wyższym niż oczekiwano tempie metabolizmu dla jego wielkości ciała, zbadał, czy ma ono odpowiednio krótszą niż oczekiwano długość życia w stosunku do wielkości ciała, i na odwrót. „Zarówno w przypadku ssaków, jak i ptaków, po usunięciu masy ciała, związek między tempem metabolizmu a długością życia wynosił zero” – mówi Speakman.
Jednak te obliczenia, podobnie jak poprzednie prace potwierdzające wskaźnik Living Teoria, wykorzystała spoczynkowe tempo metabolizmu zwierząt, kiedy nie trawią one pożywienia ani nie regulują temperatury ciała.Naukowcy tradycyjnie stosowali te współczynniki po prostu dlatego, że dostępnych jest więcej danych dotyczących zwierząt w tym stanie. Jednak wiele zwierząt spędza tylko mniejszość czasu przy spoczynkowym tempie metabolizmu, a proporcja czasu spędzanego przy tym przez różne gatunki jest bardzo różna.
Aby obejść ten problem, Speakman porównał dzienne zużycie energii i maksymalna długość życia 48 gatunków ssaków i 44 gatunków ptaków, dla których mógł znaleźć dane dla obu, a następnie użył tego samego narzędzia statystycznego, którego użył w większym badaniu, aby usunąć wpływ rozmiaru ciała.
„Okazuje się, że istnieje związek, ale jest on przeciwieństwem tego, co przewidujesz na podstawie teorii tempa życia” – mówi Speakman. „W przypadku ssaków, gdy wyeliminujesz wpływ rozmiaru ciała, są to te o większej tempo metabolizmu, które żyje dłużej ”. Wyniki dla ptaków nie osiągnęły istotności statystycznej.
W rzeczywistości idea, że im więcej tlenu zużywa zwierzę, tym większa produkcja wolnych rodników powodujących uszkodzenia, a zatem szybsze starzenie się, jest teraz przestarzały. Dzieje się tak dzięki bardziej szczegółowym badaniom mitochondriów, czyli części komórek, które wytwarzają energię.
Kiedy mitochondria rozkładają substancje chemiczne zawarte w pożywieniu, protony są przepychane przez ich wewnętrzne błony, tworząc w nich różnicę w potencjale elektrycznym. Kiedy protony są uwalniane z powrotem przez błonę, ta różnica potencjałów jest wykorzystywana do tworzenia trifosforanu adenozyny (ATP), cząsteczki magazynującej energię.
Pierwotnie sądzono, że produkcja wolnych rodników jest wysoka, gdy różnica elektryczna w poprzek błony mitochondriów był wysoki – co oznacza, że im wyższy wskaźnik metabolizmu, tym większa produkcja wysoce reaktywnych cząsteczek, które powodują uszkodzenie i starzenie się komórek.
Mniejsze zwierzęta mają więcej drapieżników i muszą rosnąć szybciej, a także rozmnażać się wcześniej
W rzeczywistości ten model nie bierze pod uwagę obecności „rozprzęgania białka „w wewnętrznej błonie mitochondriów. Dzięki funkcjom obejmującym wytwarzanie ciepła, te białka rozprzęgające wyzwalają przepływ protonów przez błonę, aby zmniejszyć potencjalną różnicę w niej, gdy jest wysoka.
„Tradycyjna koncepcja, że wraz ze wzrostem metabolizmu procent tlenu, który zużywasz, wyłączy się, aby wytworzyć wolne rodniki, co jest zasadniczo sprzeczne z tym, co wiemy o działaniu mitochondriów ”- mówi Speakman. „Jeśli już, spodziewalibyśmy się, że wraz ze wzrostem metabolizmu i rozprzęganiem … zniszczenie wolnych rodników zmniejszyło się.”
Ponieważ niższa produkcja wolnych rodników wiąże się z dłuższą żywotnością, nazwano to „rozłączeniem do przetrwać ”. Kiedy Speakman testował to w 2004 roku, odkrył, że myszy w górnym kwartylu pod względem intensywności metabolicznej zużywały więcej tlenu i żyły o 36% dłużej niż myszy w dolnym kwartylu – wspierając koncepcję odłączenia, aby przeżyć.
Bardziej prosty wyznacznikiem długości życia gatunków zwierząt jest ich wielkość. W badaniu opublikowanym w 2007 roku João Pedro Magalhães z University of Liverpool w Wielkiej Brytanii wykreślił masę ciała w odniesieniu do maksymalnej znanej długości życia ponad 1400 gatunków ssaków, ptaków, płazów i gadów.
W tych czterech Magalhães odkrył, że 63% różnic w długości życia było spowodowane masą ciała. Tylko w przypadku ssaków było to 66%. Nietoperze są czymś odstającym, ponieważ żyją znacznie dłużej niż powinny ze względu na swój rozmiar, więc przepracował ponownie obliczenia bez nich i tym razem odkrył, że masa ciała wyjaśnia 76% zmienności długości życia ssaków. Związek dla ptaków wynosił 70%, a dla gadów 59%. Nie było korelacji dla płazów.
Magalhães i inni, którzy badali wpływ wielkości na długość życia zwierząt, twierdzą, że sprowadza się to do połączonych czynników ewolucyjnych i ekologicznych.
„Rozmiar ciała jest wyznacznikiem możliwości ekologicznych ”- mówi Magalhães. „Mniejsze zwierzęta mają więcej drapieżników i muszą rosnąć szybciej, a także rozmnażać się wcześniej, jeśli chcą przekazać swoje geny. Większe zwierzęta, takie jak słonie i wieloryby, są rzadziej zjadane przez drapieżniki i brak im presji ewolucyjnej dojrzeć i rozmnażać się w młodym wieku. „
Wyspowe oposy żyły średnio o cztery i pół miesiąca, czyli o 23% dłużej niż ich kuzyni z kontynentu
Jeśli rozmiar ciała wpływa na długość życia poprzez prawdopodobieństwo, że zostaną zjedzone, oznacza to, że różne populacje tego samego gatunku mogą żyć dłużej lub krócej w w różnych środowiskach.
Steven Austad, dziennikarz, który stał się pogromcą lwów i biologiem, postanowił przetestować ten pomysł w badaniu dorosłych samic oposów pod koniec lat 80. Złapał i przymocował obroże radiowe do 34 na wyspie Sapelo w stanie Georgia w USA i do kolejnych 37 na kontynencie w pobliżu Aitken w Karolinie Południowej w USA.Na drugą populację polują dzikie psy i ryś rudy (Lynx rufus), podczas gdy populacja na wyspie nie. Wyspowe oposy są ogólnie pod mniejszą presją ze strony drapieżników i są izolowane genetycznie.
Austad odkrył, że oposy wyspowe żyły średnio cztery i pół miesiąca, czyli 23% dłużej niż ich kuzyni z kontynentu. Miały też znacznie mniejsze mioty, zaczęły się rozmnażać nieco później i mogły się rozmnażać dłużej. Testy wykazały, że kolagen we włóknach ścięgien ogona starzeje się szybciej w oposach na kontynencie.
Austad rozważał możliwy wpływ zmian klimatu, patogenów i diety, ale doszedł do wniosku, że dłuższe życie populacji wyspy najprawdopodobniej spadło na zmiany genetyczne wynikające z różnych presji selekcyjnych.
Istnieją inne czynniki, które na pierwszy rzut oka mogą wydawać się mieć wpływ na długość życia gatunku, ale w rzeczywistości okazują się jedynie funkcją wielkości ciała i możliwości ekologicznych . Na przykład wykazano, że rozmiar mózgu koreluje z maksymalną długością życia gatunków, zwłaszcza u naczelnych, podobnie jak wielkość gałek ocznych. „Jeśli masz coś, co zmienia się wraz z rozmiarem ciała, będzie to wyglądać tak, jakby było to związane z długością życia, po prostu dlatego, że istnieje związek między wielkością ciała a długością życia” – mówi Speakman.
Chociaż dominuje konsensus naukowy co do znaczenia wielkości ciała dla długości życia poprzez prawdopodobieństwo zabicia przez inne zwierzęta nadal pozostawia istotne pytania bez odpowiedzi.
„To zależy od poziomu, na jakim zadajesz pytanie” – mówi Speakman. „Ewolucyjne wyjaśnienie ma związek z zewnętrznym ryzykiem śmiertelności. Powstaje zatem pytanie, jakie są rzeczywiste mechanizmy chroniące organizm?”
Mutacja w Wiadomo, że gen zwany daf-2 pozwala nicieniom żyć dwukrotnie, ale wciąż zdrowo
W poszukiwaniu odpowiedzi na to pytanie Austad zwrócił się w badania opublikowane w 2010 r., dotyczące grupy długowiecznych zwierząt, które nazwał zoo Methusaleha, po tym, jak biblijny patriarcha żył przez 969 lat. Austad argumentował, że niskie temperatury środowiska, w których żyją posiadacze rekordów długowieczności, takich jak małża Ming, Rekiny grenlandzkie i wieloryby grenlandzkie to nie przypadek.
„Większość zwierząt, które żyją wyjątkowo długo, ma niską temperaturę ciała lub żyje w środowisku o niskiej temperaturze” – mówi. Austad zwraca uwagę na ten kluczowy czynnik fizyczny procesy takie jak produkcja reaktywnych form tlenu, naprawa DNA i transkrypcja genów są wolniejsze na zimno.
Zainteresowany procesami, które mogą wpłynąć na wydłużenie ludzkiego życia, Austad zwrócił również szczególną uwagę na nagie kretoszczury i małe brunatne nietoperze, dwa ssaki, które przeżywają ludzi w stosunku do masy ciała. Doszedł do wniosku, że akumulacja uszkodzeń komórek w wyniku produkcji wolnych rodników odgrywa rolę w procesie starzenia, ale w wielu przypadkach jest ona stosunkowo niewielka, a jej znaczenie różni się w zależności od gatunku.
Rozwój szybkich i tanich technologii sekwencjonowania DNA w ostatnich latach dostarczył naukowcom ważnych wskazówek dotyczących roli genów w regulowaniu długowieczności u różnych gatunków. Na przykład wiadomo, że mutacja w genie zwanym daf-2 umożliwia nicieniom życie podwojone, ale wciąż zdrowe. Myszy karłowate ze zmutowanymi wersjami genów, które osłabiają produkcję hormonu wzrostu, prolaktyny i hormonu stymulującego tarczycę, żyją około 40% dłużej niż zwierzęta kontrolne.
W badaniu opublikowanym w 2013 roku Magalhães i jego kolega Yang Li porównał genomy par podobnych ssaków zarówno o znacząco różnej maksymalnej długości życia, jak i podobnej długości życia. Odkryli, że geny zaangażowane w odpowiedź na uszkodzenie DNA i recykling białek przez komórki ewoluowały szybciej u gatunków dłużej żyjących.
Co wyjaśnia zaskakująco niskie wskaźniki zachorowań na raka u dużych, długowiecznych zwierząt, takich jak słonie i wieloryby?
W 2015 r. przewodził grupie, która sekwencjonowała genom wieloryba wieloryba, ujawniając specyficzne gatunkowo mutacje w genach związanych z odpowiedzią na uszkodzenie DNA , regulacja cykli komórkowych i kontrola raka.
„Nie wiemy na pewno, że są to białka zaangażowane w różnice gatunkowe w procesie starzenia, ale te badania dostarczają wskazówek, które możemy kontynuować Testuj dalej ”- mówi Magalhães. Obecnie jest zaangażowany w międzynarodową współpracę dotyczącą sekwencjonowania małpy kapucynki, która może żyć ponad 50 lat, pomimo jej stosunkowo niewielkich rozmiarów.
Magalhães i inni zbierający tę rosnącą Baza danych genetycznych determinantów długowieczności dostrzega wzór w zwiększonych możliwościach naprawy DNA długowiecznych zwierząt.Na przykład sekwencjonowanie rozwiązało biologiczną zagadkę, która intryguje naukowców od lat 70-tych; co wyjaśnia zaskakująco niski wskaźnik zachorowań na raka u dużych, długowiecznych zwierząt, takich jak słonie i wieloryby?
W 2015 roku zespół kierowany przez Joshuę Schiffmana z Uniwersytetu w Utah obliczył, że mniej niż 5% przypadków słonie trzymane w niewoli umierają na raka, w porównaniu do śmiertelności z powodu raka wynoszącej 11–25% u ludzi. Kiedy przyjrzeli się danym z badań sekwencjonowania, odkryli, że słoń afrykański ma 40 kopii genu kodującego p53 – białko, które odgrywa kluczową rolę przeciwnowotworową, albo przez zapobieganie podziałom komórek z uszkodzonym DNA, dopóki nie zostaną wykonane naprawy, lub skłonienie ich do popełnienia samobójstwa. Słonie azjatyckie mają od 30 do 40 kopii. Zarówno ludzie, jak i góraleczka skalna, „najbliższy żyjący krewny słoni”, mają tylko dwie kopie genu.
Dalsze testy wykazały, że słonie nie radzą sobie lepiej z naprawianiem uszkodzonego DNA. Schiffman doszedł do wniosku, że ich wzmocniona odporność na raka sprowadza się do lepsze zabijanie komórek, które mogą stać się rakowe, zanim zaczną tworzyć guzy.
Długowieczność jest częścią tego, co czyni nas ludźmi, ale nie rozumiemy, dlaczego mamy taką zdolność
„Moja hipoteza jest taka, że” to nie zdolność naprawy DNA jako taka jest inna, a raczej to ” to sposób, w jaki komórki reagują na uszkodzenia DNA ”- mówi Magalhães. „Taka sama ilość uszkodzeń DNA zabije komórkę słonia lub zatrzyma jej proliferację, ale niekoniecznie komórki myszy.”
„Marnowanie cennej energii przez krótkotrwałe zwierzęta nie miałoby większego sensu ewolucyjnego broniąc się przed chorobami, które rozwijają się przez wiele lat ”- mówi Austad. „Byłoby to jak postawienie twarzy za tysiąc dolarów na tanim zegarku”.
Naukowcy wykorzystujący biologię porównawczą do zrozumienia procesu starzenia mają teraz dostęp do genomów dziesiątek ssaków. Gdy liczba ta wzrośnie do setek, będą w stanie lepiej zidentyfikować genetyczne wskazówki dla czynników wpływających na długowieczność.
„Długowieczność jest częścią tego, co czyni nas ludźmi, ale nie rozumiemy, dlaczego mamy tę zdolność ”, mówi Magalhães.„ Sekwencjonowanie większej liczby gatunków pomoże nam to odkryć i odpowiedzieć na wiele innych fascynujących pytań. ”
Magalhães uważa również, że lepsze zrozumienie tego, jak długowieczne gatunki zwalczają choroby, może pomóc ludziom przedłużyć nasze i tak już hojne życie. „Czy możemy nauczyć się lekcji od nagich szczurów i wielorybów wielorybów, które pomogą nam na przykład oprzeć się rakowi?” – mówi. „Myślę, że możemy. Ale wciąż jest dużo do zrobienia.