Продление жизни организма
Содержание
1. Введение 2
2. Продление жизни организма 4
3. Энтропийный характер старения 6
4. Механизм старения 8
5. Старение и продолжительность жизни 10
6. Поиск средств против старения 13
7. Заключение 16
8. Библиографический список 18
1. Введение
Что такое старение? Для человека старение всегда имело особое значение. Веками философы обсуждали причины старения, алхимики искали эликсир молодости, а многие религии придавали старению сакральное значение. Однако даже сегодня биология процесса старения всё же известна очень плохо, а каких-либо методов изменить скорость старения человека не существует. Несмотря на интенсивные исследования, учёные ещё далеки от преодоления старости.
Сегодня успехи медицины и повышение уровня жизни позволили значительно увеличить среднюю продолжительность жизни (хотя изменения максимальной продолжительности жизни незначительны). В преимущественном большинстве стран этот процесс привёл к старению населения, где в связи с увеличением доли пожилых людей, которые имеют иные потребности, чем остальное население, в последние годы возникло много социальных и экономических вопросов, связанных со старением.
С начала 90-х годов широко обсуждается положение в нашем здравоохранении. Однако приведут ли строительство новых поликлиник, изобилие лекарств, большее финансирование уже существующих больниц к существенному продлению жизни или нужны принципиально новые подходы?
В семидесятых годах в США была осуществлена большая программа по борьбе с основными факторами риска коронарной болезни сердца. В течение семи лет проводилось обследование 12866 мужчин, имеющих высокий риск этого заболевания (высокий уровень холестерина в крови, высокое диастолическое давление, курение).
В результате активных мер, включающих медикаментозное лечение гипертонии, борьбу с курением (вплоть до применения гипноза), диету с низким содержанием жиров, удалось значительно снизить уровни всех перечисленных факторов риска. В результате этих мер действительно произошло некоторое снижение смертности от коронарной болезни сердца.
Однако общая смертность оказалась даже больше чем в контроле!
Возможно, на это есть две причины. Первая — объективная: старение сложный многосторонний процесс.
Вторая — субъективная: старение непосредственно нас касается, и исследователь, приступая к его изучению, горит желанием за месяц, год, в крайнем случае, за несколько десятилетий найти секрет вечной молодости. Секрет этот надеются найти как-то вдруг, исследование вырождается в примитивный перебор всех мыслимых методов. В основном популярны поиски какого-то одного «виновника» старения.
Мечников причиной старения считал вредную микрофлору кишечника. Дильман винит во всём гипоталамус. Многие годы была популярна гипотеза соматических мутаций.
Оргел считает, то старение — следствие ошибок в синтезе белков. Всё это попытки ухватиться за слабое звено, чтобы легко и просто разорвать всю цепь старения. Не удачи таких подходов в продлении жизни человека (и других млекопитающих) говорят о том, что старение — многоочаговый процесс и одним махом его не прекратить.
2. Продление жизни организма
Старение любого организма, в том числе организма человека, воспринимается чаще всего как естественный и неизбежный процесс. Средняя продолжительность жизни человека колеблется в относительно широких пределах – от 55 до 85 лет. В последние десятилетия в развитых странах она составляет около 70 лет. Продолжительность жизни человека может достигать 100 и более лет. И такие случаи не редкость, например, для людей, проживающих в селениях горного Кавказа, Это означает, что потенциальные возможности долголетней жизни еще не реализованы. Проблема продления жизни живого организма актуальна и по сей день. И ее решение во многом зависит от усилий ученых: медиков, биохимиков, психологов и др.
Предполагается, что процесс старения обусловливается нарушением в организме ферментативных реакций, вызываемым различными отклонениями в гормональной системе управления. Современные медицинские средства позволяют корректировать гормональную систему и, казалось бы, успешно решать проблему продления жизни живых организмов. Однако проблема оказалась не такой уж простой.
Первые систематические опыты по выявлению влияния различных факторов на продолжительность жизни проводились на подопытных дрозофилах и дафниях. В результате многочисленных экспериментов установлено, что при ограничении содержания питательных калорий в качественно разнообразной пище продолжительность жизни дрозофил и дафний может быть увеличена в 3–3,5 раза. При точной дозировке белков в пище, составляющей около 14%, удваивается средняя продолжительность жизни крыс. Продление жизни достигается при действии аминокислот (цистеина), некоторых витаминов, анаболических стероидов, необходимых для синтеза белков в организме, и других веществ. Однако подобные результаты для организма человека пока неизвестны. Целенаправленные опыты применения разнообразных биохимических препаратов помогут выявить физико-химическую и биологическую природу механизма старения организма. При таком подходе могут быть синтезированы препараты, селективно влияющие на организм, т. е. продлевающие жизнь отдельным органам: печени, сердцу, мозгу и др. Важнейшим результатом данных опытов будет синтез универсального препарата против старения.
3. Энтропийный характер старения
Естественный процесс старения – вечная тема для размышлений и лучших умов человечества, и обычных людей. С давних времен ученые пытаются раскрыть механизм старения и найти способы его предотвращения. При этом многое остается загадкой, хотя кое-что удалось выяснить совсем недавно.
Иногда встречаются люди, к которым неприменимы обычные правила, – они могут долгое время находиться без сна, не подвержены действию опасных вирусов и т. п. Однако нет человека, неподвластного старению. Каждому человеку известно: все живое стареет и в конце концов погибает, т. е. переходит в другую форму материи. Стареют, ветшают и приходят в негодность даже объекты неживой природы: здания, машины и т. п. Может показаться удивительным – металл тоже стареет. Все это наводит на мысль: старение – это неизбежный, необратимый процесс, общий для живой и неживой природы.
В соответствии со вторым началом термодинамики любой реальный процесс необратим и сопровождается возрастанием энтропии. Энтропия – это мера хаоса, беспорядка. Значит, любой реальный естественный процесс, в том числе и старение, приводит к возрастанию хаоса. В результате старения нарушается упорядоченная взаимосогласованная работа элементов живой системы. Именно в таком смысле можно говорить об энтропийном характере старения объектов живой природы.
Разрушение происходит само собой, а процесс созидания требует затрат энергии. Для создания и существования любой упорядоченной структуры необходим приток энергии, поскольку энергия имеет тенденцию необратимо рассеиваться в пространстве. Такая тенденция носит вероятностный характер и, следовательно, можно говорить: процесс рассеяния энергии более вероятен, чем создание упорядоченных структур. Живые организмы относятся к открытым термодинамическим системам: растения поглощают солнечную энергию, в результате чего образуются органические и неорганические соединения; организмы животных разлагают такие соединения, обеспечивая себя энергией. При этом живые объекты находятся в термодинамическом равновесии с окружающей средой, являясь тем самым своеобразным источником рассеяния энергии. На определенной стадии развития поглощенная открытой системой энергия приводит к ее самоусложнению, а в ряде случаев и к ее совершенствованию.
Образуя все более сложную структуру и накапливая информацию, живые системы стремятся предотвратить необратимое рассеяние энергии и тем самым противостоять возрастанию энтропии не только в окружающей их среде, но и во Вселенной в целом. Такое стремление по своей сути противоположно старению. Противостояние данных процессов можно представить как единство и борьбу противоположностей, т. е. как диалектический закон природы, предписанный генетической программой, неоднократно воспроизводимой живым организмом и передаваемой следующим поколениям.
4. Механизм старения
В утверждении «все живое подвержено старению» содержится некоторая неточность. Например, что происходит, когда живая клетка или бактерия в процессе размножения делится пополам? Живая клетка при этом не стареет и не погибает, она дает начало другим клеткам, которые в свою очередь снова делятся и т. д. Клетка, давая начало всем остальным, фактически остается бессмертной. Вопрос о старении одноклеточных организмов и непрерывно делящихся клеток, например половых или опухолевых, до сих пор остается открытым. В конце XIX в. немецкий зоолог Август Вейсман (1834–1914) предложил идею о бессмертии бактерий. Многие ученые согласны с ней и сегодня, другие подвергают ее сомнению. При этом те и другие опираются на вполне определенные доказательства.
В многоклеточных организмах значительная часть клеток не может постоянно делиться – они должны выполнять другие функции: обеспечивать движение, питание, управление различными процессами и т. п. Противоречия между функциональной специализацией клеток и их бессмертием природа разрешила путем разделения клеток на два типа: соматические и половые. Соматические клетки поддерживают жизнедеятельность в организме, а половые делятся, обеспечивая продолжение рода. Соматические клетки стареют и умирают, половые же практически вечны. Существование огромных и сложных многоклеточных организмов, содержащих триллионы соматических клеток, направлено на поддержание бессмертия половых клеток.
Каков же механизм старения соматических клеток? Установлено, что каждая соматическая клетка способна делиться не более 50 раз. Постепенное старение всего организма обусловлено тем, что его соматические клетки исчерпывают отпущенное на их долю число делений. После этого клетки стареют и погибают. Возможны случаи, когда соматические клетки, нарушая такое правило, делятся, непрерывно воспроизводя свои копии. Однако такое деление ни к чему хорошему не приводит – ведь именно так появляется в организме опухоль, часто приводящая к гибели всего организма.
5. Старение и продолжительность жизни
Еще в начале XX в. физиологи обратили внимание на то, что крупные млекопитающие живут дольше, чем мелкие. Например, мышь живет 3,5 года, собака – 20 лет, слон – 70. Такая зависимость объяснялась разной интенсивностью обмена веществ. Средняя суммарная затрата энергии на единицу массы тела у разных млекопитающих в течение жизни примерно одинакова – 200 ккал/г. Каждый вид способен переработать лишь определенное количество энергии – исчерпав ее, он погибает.
Интенсивность обмена веществ и общее потребление кислорода зависят от размера животного. Существует обратная зависимость между интенсивностью обмена веществ и продолжительностью жизни. Малая масса тела и высокий обмен веществ обусловливают небольшую продолжительность жизни. Однако из данного простого правила существует немало исключений. Например, суммарные затраты энергии, приходящиеся на единицу массы тела, у человека очень высоки, а продолжительность жизни в четыре раза больше, чем должна быть при соответствующем таким затратам обмене веществ. С чем это связано – выяснилось сравнительно недавно. Причина кроется в одном важном факторе, определяющем продолжительность жизни, – парциальном давлении кислорода. Концентрация кислорода в воздухе составляет около 20,9%. Ощутимое изменение данной концентрации приводит к гибели живых организмов. То, что нехватка кислорода губительна для живого, известно многим, а вот об опасности его избытка знают немногие. Чистый кислород убивает лабораторных животных в течение нескольких дней, а при давлении 2–5 атм такой срок сокращается до часов и минут.
Предполагается, что атмосфера Земли в ранний период ее развития не содержала кислорода. Насыщенная кислородом атмосфера Земли образовалась примерно 1,4 млрд лет назад в результате жизнедеятельности примитивных организмов, способных к фотосинтезу. Они поглощали солнечную энергию и углекислый газ, выделяя кислород. Жизнедеятельность данных организмов создала таким образом основу для возникновения большого многообразия других живых организмов, потребляющих кислород для дыхания.
Сама по себе молекула кислорода и продукт ее полного восстановления – вода – не токсичны. Однако восстановление кислорода сопровождается образованием повреждающих клетки продуктов: супероксидного анион-радикала, перекиси водорода и гидроксильного радикала. Их называют активными формами кислорода. На их образование расходуется около 5% потребляемого организмом кислорода. Ферменты снижают вредное действие активных форм на клетки. Основную роль при этом играет фермент супероксиддисмутаза, превращающий супероксидные анион-радикалы в более безобидную перекись водорода и в молекулярный кислород. Перекись водорода тут же разрушается другими ферментами – каталазой и пероксидазами.
Известна и положительная роль активных форм кислорода – они способны защищать организм от микробов и даже от некоторых опухолей. Но все же их повышенное содержание приводит к разрушению клеток. Результаты исследований последнего времени показали, что скорость производства активных форм кислорода замедляется углекислым газом, содержащимся в крови. А это означает, что для жизнедеятельности организма необходим и углекислый газ, предотвращающий разрушение клеток.
Выяснение механизма обезвреживания активных форм кислорода способствовало пониманию некоторых проблем радиобиологии, онкологии, иммунологии и т. п. Родилась свободно радикальная теория старения, в соответствии с которой возрастные изменения в клетках обусловливаются накоплением в них повреждений, вызываемых свободными радикалами – осколками молекул с неспаренными электронами и обладающих в результате этого повышенной химической активностью. Свободные радикалы могут образовываться в клетках под действием радиации, некоторых химических реакций и перепадов температуры. Но все же главный источник свободных радикалов – восстановление молекулы кислорода.
Накопление возрастных изменений в клетках зависит от соотношения двух процессов: образования свободных радикалов и их обезвреживания с помощью супероксиддисмутазы– «фермента антистарения». Количество свободных радикалов, образующихся в клетке, вероятно, возрастает с повышением уровня потребления кислорода или интенсивности обмена веществ. Предполагается, что продолжительность жизни животных и человека зависит от отношения активности супероксиддисмутазы к интенсивности обмена веществ. Высокий уровень активности «фермента антистарения» защищает человека и некоторых животных с интенсивным обменом веществ от преждевременного старения.
6. Поиск средств против старения
Новое представление о механизме старения позволяет объяснить некоторые факты, хорошо известные геронтологам – ученым, изучающим проблемы старения живых организмов. Например, почему животные, которых кормили малокалорийной, но сбалансированной пищей, живут дольше, чем те, что питались вдоволь? Ответ простой – потому что ограниченное питание уменьшает интенсивность обмена веществ и соответственно замедляет накопление повреждений в клетках. Большая продолжительность жизни женщин (в среднем на 10 лет) связана с более низкой интенсивностью обмена веществ. Феномен долгожительства в горных районах также объясняется меньшей интенсивностью обмена веществ у людей, живущих в условиях с пониженным содержанием кислорода.
Разный срок отпущен клеткам внутри одного организма человека: чем больше в клетках супероксид-дисмутазы, тем меньше степень их повреждения активными формами кислорода, тем дольше они живут. Поэтому некоторые клетки крови, например, живут несколько часов, а другие – несколько лет.
Наблюдения показали, что изменения в организме при естественном старении и действии радиации похожи. Оказалось, что при действии радиации происходит разложение воды с образованием активных форм кислорода, которые начинают повреждать клетки.
Результаты исследований последнего времени позволили выработать стратегию поиска средств против старения. Например, удалось увеличить в полтора раза жизнь лабораторных животных, вводя в их рацион сильные антиоксиданты. Введение в организм животных антиоксидантов типа супероксиддисмутазы защищает их от токсичного действия кислорода и способствует увеличению продолжительности их жизни. Такие эксперименты вселяют надежду на то, что антиоксиданты могут быть использованы как эффективное средство против старения человека.
В современном понимании процесс старения запрограммирован генетически. Поэтому проблема продления жизни организма должна решаться современными средствами молекулярной биологии и генной инженерии. Предполагается, что в старении повинны полифункциональные соединения в виде продуктов обмена веществ, например, яблочной, янтарной и фумаровой кислоты, а также радикалов. Между двумя молекулами данных веществ возникают мостиковые связи, что приводит к накоплению дефектных белков и функциональному нарушению работы клеток и в результате – к старению организма.
В соматических клетках ферменты репарации (ремонта) ДНК испытывают отклонения от нормального функционирования гораздо чаще, чем в половых клетках, поэтому старению, прежде всего, подвергаются нейроны, клетки печени, сердечной мышцы и т. п.
Чем больше отклонений и существенных, вызывающих их факторов, тем быстрее проходит процесс старения. Известно, что свободные радикалы приводят к существенным отклонениям в работе ферментов репараций. В этой связи разработка ингибиторов свободных радикалов – одно из важнейших направлений в решении проблемы продления жизни организма. Но все же наиболее эффективный способ предотвращения старения заключается в исправлении программы, заложенной в геноме организма.
Возрастное ослабление организма обусловливается ухудшением работоспособности составляющих его клеток. Почему с возрастом активность клеток уменьшается? Исследования показали, что с каждым клеточным делением уменьшаются теломеры – особые хромосомные структуры, расположенные на концах клеточных хромосом. Такое уменьшение теломеры приводит к старению клеток. Проведенный в 1997 г. в США и Канаде эксперимент по искусственному удлинению теломер в клетках invitro дали удивительный результат: клетки обрели способность многократно делиться, полностью сохраняя свои нормальные свойства. Очень важно, что клетки, обретя потенциальное бессмертие, не стали раковыми и не вызывают опухолей.
В последние годы обнаружен клеточный фермент – телемераза, способствующий наращиванию концов хромосом – телемеров, которые неизбежно укорачиваются при рождении клеточных поколений. Появились сообщения о том, что в организме человека теломеры хромосом могут удлиняться без участия теломеразы.
Проводятся целенаправленные эксперименты, обсуждаются различные мнения и доводы – все это дает возможность с оптимизмом утверждать: если не нынешнее, то грядущее поколение воспользуется плодами кропотливых и сложнейших экспериментов, которые позволят продлить жизнь человеку до 100, 200 и более лет.
7. Заключение
Современные научные исследования показывают, что генетическими и эпигенетическими методами в лабораторных условиях удается существенно продлить жизнь модельным животным. Исходя из накопленных знаний об общих фундаментальных механизмах старения, можно замедлять старение и продлевать жизнь у людей. Расширение знаний о генетике продолжительности жизни и старения позволит разработать научные методы продления здорового периода жизни человека, что является, на наш взгляд, важнейшей государственной задачей в области социальной политики.
Участники конференции считают наиболее перспективными направлениями научных исследований в области генетики старения и продления жизни:
поиск генов долгожительства у модельных объектов и человека,
изучение роли эпигенетических факторов в процессе старения,
выяснение механизмов влияния внешней среды на скорость старения,
математическое моделирование процессов старения и условий долголетия,
выявление новых маркеров биологического возраста, разработка эффективных геропротекторов, генетических и негенетических методов вмешательства в процессы старения.
Указанные направления требуют скоординированных исследований ведущих научных организаций на стыке различных научных дисциплин (геронтологии, генетики, биохимии, биотехнологии, экологии, физиологии, математики) в рамках общих проектов, поддержанных федеральными и региональными властями, Геронтологическим обществом при РАН, фондами и частными исследовательскими организациями.
Однако на сегодняшний день существуют серьезные проблемы, которые требуют решения:
научные исследования генетики продолжительности жизни и старения в Российской Федерации сильно разобщены и финансируются крайне недостаточно для совершения научных прорывов в этой области;
в перечне направлений финансирования Российского фонда фундаментальных исследований отсутствует направление «геронтология».
Научная программа Международной конференции «Генетика продолжительности жизни и старения» реализована полностью. В связи с успехом данного мероприятия, участники конференции предлагают сделать ее регулярной и провести следующую конференцию в г. Сыктывкаре в апреле 2012 г.
8. Библиографический список
1. Горелов А.А. Концепции современного естествознания: Курс лекций. М.: Центр, 2007 – 208 с.
2. Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современного естествознания: Уч. пособие. – М.: Высшая школа, 2007. – 383 с.
3. Данилова В.С., Кожевников Н.Н. Основные концепции современного естествознания: Уч. пособие для вузов. - М.: Аспект Пресс, 2007. – 256 с.
4. Дубнищева Т.Я., Пигарев А.Ю. Современное естествознание. Уч. пособие. - М.: «Маркетинг», 2007. – 160 с.
5. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учебник. - М.: Высшая школа. 2007. - 334 с.
6. Клинк Н.Ю. Краткий конспект лекций по КСЕ. - кафедра современного естествознания. – СПб.: ИНЖЭКОН, 2009.
7. Концепции современного естествознания. - Под ред. В.Н. Лавриненко. - М.: ЮНИТИ, 2008. - 303 с.
18
