Комменсальные бактерии были ключевыми факторами формирования ранних человеческих популяций

Используя математическое моделирование, исследователи из Нью-Йоркского и Вандербильтского университетов показали, что комменсальные бактерии, вызывающие проблемы в позднем возрасте, скорее всего, играли ключевую роль в стабилизации ранних человеческих популяций. Результаты, опубликованные в онлайн-журнале с открытым доступом mBio Американского общества микробиологии, дают объяснение, почему люди совместно эволюционировали с микробами, способными вызывать или способствовать раку, воспалению и дегенеративным заболеваниям старения.

Работа возникла из фундаментального биологического вопроса о сенесценции, или старении после репродуктивного возраста. «У природы есть центральная проблема — у неё должен быть способ удалять старых особей, будь то рыбы, деревья или люди», — говорит микробиолог Мартин Блейзер. Ресурсы всегда ограничены, и молодые особи в конечном итоге конкурируют со старыми.

У большинства видов особи умирают вскоре после репродуктивной фазы. Но люди уникальны — у нас очень длинная фаза сенесценции. Блейзер начал рассматривать проблему с точки зрения симбиотического микроба и выдвинул гипотезу: «Великие симбионты поддерживают нас в живых, пока мы молоды, а после репродуктивного возраста они начинают убивать нас». Они являются частью биологических часов старения.

Другими словами, он предположил, что эволюция отбирала микробов, которые поддерживают здоровье всего сообщества хозяев, даже ценой здоровья отдельного хозяина.

Моделирование динамики ранних человеческих популяций могло показать, верен ли его путь. Блейзер совместно с математиком Гленном Уэббом определил математическую модель ранней человеческой популяции, придав ей характеристики, схожие с периодом 500–100 000 лет назад, когда человеческая популяция состояла из редких, изолированных сообществ.

Уэбб разработал нелинейное дифференциальное уравнение для описания задействованных переменных, скорости их изменения во времени и взаимосвязи между этими скоростями. «Оно может выявить что-то неочевидное, потому что распутывает взаимосвязи, меняющиеся во времени», — объясняет Уэбб, даже при одновременном изменении многих переменных, таких как зависящие от возраста коэффициенты рождаемости и смертности.

Используя эту базовую модель, команда могла менять условия, чтобы увидеть, что происходит с динамикой популяции. Например, они увеличили коэффициент рождаемости примерно с шести детей на самку до дюжины, предположив, что это один из способов преодоления бремени сенесценции за счёт увеличения числа молодых особей. Вместо этого они с удивлением обнаружили, что это создавало сильные колебания общей численности популяции с течением времени — нестабильный сценарий.

«Можно представить, если что-то плохое случится в период спада, например, засуха, то популяция рухнет или может исчезнуть», — говорит Блейзер. Со временем повышенная рождаемость усиливает давление, которое большее количество пожилых людей оказывает на молодых из-за ограниченных ресурсов. Аналогично, когда в модель ввели параметры, значительно повышающие смертность от микробной инфекции, подобной Shigella (которая в основном убивает детей), популяция упала до нуля.

Затем они установили постоянный низкий уровень смертности среди молодых особей, а риск смерти в сенесцентном возрасте увеличивался с каждым годом — условие, имитирующее определённые симбиотические бактерии, такие как Helicobacter pylori, которые могут становиться вредными в старости. Эта модель продемонстрировала стабильное равновесие популяции.

«Предпочтительно устраняя старых особей, вы получаете устойчивую популяцию, и это то, что делает Природа», — говорит Блейзер. Теперь же наследие совместной эволюции с такими микробами стало бременем по мере увеличения продолжительности жизни, поскольку некоторые из этих микробов способствуют воспалительным и дегенеративным заболеваниям. Осознание того, что наши собственные некогда полезные микробы могут быть агентами смертности в позднем возрасте, может привести к лучшей профилактике или лечению болезней старения.