Книга: Удивительная биология

Стресс… А что, собственно, это такое? Канадский ученый Ганс Селье, который ввел в науку это слово, недавно посетовал: «Сейчас все говорят про стресс. И никто не знает, что это такое. И все понимают под этим разные вещи». Сам Селье называет стрессом неспецифическую защитную реакцию на любое чрезвычайное воздействие. Ключевым в этом определении является слово «неспецифическая».

Вообще говоря, каждое воздействие на организм вызывает строго специфическую защитную реакцию. Когда становится слишком жарко – усиливается потоотделение. В организм попала инфекция – начинается интенсивная наработка строго специфических антител. Нам нагрубили в автобусе – мы реагируем совершенно специфически, соответственно своему темпераменту и воспитанию. Но и первое, и второе, и третье, и любое другое сильное воздействие, кроме специфических ответных реакций, вызывает одну общую, неспецифическую по отношению к провоцирующему фактору реакцию – нам становится плохо. И мы вынуждены проявлять некоторую активность, чтобы нам вновь стало хорошо. Как говорит Селье, «основное условие стресса есть требование активности как таковой».

Как же протекает реакция стресса? Что происходит в организме, когда нам становится плохо?

Оказывается, безотносительно к тому, отчего нам стало плохо, организм в тревожной ситуации выстраивает удивительно стереотипную линию защиты. Выдвигает передовые рубежи обороны, которые должны сдержать натиск противника до той поры, пока не успеют развернуться части специального назначения: силы иммунитета, механизмы терморегуляции и тому подобные системы, свои для каждой конкретной опасности. В данный момент перед организмом стоит одна задача – повысить резистентность (сопротивляемость).

Решается эта тактическая задача следующим образом. В первую очередь сигнал об опасности поступает в специальное образование в основании мозга – гипоталамус. Там начинает усиленно нарабатываться белок кортиколиберин, который, попадая в гипофиз, стимулирует последний к синтезу и выделению адренокортикотропного гормона (АКТГ). Этот гормон в свою очередь достигает с током крови коры надпочечников, где вызывает усиленную наработку и выброс в кровь кортикостероидов – гормонов, играющих важнейшую роль в обеспечении энергетического баланса организма. В то же время в мозговом слое надпочечников начинается интенсивный синтез и выделение другого мобилизующего гормона – адреналина.

В результате всех этих событий резко возрастает энергетический потенциал организма, усиливается сердечная деятельность, подавляются те поведенческие мотивации, которые могут отвлечь, притупить бдительность организма: пропадает аппетит, интерес к противоположному полу и т. п. Все это позволяет продержаться до той поры, пока специальные силы не справятся с возникшей опасностью. К сожалению, это удается не всегда. Или опасность слишком грозная, или силы слишком слабые, или «противник» применил оружие, против которого у данного вида нет средств специальной защиты. В этом случае состояние стресса становится угрозой для жизни. Кортикостероиды разрушают органы, отвечающие за иммунитет, адреналин становится причиной развития язвы желудка… Наступает стадия истощения, за которой встает грозная тень смерти.

Организм погибает не от специфических повреждений, вызванных тем фактором, против которого возникла защитная реакция, а от последствий самой защитной реакции. Причем сплошь и рядом оказывается, что сам-то фактор был не очень серьезным, и реагировать на него так сильно, вплоть до самоуничтожения, не стоило. Вот что обидно.

Наиболее часто такие ситуации возникают в тех условиях, когда организм сталкивается с неизвестным. Гамлет был глубоко прав, сказав в своем знаменитом монологе: «Мириться лучше со знакомым злом, чем бегством к незнакомому стремиться». Все мы, от инфузории до человека, невероятно консервативны. Слова «незнакомое» и «опасное» для нас синонимы.

Поставьте себя на место кистеперой рыбы. Вы выходите на сушу, вступаете в совершенно новый мир. Перед вами открывается прекрасное голубое небо, нежная зелень трав, длинный путь прогресса. Разве вы радуетесь всему этому? Нет, вам плохо и страшно. Вас пугает бездна над головой, тонкие листья травы кажутся вам силуэтами коварных и злобных хищников. Как тоскуете вы по такой родной и знакомой илистой луже, подернутой мутной пленкой тины!

Такие события происходили не раз и не два в долгой и драматической истории жизни на Земле. Как они отражались на самом процессе эволюции, на его скорости, на выборе направлений для дальнейших преобразований? Ведь всегда в таких случаях виды сталкивались с неизвестным, оказывались перед лицом таких опасностей, против которых не было специальных адаптаций, систем специфических защитных реакций – так возникал стресс. Поэтому вопрос, который был поставлен раньше, можно сформулировать и так: как влияет стресс на процесс эволюции?

Здесь мы этот вопрос ставим перед вами. Но он был сформулирован значительно раньше. Первым обратил внимание на стресс как на один из важнейших факторов эволюции российский биолог, академик Дмитрий Константинович Беляев (1917—1985). Анализируя процесс одомашнивания животных, он заметил, что перестройка гормональных регуляторов поведения и всего процесса развития ведет к резкому повышению темпа формообразования. А разве в природе не возникают такие ситуации, когда, чтобы выжить, остается единственное средство – резко изменить поведение, изменить гормональный статус? Конечно же, возникают. И имя таким ситуациям – стресс. Вот тогда-то и был поставлен вопрос: «Как влияет стресс на ход эволюционного процесса?»

Д. К. Беляев поставил этот вопрос перед собой и перед своими сотрудниками. Проблема эта еще далека от разрешения. А вот как она решается, мы и хотим вам рассказать.

Прежде всего, поскольку мы все время говорим о мутантах, подумаем, как стресс может влиять на частоту мутирования. В начале нашего разговора мы проводили параллели между мутированием и… (как бы это сказать) «опечатками». Тогда мы отметили, что в плохих условиях их всегда будет больше, чем в хороших. Если вам нехорошо, опечатки пойдут чаще. Поскольку при стрессе любому организму становится плохо, можно из общих соображений ожидать, что частота мутирования в этих условиях будет больше. Однако если бы мы опирались только на общие соображения, то всю науку можно было бы осуществлять, не вставая с дивана. Нужны факты. Хотя, как сказал один ученый, «была бы теория правильной, а факты, ее подтверждающие, найдутся». Давайте под углом зрения нашей правильной теории рассмотрим те факты, которые накоплены наукой.

Еще в 40-х годах ХХ в. советские генетики Ю. Я. Керкис и М. Е. Лобашов высказали предположение, что любые значительные нарушения внутриклеточного гомеостаза (постоянства внутренней среды) могут провоцировать повышение мутабильности (внезапного и резкого изменения признаков и свойств организма, передающихся по наследству). На основе этой гипотезы Ю. Я. Керкис и его сотрудники в Институте цитологии и генетики СО АН СССР провели ряд экспериментов. Были использованы, в частности, такие сильные средства нарушения гомеостаза, как массированные инъекции гормонов подопытным животным.

Введение одного из них, гидрокортизона, можно рассматривать как искусственное воспроизведение стресса. В этих опытах было показано, что такой «стресс» сильно повышает частоту хромосомных мутаций – различного типа разрывов хромосом. Что особенно важно, выход хромосомных перестроек был в этом случае повышен как в половых клетках, так и в соматических (клетках костного мозга). Хотя дозы гормонов, которые вводили животным, значительно превышали физиологические пределы, есть все основания думать, что того повышения их уровня, которое бывает при стрессе, может быть достаточно для увеличения мутабильности.

В этом нас убеждают результаты, полученные группой исследователей из 2-го Московского медицинского института. Они показали, что даже такой кратковременный и мягкий вид стресса у мышей, как их перемещение на несколько минут в большую белую, ярко освещенную кастрюлю, существенно повышает частоту хромосомных нарушений в клетках костного мозга (половые клетки не исследованы). Особенно интересно, что если мышей предварительно успокаивали, вводя им транквилизаторы, то частота перестроек не увеличивалась. Отсюда следует, что причиной всех неприятностей служит не изменение внешней среды как таковое, а реакция животных на это изменение.

Ленинградские исследователи показали, что запах взрослого самца может так перепугать мышонка, что у него возрастет число хромосомных нарушений в половых клетках. Другим исследователям удалось установить, что аналогичные нарушения в мейозе самцов мышей возникают от переживаний, вызванных длительным лишением свободы передвижения. Что же касается точковых мутаций, то есть таких, которые не связаны с видимыми цитологическими изменениями структуры хромосом, то и для них есть указания на связь между стрессом и мутабильностью.

Десять лет назад из Перу в Кембридж (Великобритания) было привезено несколько мышей. Их стали размножать в виварии. Вскоре обнаружили, что эти мыши имеют мутабильность (тут исследователи соревнуются в сочинении превосходных степеней) исключительную, беспрецедентную… – словом, очень высокую. За несколько поколений в этой линии возникло множество самых разных мутаций по окраске шерсти, по особенностям морфологии. Особо подчеркнем, что речь идет о вновь возникающих мутациях, а не о проявлении рецессивных генов при переходе в гомозиготное состояние. Выдвигались разные гипотезы для объяснения такой беспрецедентной мутабильности перуанских мышей. Вспоминали, например, что несколько лет назад на том месте, где мыши были отловлены, кого-то травили ДДТ. Не от этого ли? Может, и от этого.

Но вот какая особенность перуанских мышей была обнаружена эндокринологами из Глазго (Великобритания). Оказалось, что у них уровень адренокортикотропного гормона (АКТГ) гораздо выше, чем у обычных мышей, такой, какой у них (нормальных) должен быть при стрессе.

Авторы этих работ не усматривают причинной связи между этими двумя особенностями перуанских мышей с высоким уровнем АКТГ и повышенной мутабильностью. Почему? Наверное, потому, что у них нет правильной теории. Но у нас с вами она есть. Почему бы нам не сказать: мутабильность у «перуанцев» такая высокая, потому что у них такой высокий уровень АКТГ. Тем более, что такая связь прослеживается и на других моделях. В штате Мэн, в США, есть Джексоновская лаборатория, которая по праву считается международным центром по разведению и изучению инбредных линий мышей. В этой лаборатории мыши разводятся в поистине астрономических количествах, и всех мутантов, которые возникают в линиях, аккуратно учитывают. Время от времени лаборатория публикует сообщения о том, в какой линии сколько мутаций появилось за отчетный период. На основании этих данных легко выстроить линии по порядку возрастания мутабильности, поскольку уровень мутабильности – такая же стабильная характеристика линии, как, скажем, вес тела.

Некоторые мыши из джексоновских линий поступили в Институт цитологии и генетики в Академгородке. Здесь Н. К. Попова и ее сотрудники всесторонне обследовали их реактивность к самым разным стрессорам: холоду, обездвиживанию, введению АКТГ. Таким образом, у нас есть данные по мутабильности (американские) и стрессируемости (отечественные) одних и тех же линий.

Мы же с вами, вооружившись правильной теорией, кладем рядом эти два списка и невооруженным глазом видим их поразительное сходство – чем выше стрессовость, тем выше мутабильность.

Понятно, что многие из фактов, которые приведены выше, можно рассматривать только как косвенные доказательства мутагенной роли стресса. И тем не менее совокупность этих косвенных (и не только косвенных) улик позволяет предъявить стрессу обвинения в «предумышленном» увеличении мутабильности. Нам не хотелось бы, чтобы вы восприняли слово «предумышленное» как одну из необязательных красивостей. Что имеется в виду? Мутагенный эффект стресса – видимо, не побочное нарушение, не имеющее никакого значения. В контексте наших рассуждений о том, что стресс непременно сопровождает крупные изменения в экологических условиях, это явление – увеличение мутабильности при стрессе – приобретает глубокий эволюционный смысл.

Действительно, среда обитания резко меняется. Старые частные адаптации во многом оказываются бесполезными. На общем адаптационном синдроме (стрессе) долго продержаться невозможно. Единственный выход – создавать новые частные приспособления. Но, как вы знаете, естественный отбор может создать их только в том случае, если ему есть из чего создавать, если присутствует генетическая изменчивость. И чем больше в этой точке эволюции генетической изменчивости, тем больше у вида шансов на успех.

Вот здесь-то резкое повышение мутабильности оказывается как нельзя более кстати. Конечно, стресс не может направленно вызывать те мутации, которые нужны для создания тех или иных адаптаций. Достаточно того, что он просто повышает выход мутаций, нужных и ненужных. А отделить зерна от плевел – это уже задача естественного отбора. Тем более, что при резкой смене условий существования в первую очередь меняются критерии вредности и полезности. Те же мутации, которые в старой среде безусловно отбраковывались, в новой становятся жизненно необходимыми.

Таким образом, мы можем с достаточной долей уверенности утверждать, что стресс, выступая в роли мутагена, может в некоторой степени ускорять эволюционный процесс.

Не нужно, однако, думать, что это ускорение будет слишком существенным. Ведь все дело в том, что, несмотря на общее повышение мутабильности, каждая конкретная мутация продолжает оставаться достаточно редким событием. Кроме того, большинство вновь возникающих мутаций относится к рецессивным. То есть, чтобы отбор «увидел» и оценил вредность или полезность этой мутации, она должна размножиться в гетерозиготном состоянии до предела, при котором встреча двух гетерозигот по этой мутации станет достаточно вероятной. Все это, как вы понимаете, требует времени. И тем большего, чем больше период смены поколений.

Из этого следует, что темп эволюции, по крайней мере у медленно размножающихся животных, определяется не столько частотой мутирования, сколько интенсивностью комбинационного процесса.

Приведем пример эксперимента, проведенного учеными из Петербурга. Взяли самцов мышей, у которых во второй хромосоме находятся два гена – Ragged, контролирующий густоту шерсти, и Agouti, ответственный за окраску, и оценили частоту кроссинговера между этими генами. У самцов, которые жили нормальной мышиной жизнью, частота обменов между этими генами была равна 24 %. У другой группы самцов как раз в тот период, когда должен идти кроссинговер, вызывали стресс, помещая их в «городские» условия. Ночь они проводили в тесных клеточках с плохой звуко– и запахоизоляцией. А весь рабочий день – в клетке, имитирующей ситуацию в переполненном автобусе, который никуда не движется. Надо сказать, что мыши в этой ситуации вели себя вполне по-человечески: очень нервничали, кричали друг на друга, толкались. Ну, да вы знаете, как это бывает, когда битком набитый автобус останавливается. От всех этих переживаний уровень кортикостероидов у них возрастал втрое, а от тимуса (вилочковой железы) за 10 дней оставалась всего одна треть.

После всего этого анализировали частоту кроссинговера. Она возросла и достигла 31 %. То есть стресс вызвал приращение частоты рекомбинаций на 7 % от исходного уровня. Много это или мало? Безусловно, много. А это ведь значит, что интенсивность обменов возросла на четверть. Это уже серьезная прибавка в общий темп рекомбинаци-онного процесса. И все отчего? Подумаешь, немного понервничали. Больно нежные. Мы каждый день так, и, казалось бы, ничего. Ну, не так, чтобы совсем ничего…

Итак, стресс вносит немалую лепту в ускорение процесса наследственных изменений – мутационных и рекомбинационных. Как он взаимодействует с главным творческим фактором эволюции – естественным отбором?

Очевидно, что выраженность стрессорной реакции может служить своеобразной мерой жизнеспособности. Как мы знаем, основная функция стресса – это экстренное и неспецифическое повышение резистентности. Мы знаем также, что длительное или кратковременное, но интенсивное состояние стресса часто ведет к развитию патологических изменений, несовместимых с жизнью. Отсюда следует, что особи как со слабой, так и с чрезмерно сильной реактивностью к стрессорам должны отметаться стабилизующим отбором. Первые – потому что неспособны к быстрому повышению резистентности, вторые – потому что у них защитной реакцией оказывается самоубийство.

Мы знаем, что стресс могут вызывать самые разные воздействия среды, такие как температура, плотность популяции, качество и количество пищи, внутривидовые конфликты, взаимоотношения с хищником. Все эти воздействия, несомненно, проводят естественный отбор по специфическим, характерным только для них признакам. Похолодание губит особей с неустойчивой терморегуляцией, голод – истощенных, хищник – неосторожных или медлительных. Но все эти факторы вызывают стресс и могут поэтому проводить отбор, опосредуясь через систему стресса.

Чарлз Дарвин неоднократно предупреждал, что его термин «борьба за существование» следует понимать в широком, метафорическом смысле слова. Он подчеркивал, что это не только и не столько непосредственное истребление (гибель от холода, голода, в лапах хищника). Основным механизмом естественного отбора Дарвин считал преимущественное размножение хорошо приспособленных особей. Если вам нужно сравнить две особи по приспособленности, вы не должны взвешивать их, определять их термоустойчивость, скорость убегания от хищника. Особь, у которой больше потомков дожило до половозрелого состояния, лучше приспособлена к данным условиям среды.

Дарвин выводил принцип естественного отбора из противоречия между геометрической прогрессией размножения и ограниченностью экологических ресурсов. В стабильных условиях численность популяции ограничивается прежде всего количеством пищи. Однако прямая связь между этими двумя значениями оказывается довольно рискованной для вида. Неограниченное размножение может привести к невосстановимому разрушению биотопа (территории, занятой растительностью и связанными с нею животными). Гораздо перспективнее обратная связь, опосредованная через внутренние регуляторные механизмы, когда процесс размножения лимитируется не экологическими ресурсами, а размером популяции. То есть популяция должна уметь сама себя считать. В тех случаях, когда ее численность превышает критический уровень, она сама должна тормозить размножение. Такой регулирующий механизм у животных – система стресса.

Действительно, на природных и модельных популяциях грызунов было показано, что увеличение плотности популяции вызывает у ее представителей состояние стресса. Увеличивается уровень кортикостероидов, гипертрофируются (чрезмерно увеличиваются) надпочечники, разрушается иммунная система. Все это мгновенно отражается на функции воспроизведения. Снижается половая активность, тормозится работа половых желез. В условиях популяционного стресса резко, в 2-4 раза, повышается эмбриональная смертность. Падает жизнеспособность молодняка.

Казалось бы, это очень плохо. Однако из-за всех этих неприятностей достигается весьма полезный для популяции результат – численность ее приводится в соответствие с экологическими ресурсами. Механизмом приведения оказывается стресс.

Здесь возникает довольно интересная проблема. Не изменится ли генетический состав популяции после того, как с ней поработает стресс? Немецкий ученый Л. Шюлер попытался решить эту проблему экспериментально. Были созданы две модельные популяции мышей, совершенно идентичные по генетическому составу. В этих популяциях были мыши, гомозиготные по ряду генов, а также гетерозиготы – словом, все, как в реальной популяции. Каждый генотип в одной популяции имел точный аналог в другой, и их процентные отношения строго выдерживались. Затем беременные самки из опытной популяции подверглись тому же «коммунальному» стрессу, который использовался при изучении частоты кроссинговера. Контрольные самки жили в обычных условиях.

До этой процедуры генетический состав популяций был идентичен. И если бы не действие стресса, обе популяции в следующем поколении остались бы одинаковыми. Стресс же привел к резкому изменению генетической структуры подопытной популяции.

Во-первых, после естественного отбора, проведенного стрессом, в ней резко упала доля генотипов с повышенной стрессорной реактивностью.

Во-вторых, сильно возросла доля гетерозиготных особей. Гетерозиготы, которые содержали аллели как от стрессоустойчивых, так и от реактивных генотипов, даже лучше сопротивлялись стрессу, чем стрессоустойчивые гомозиготы. Благодаря такому своеобразному гетерозису в популяции сохранился большой запас генетической изменчивости, который затем может оказаться полезным при изменении векторов отбора.

Еще одну важную особенность можно увидеть, сравнивая значения приспособленностей (в дарвиновском широком метафорическом смысле) разных генотипов в норме и при стрессе. Оказывается, что они очень сильно отличаются. Например, генотипы А и В  в норме занимают, соответственно, 1-е и 5-е места по приспособленности, то есть генотип А  размножается интенсивнее и, следовательно, вносит больше своих аллелей в генный котел следующего поколения, чем генотип В . После возникновения нового отбирающего фактора – стресса ранги меняются: В  выходит на 1-е место, а А уходит на 5-е, и его вклад в генофонд следующего поколения резко падает. Когда же восстанавливаются нормальные условия, генотип А опять выходит вперед.

Итак, был обнаружен механизм, благодаря которому популяция оказывается адаптированной к широкому спектру колебаний внешних условий: повышение гетерозиготности при стрессе (которое обеспечивает поколение запасом изменчивости) и смена рангов приспособленности, обеспечивающие быстрое установление оптимального генофонда.

Таким образом, стресс можно рассматривать как мощный механизм естественного отбора. Естественный отбор, как мы знаем, – главный творческий фактор эволюции, основной двигатель органического процесса. Поэтому мы можем сказать: стресс – двигатель прогресса.

По-видимому, и наш собственный прогресс во многом обусловлен стрессом. Наше возвышение над животным миром произошло при самом непосредственном его участии. Вспомните, какова была ситуация в самом начале этого пути. Наши предки жили в верхнем ярусе тропического леса и почти не имели врагов. Но вот леса стали уступать место саванне, и предки столкнулись с многообразными опасностями, с множеством таких факторов, к которым не было специфических адаптаций. Постоянные стрессы в таких условиях были нормой со всеми вытекающими последствиями для эволюции.

Наши предки пошли по пути создания неспецифического приспособления – интеллекта. Но это приспособление, пожалуй, только усилило давление стресса. Судите сами. Животное подвергается стрессу только при непосредственной опасности – той, которая есть сейчас, здесь. У животного нет понятия о будущем. Но у человека-то оно есть. К сиюминутным стрессорам прибавляются стрессоры грядущие, предвидимые. К природным стрессорам человечество прибавило еще один – слово. Стресс был непременным спутником развития человечества.

Итак, главный вывод из этой главы: стресс – двигатель прогресса. Вспомните об этом, когда вам нагрубят в автобусе.