Нет человека,который не задумывался бы остарости, о смерти. Это вечная темадля размышлений и лучших умовчеловечества, и самых обычныхлюдей. Ученые пытаются найтиуниверсальные причины механизмастарения, нащупать пути управленияэтими процессами. Многие вопросытак и остаются открытыми, нанекоторые из них нашелся ответсовсем недавно.

Докторбиологических наук В. ГУСЕВ.

...Уж если медь,гранит, земля и море
Не устоят, когда придетим срок,
Как может уцелеть, сосмертью споря,
Краса твоя —беспомощный цветок?

В. Шекспир.

Старение— уступка энтропии?

Изредка встречаютсялюди, к которым неприменимы обычныезаконы и правила — они могутобходиться без сна, не заражаютсяопасными инфекциями во время самыхстрашных эпидемий. Однако нетчеловека, который неподвластенстарению. Все живое стареет,разрушается и погибает. И даженеживая природа: здания, камни,мосты и дороги — тоже постепенноветшают и приходят в негодность.Очевидно, что старение — это некийобязательный процесс, общий дляживой и неживой природы.

Немецкий физик Р.Клаузис в 1865 году впервые пролилсвет на глубинные причины этогоявления. Он постулировал, что вприроде все процессы протекаютасимметрично, однонаправ ленно.Разрушение происходит само собой, асозидание требует затраты энергии.За счет этого в мире постояннопроисходит нарастание энтропии —обесценивание энергии и увеличениехаоса. Этот фундаментальный законестествознания называется такжевторым началом термодинамики.Согласно ему, для создания исуществования любой структурынеобходим приток энергии извне,поскольку сама по себе энергияимеет тенденцию рассеиваться впространстве (этот процесс болеевероятен, чем созданиеупорядоченных структур). Живыеорганизмы относятся к открытымтермодинамическим системам:растения поглощают солнечнуюэнергию и преобразуют ее ворганические и неорганическиесоединения, животные организмыразлагают эти соединения и такимобразом обеспечивают себяэнергией. При этом живые существанаходятся в термодинамическомравновесии с окружающей средой,постепенно отдают или рассеиваютэнергию, поставляя энтропию вмировое пространство.

Оказалось, однако, чтосуществование живых организмов неполностью исчерпывается вторымначалом термодинамики.Закономерности их развитияобъясняет третий законтермодинамики, обоснованныйвыдающимся бельгийским ученым И.Пригожиным, выходцем из России:избыток свободной энергии,поглощенный открытой системой,может приводить к самоусложнениюсистемы. Существует определенныйуровень сложности, находясь нижекоторого система не можетвоспроизводить себе подобных.

Живые организмыв каком-то смысле противостоятнарастанию энтропии и хаоса воВселенной, образуя все болеесложные структуры и накапливаяинформацию. Этот процесспротивоположен процессу старения.Такая борьба с энтропией возможна,по-видимому, благодарясуществованию неустаревающейгенетической программы, котораямногократно переписыва ется ипередается следующим поколениям.Живой организм можно сравнить скнигой, которая постояннопереиздается. Бумага, на которойнаписана книга, может износиться иистлеть, но содержание ее вечно.

Бессмертныебактерии

Когда мы говорили о том,что все живое подвержено старению,то допустили неточность: естьситуации, к которым это правилонеприменимо. Например, чтопроисходит, когда живая клетка илибактерия в процессе размноженияделится пополам? Она дает началодвум другим клеткам, которые в своюочередь снова делятся, и так добесконечности. Клетка, давшаяначало всем остальным, не успеласостариться, фактически онаосталась бессмертной. Вопрос остарении у одноклеточныхорганизмов и непрерывно делящихсяклеток, например половых илиопухолевых, остается открытым. А.Вейсман в конце ХIХ века создалтеорию, которая постулировалабессмертие бактерий и отсутствие уних старения. многие ученыесогласны с ней и сегодня, другие жеподвергают ее сомнению.Доказательств хватает у тех идругих.

А как обстоит дело смногоклеточными организмами? Ведьу них большая часть клеток не можетпостоянно делиться, они должнывыполнять какие-то другие задачи —обеспечивать движение, питание,регуляцию внутренних процессов.Это противоречие междунеобходимостью специализацииклеток и сохранением их бессмертияприрода разрешила путем разделенияклеток на два типа. Соматическиеклетки поддерживают жизненныепроцессы в организме, а половыеклетки делятся, обеспечиваяпродолжение рода. Соматическиеклетки стареют и умирают, половыеже практически вечны.Существование огромных и сложныхмногоклеточных организмов,содержащих триллионы соматическихклеток, в сущности направлено ктому, чтобы обеспечить бессмертиеполовых клеток.

Как же происходитстарение соматических клеток?Американский исследователь Л.Хейфлик установил, что существуютмеханизмы, ограничивающие числоделений: в среднем каждаясоматическая клетка способна неболее чем на 50 делений, а затемстареет и погибает. Постепенноестарение целого организмаобусловлено тем, что все егосоматические клетки исчерпалиотпущенное на их долю числоделений. После этого клеткистареют, разрушаются и погибают.

Еслисоматические клетки нарушают этотзакон, они делятся непрерывно,многократно воспроизводя своиновые копии. Ни к чему хорошему этоне приводит — ведь именно такпоявляется в организме опухоль.Клетки становятся “бессмертными”,но это мнимое бессмертие в конечномсчете покупается ценой гибеливсего организма.

От мышидо слона

Проблема старениянапрямую связана с вопросом оразной продолжительности жизни уразных организмов. Немецкийфизиолог М. Рубнер в 1908 году первымобратил внимание ученых на то, чтокрупные млекопитающие живутдольше, чем мелкие. Например, мышьживет 3,5 года, собака — 20 лет, лошадь— 46, слон — 7 Рубнер объяснил эторазной интенсивностью обменавеществ.

Суммарная затратаэнергии у разных млекопитающих втечение жизни примерно одинакова —200 ккал на 1 грамм массы. По мнениюРубнера, каждый вид способенпереработать лишь определенноеколичество энергии — исчерпав ее,он погибает. Интенсивность обменавеществ и общее потреблениекислорода зависят от размеровживотного и площади поверхноститела. Масса возрастает пропорционально линейным размерам тела,взятым в кубе, а площадь — вквадрате. Слону для поддержаниясвоей температуры тела необходимогораздо меньше энергии, чем такомуже по весу количеству мышей — общаяповерхность тела всех этих мышейбудет значительно больше, чем услона. Поэтому слон может себе“позволить” гораздо более низкийуровень обмена веществ, чем мышь.Этот высокий расход энергии у мышии приводит к тому, что она быстрееисчерпывает отведенные на ее долюэнергетические запасы, чем слон, исрок ее жизни намного короче.

Таким образом,существует обратная зависимостьмежду интенсивностью обменавеществ у животного ипродолжительностью его жизни.Малая масса тела и высокий обменвеществ обусловливают небольшуюпродолжительность жизни. Этазакономерность была названаэнергетическим правиломповерхности Рубнера.

Несмотря наубедительную простоту открытогоРубнером правила, многие ученые несогласились с ним. Они усомнились втом, что правило объясняет причиныстарения всех живых организмов —из него существует немалоисключений. Например, человек неподчиняется этому закону:суммарная затрата энергии у негоочень высокая, а продолжительностьжизни в четыре раза больше, чемдолжна бы быть при таком обмене. Счем же это связано? Причина сталаясна лишь совсем недавно.

Скислородом нужно обращатьсяосторожно

Есть еще один фактор,определяющий продолжительностьжизни, — это парциальное давлениекислорода. Концентрация кислородав воздухе составляет 20,8 процента.Уменьшение или увеличение этойцифры возможно только в узкихрамках, иначе живые организмыпогибают. То, что нехваткакислорода губительна для живого,хорошо известно. А вот об опасностиего избытка осведомлены немногие.Чистый кислород убиваетлабораторных животных в течениенескольких дней, а при давлении 2—5атмосфер этот срок сокращается дочасов и минут. Так что этот газ нетолько необходим для жизни, онможет быть и страшнымуниверсальным ядом, убивающим всеживое. Многие ученые считают, чтоатмосфера Земли в ранний период ееразвития не содержала кислорода, иименно это обстоятельствоспособствовало возникновениюжизни на нашей планете. Поприблизительным оценкамспециалистов, насыщеннаякислородом атмосфера Землиобразовалась около 1,4 миллиарда летназад в результатежизнедеятельности примитивныхорганизмов, способных кфотосинтезу. Они поглощалисолнечную энергию и углекислый гази выделяли кислород. Ихсуществование и создалопредпосылки для возникновениядругих видов живых организмов —потребляющих кислород для дыхания.Однако живым существам нужно былопозаботиться о том, чтобынейтрализовать токсичность этоговещества.

Сама по себе молекулакислорода и продукт ее полноговосстановления водородом — вода —не токсичны. Однако восстановлениекислорода протекает таким образом,что почти на всех ступенькахпроцесса образуются продукты,повреждающие клетки: супероксидныйанион-радикал, перекись водорода игидроксильный радикал. Их называютактивными формами кислорода.Организмы, использующие кислороддля дыхания, с помощью ферментов ибелковых катализаторовпредотвращают выработку этихвеществ или снижают их вредноедействие на клетки.

Американские биохимикиДж. Мак Корд и И. Фридович в 1969 годуобнаружили, что основную роль втакой защите играет ферментсупероксиддисмутаза. Этот ферментпревращает супероксидныеанион-радикалы в более безобиднуюперекись водорода и в молекулярныйкислород. Перекись водорода тут жеразрушается другими ферментами —каталазой и пероксидазами.

Открытиемеханизма обезвреживания активныхформ кислорода дало ключ другимисследователям к пониманию проблемрадиобиологии, онкологии,иммунологии и геронтологии.Английский исследователь Д. Харманвыдвинул так называемуюсвободнорадикальную теориюстарения. Он предположил, чтовозрастные изменения в клеткахобусловлены накоплением в нихповреждений, вызываемых свободнымирадикалами — осколками молекул,которые имеют неспаренный электрони в силу этого обладают повышеннойхимической активностью. Такиесвободные радикалы могутобразовываться в клетках поддействием радиации, некоторыххимических реакций и перепадовтемпературы. Но главным источникомсвободных радикалов в организмеявляется восстановление молекулыкислорода. Поэтому можно сказать,что старение в целом — этоследствие разрушительного,ядовитого действия кислорода наорганизм, которое постепеннонарастает с возрастом.

Биохимиястарения

После того как сталоясно, что супероксиддисмутазаиграет роль “ферментаантистарения” в клетке,исследователи задались вопросом:не является ли активность этогофермента ключевой причинойвозрастных изменений и различий впродолжительности жизни? Следовалоожидать, что с возрастом активностьфермента падает, а разрушительноевлияние кислорода увеличивается.Оказалось, однако, что активностьсупероксиддисмутазы в большинствеслучаев меняется с возрастомвесьма незначительно.

Накопление возрастныхизменений в клетках зависит отсоотношения двух процессов:образования свободных радикалов иих обезвреживания. “Фабриками”свободных радикалов служатмаленькие продолговатые тельцавнутри клетки — митохондрии, ееэнергетические станции. Этиструктуры Д. Харман назвалмолекулярными часами клетки: чембыстрее идет в них выработкарадикалов, тем быстрее крутятсястрелки на часах и тем меньшевремени остается жить клетке. Увидов с низкой продолжительностьюжизни митохондрии работают оченьактивно, больше образуетсярадикалов и быстрее накапливаютсяповреждения структур клетки,приводя к ее преждевременномустарению. Например, у комнатноймухи митохондрии вырабатываютрадикалы в 24 раза интенсивнее, чем укоровы. Исследователи провели опыт:комнатных мух содержали ватмосфере чистого кислорода (этозначительно ускоряет старение) инаблюдали, что происходит смитохондриями. Система защиты отактивных форм кислорода работаетдостаточно надежно, но через неевсе же постоянно проскальзываютотдельные радикалы, которые неуспели вступить во взаимодействиес антиокислительными ферментами.Причиной такой неполадки служит,по-видимому, второй законтермодинамики, который исключаетстопроцентную эффективностьэнергетических процессов.Возникнув в клетке, радикалыповреждают ее внутренниеструктуры, а также оболочки самихмитохондрий, что усиливает утечку.В результате становится все большеи больше активных форм кислорода, иони постепенно разрушают клетку.Происходит то, что мы называемстарением.

Скорость“поставки” радикалов в клеткуувеличивается и в разных органахмлекопитающих по мере старенияорганизма. Количество свободныхрадикалов, образующихся в клетке,по-видимому, тем больше, чем вышеуровень потребления кислорода, илиинтенсивность обмена веществ.Американский геронтолог Р. Катлер иего сотрудники показали, чтопродолжительность жизни животных ичеловека определяетсясоотношением активностисупероксиддисмутазы кинтенсивности обмена веществ.Стало ясно, почему у некоторыхвидов с высоким уровнем затратыэнергии, в том числе и у человека,продолжительность жизни неукладывается в энергетическоеправило поверхности Рубнера.Высокий уровень активностисупероксиддисму тазы защищаетчеловека и животных с интенсивнымобменом веществ отпреждевременного старения.

Ответына вопросы

Новая теория старенияпозволила найти объяснениенекоторым фактам, хорошо известнымгеронтологам, но остававшимсянепонятыми. Например, почемуживотные, которых кормилималокалорийной, носбалансированной пищей, живутдольше, чем те, что питалисьвдоволь? Ответ напрашивался самсобой — потому что ограниченноепитание уменьшает интенсивностьобмена и соответственно замедляетнакопление повреждений в клетках.Стала ясна и зависимость скоростистарения от температуры окружающейсреды у животных, не способныхрегулировать температуру тела.Высокая температура поддерживает уних высокий уровень обмена веществ.Так, плодовая мушка дрозофила притемпературе 10 градусов вылупляетсяиз личинки и развивается довзрослого насекомого, стареет иумирает в течение 177 дней, а притемпературе 20 градусов — в течение15 дней. У дождевого червя приповышении температуры его тела с 15градусов до 30 в 2,5 раза повышаетсяпотребление кислорода. При этом на28 процентов возрастает активностьсупероксиддисмутазы, но жизньчервя все равно укорачивается.

Большаяпродолжительность жизни женщин посравнению с мужчинами (в среднем на10 лет) оказалась связана с болеенизкой интенсивностью обменавеществ у прекрасной половинычеловечества. Феномендолгожительства в горных районахтоже хорошо объясняется меньшейинтенсивностью обмена веществ улюдей, живущих в разреженномвоздухе: содержание кислорода тамменьше, чем на равнине.

Оказалось, что разныйсрок отпущен и клеткам внутриодного человеческого организма:чем больше в клеткахсупероксиддисмутазы, тем меньшестепень повреждения клеткиактивными формами кислорода, темдольше живут клетки. Поэтомунекоторые клетки крови, например,живут несколько часов, другие —несколько лет.

Удалось объяснить илюбопытное явление, котороедостаточно давно обнаружилиисследователи: изменения организмапри естественном старении похожина действие ионизирующей радиации.Причина стала очевидной: ведь привоздействии радиации происходитразложение воды с образованиемактивных форм кислорода, которыеначинают повреждать клетки.

Все это позволиловыработать стратегию поискасредств против старения. Например,удалось увеличить в полтора разажизнь лабораторных животных, вводяв их рацион сильные антиоксиданты.Особенно эффективно должныдействовать антиоксиданты типасупероксиддисмутазы, являющиесяферментами. Введение в организмживотных супероксиддисмутазызащищало их от токсическогодействия кислорода и увеличивалопродолжительность их жизни. Этодает надежду, что антиоксидантымогут быть использованы и в борьбепротив старения человека. Возможно,через некоторое время пожилые людибудут принимать их так же, каквитамины, чтобы улучшить своесамочувствие и замедлить процессыстарения.

Литература

Амосов Н. Моя системаздоровья. “самый интересный журнал Наука и жизнь ” №№5—7, 199

Фролькис В. Геронтологияна рубеже веков. “самый интересный журнал Наука и жизнь ”№ 11, 199

Виленчик М. М. Биологическиеосновы старения и долголетия. М.,“Знание”, 198

Гладышев Г. П. Термодинамикастарения. “Известия Академиинаук. Серия биологическая”
№ 5, 199

 

Клетки, взятыеот эмбриона, растут в стерильныхсосудах до тех пор, пока они непокроют его дно. Затем часть клетокпереносят в новый сосуд со свежейсредой. Этот процесс продолжаетсядо тех пор, пока клетки сохраняютспособность делиться иразмножаться. Так удалосьэкспериментально установить, чтонормальные (неопухолевые) клеткичеловека могут делиться “впробирке” не более 50 раз, если онивзяты от эмбриона, и не более 20 раз,если это клетки взрослого человека.

Тридцатиграммоваямышь, которая дышит с частотой 150раз в минуту, за свою трехлетнююжизнь делает около 200 миллионовдыханий. Это же число дыханийпятитонный слон, делающий 6 вдохов ивыдохов в минуту, совершит за 40 лет.Сердце мыши, бьющееся с частотой 600ударов в минуту, за время ее жизнисделает 300 миллионов ударов. Сердцеслона, сокращающееся 30 раз в минуту,совершит столько же ударов за егоболее долгую жизнь. Поэтому можносказать, что физиологически онипроживают жизнь одинаковойпротяженности.

Американскаяисследовательница Толмазофф и ееколлеги установили, чтопродолжительность жизни прямопропорциональна отношениюактивности ферментасупероксиддисму тазы кинтенсивности обмена веществ: чембольше эта величина, тем дольшеживет организм. Активность же этоговажнейшего фермента, защищающегонаши клетки от старения,существенно не меняется.