3
15094

Теории старения на организменном уровне интеграции

Компас посвящен теориям, которые рассматривают процесс старения на уровне целостного организма

на сайте с 27 августа 2008

Организменный уровень интеграции.

организм
Жизни как природному явлению присуща своя иерархия уровней организации, определенная упорядоченность, соподчиненность этих уровней. Открытие клетки как элемента живых структур и представление о системности, цельности этих структур стали основой последующего построения иерархии живого.

Концепция структурных уровней живого включает представление об иерархической соподчиненности структурных уровней, системности и органической целостности живых организмов. В соответствии с этой концепцией структурные уровни различаются не только сложностью, но и закономерностями функционирования. Вследствие иерархической соподчиненности каждый из уровней организации живой материи должен изучаться с учетом характера ниже и вышестоящего уровней в их функциональном взаимодействии.

Система совместно функционирующих органов образует организм. В отличие от нижележащих уровней на организменном уровне проявляется большое разнообразие живых систем.Растения (хламидомонада, хлорелла) и животные (амеба, инфузория и т. д.), тела которых состоят из одной клетки, представляют собой самостоятельный организм). А отдельная особь многоклеточных организмов считается как отдельный организм. В каждом отдельном организме происходят все жизненные процессы, характерные для всех живых организмов, — питание, дыхание, обмен веществ, раздражимость, размножение и т. д. Каждый самостоятельный организм оставляет после себя потомство. У многоклеточных организмов клетки, ткани, органы и системы органов не являются отдельным организмом. Только целостная система органов, специализированно выполняющих различные функции, образует отдельный самостоятельный организм. Развитие организма, начиная с оплодотворения и до конца жизни, занимает определенный промежуток времени. Такое индивидуальное развитие каждого организма называется онтогенезом. Организм может существовать только в тесной взаимосвязи с окружающей средой. Организменный уровень именуют также онтогенетическим.

Теория изнашивания

старение История теорий изнашивания началась с работ Маупаса (C.Maupas) (1888) и Гертвига (R.Hertwig) (1914), которые считали, что "организм изнашивается как машина". Современные ученые пытаются заглянуть глубже.
Полагают, что прекращение жизнедеятельности происходит исключительно потому, что структурные компоненты, особенно те из них, которые не обновляются, приходят в негодность. Организм – это механизм, а все механизмы ухудшаются и портятся вследствие самой деятельности. Теории изнашивания не только в принципе объясняют старение организма ухудшением функционирования тех или иных систем, но и практически пытаются выявить конкретные структуры, которые «ломаются» в первую очередь. Особое внимание обращается на изнашивание коллоидных структур (гистерезис). Считается, что с возрастом в молекулах коллагена нарастают межмолекулярные водородные и другие, более «рыхлые», связи, что приводит к уменьшению свободной энергии молекул и приближению всей коллоидной системы к наиболее вероятному термодинамическому состоянию. Обращалось внимание и на генетический материал. Ряд ученых полагает, что длительное пребывание ДНК в клетках организма, не сопровождаемое ее делением, приводит к утрате активности отдельных участков, нарушению репродукции РНК и белков в стареющих клетках. Широкое распространение имеет теория иммунологического старения организма, базирующаяся еще на идеях И.И. Мечникова. Предполагается, что у организма данного вида подавлена возможность синтеза антител на свои белки. С возрастом происходит ослабление этого «репрессирования», и антитела начинают постепенно разрушать клетки собственного организма.

Исходя из теорий изнашивания, с целью увеличения продолжительности жизни нужно проявлять максимальную заботу о своем организме при его эксплуатации, и, в принципе, эксплуатировать его как можно меньше и реже.
Известным сторонником этой точки зрения был Ганс Селье, знаменитый канадский физиолог, основоположник учения о стрессе, который считал, что адаптационные ресурсы организма строго детерминированы, они только тратятся и не восстанавливаются.

Вывод: живые системы стареют под влиянием интенсивных жизненных процессов, а старение ускоряется или замедляется по законам физики в зависимости от динамики процессов на уровне клетки, тканей, целого организма. Сторонники теорий изнашивания доказывали, что все индивиды в популяции имеют приблизительно одинаковую продолжительность жизни, но ее фактическая граница определяется темпом изнашивания, при этом продолжительность жизни зависит от средней величины израсходованной энергии на килограмм веса индивида.

Автором современного вида теории изнашивания считается Захер (Sacher), который в 1966 году опубликовал статью по этому вопросу. Сейчас данная теория имеет лишь историческое значение.

Теория катастрофы ошибок

В соответствии с вышеизложенным в 1963 Л. Оргелем (L.Orgel) была сформулирована теория ошибок, которую он описал в статье "Поддержание правильного синтеза белка и связь с процессом старения". Она основывается на предположении, что основной причиной старения является накопление с возрастом генетических повреждений в результате мутаций, которые могут быть как случайными (спонтанными), так и вызванными различными повреждающими факторами (ионизирующая радиация, стрессы, ультрафиолетовые лучи, вирусы, накопление в организме побочных продуктов химических реакций и другие).
Гены, таким образом, могут просто терять способность правильно
регулировать те или иные активности в связи с накоплением повреждений ДНК. 
В то же время существует специальная система репарации, обеспечивающая относительную прочность структуры ДНК и надежность всистеме передачи наследственной информации. В опытах на нескольких видах животных показана связь между активностью систем репарации ДНК и продолжительностью жизни. Предполагается ее возрастное ослабление при старении. Роль репарации отчетливо выступает во многих случаях преждевременного старения и резкого укорочения длительности жизни. Это относится, прежде всего, к наследственным болезням репарации (прогерии, синдром Тернера, некоторые формы болезни Дауна и другие). В то же время имеются новые данные о многочисленных репарациях ДНК, которые используются как аргумент против гипотез ошибок. В статье под названием «Наука отрицает старость» французский исследователь Р. Россьон (1995) полагает, что в свете этих фактов теория накопления ошибок в нуклеотидных последовательностях. требует пересмотра. Все же репарация, видимо, не приводит к 100% исправлению повреждений.

В нашей стране эту теорию поддерживал профессор Ж. Медведев, президент международного общества геронтологов. Жорес Медведев - известный российский и британский биохимик, геронтолог и историк, - опубликовал более 15 книг по проблемам биохимии и биологии, а также по истории науки и истории СССР, среди них книги о ядерной катастрофе 1957 года на Урале и об аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году. Его труды переводились на разные языки и издавались во многих странах Европы и в Японии. Он придерживается идеи, что старение это процесс накопления ошибок в процессах транскрипции и трансляции и возникновении ферментов с дефектным функционированием. При этом механизмы репарации не могут справится со все возрастающим количеством дефектов.

Частично эта теория пересекается со свободнорадикальной теорией, т.к. большая часть повреждений ДНК происходит именно в результате действия активных форм кислорода. А также с теорией гликозилирования белков, т.к. именно таким способом могут повреждаться феременты, осуществляющие биологические процессы. Другими словами, теория накопления ошибок является неким обобщением различных теорий на уровне целого организма.

Теория стрессового повреждения

Ганс Селье Сутью этой теории является то, что старение- это результат стресса. Автором ее является великий канадский физиолог и эндокринолог Ганс Селье, которого мы упоминали выше. В 1970 году он опубликовал статью "Стресс и старение".
 На основе клинических и экспериментальных исследований инфекционных болезней выдвинул гипотезу общего адаптационного синдрома, согласно которой болезнетворный фактор запускает выработанные в процессе эволюции механизмы адаптации к раздражителю. Позже эта гипотеза была конкретезирована применительно к человеческому организму, что что дало основание для выработки и развития понятия "психологический стресс". Селье не считал что сам по себе стресс вреден, он рассматривал его как реакцию, помогающую человеку выжить.
 Как писал сам Селье: «я впервые „наткнулся“ на идею стресса и общего адаптационного синдрома в 1925 году». Каждую составляющую своего определения Селье пояснил так: Общий — потому что к стрессу приводят факторы, которые, воздействуя на разные области организма, в итоге способны вызвать общую системную защиту; Адаптационный — потому что это явление как бы закрепляется, приобретает характер привычки; Синдром — потому что его отдельные проявления частично взаимозависимы. (Дербенёва Л. М. — 1999 г.). Позже (в1931-1932 г.) он назвал стресс неспецифической реакцией организма на любые раздражители. Представление о стрессе касается всех людей, больных и здоровых, преуспевающих и неудачливых, и всех сторон жизни. «Удалось показать, что стресс представляет собой скорость изнашивания человеческого организма, сопровождает любую жизнедеятельность и соответствует в определённом смысле интенсивности жизни. Он увеличивается при нервном напряжении, телесных повреждениях, инфекциях, мышечной работе или любой другой напряженной деятельности и связан с неспецифическим защитным механизмом, увеличивающим сопротивляемость к стрессовым факторам, или „стрессорам“. Важной частью этого защитного механизма является повышенное выделение гипофизом так называемого адренокортикотропного гормона (АКТГ), который, в свою очередь, стимулирует выработку кортикоидов корой надпочечников. Весь синдром стресса, или, иначе, общий адаптационный синдром (ОАС), проходит три стадии:

1) „реакция тревоги“, во время которой мобилизуются защитные силы; (Невольно возникает вопрос: какая же это защитная реакция организма, если нарушено столько его важнейших функций, причем на глубинном биохимическом уровне? Однако поверьте: это именно защитная реакция, и никакая другая! И ее биологический смысл вот в чем: организм в кратчайшие сроки должен получить дополнительную, „аварийную“ энергию для того, чтобы максимально обеспечить условия для быстрого спасения от грозящей беды или даже гибели. Да, для организма это, безусловно, реакция энергозатратная — что для него в перспективе, конечно, плохо, — но иного выхода в данный момент нет. Ведь речь идет о спасении в целом.).

2) „стадия устойчивости“ отражающая полную адаптацию к стрессору; (Крайне важно и то, что на этой стадии общие энергозатраты организма становятся меньше, чем на первой стадии: организм частично уже приспособился жить под давлением стрессирующего фактора — как бы отследил его. И тем не менее… Если стрессирующий фактор действует сильно и длительно, то постепенно развивается следующая, третья стадия).

3) „стадия истощения“, которая неумолимо наступает, если стрессор оказывается достаточно силён и действует достаточно долгое время, поскольку „адаптационная энергия“, или приспособляемость живого вещества всегда конечна». (цит. по С.71-72 Селье Г. — 1987 г.). (И вот результат: устойчивость организма к внешним воздействиям резко снижается. То есть база для возможного развития патологии на клиническом уровне уже создана).

По мере формирования устойчивой адаптации нарушения гомеостаза, составляющие стимул стресс-симптома постепенно исчезают, как и сам стресс-симптом, сыграв свою важную роль в становлении адаптации. Это состояние между стрессом (агрессией) и адаптацией служит доказательством того, что стресс сложился в процессе эволюции как необходимое неспецифическое звено более сложного целостного механизма адаптации. Полная свобода от стресса, как считал Селье, означала бы смерть. В 1982 году Селье определил стресс как совокупность стереотипных филогенетических запрограммированных реакций организма, которые вызываются любыми сильными, сверхсильными, экстремальными воздействиями и сопровождаются перестройкой адаптивных сил организма. (Никонов В. В. — 2002 г.).

По признанию самого Г. Селье — он заимствовал у И. П. Павлова очень многое. То, что Павлов трактовал с точки зрения нервной системы, он перевел на язык и термины гуморальной (эндокринной) системы. Заслуга Павлова — в восприятии организма как целого, в объяснении того, каким образом это целое непрерывно адаптируется к окружающей среде. Именно эту идею целостности и адаптации он — Селье — почерпнул у Павлова, и именно она стала рычагом всей его экспериментальной работы и самой теории стресса. То, что внешние воздействия приводят только к расходу и исчерпанию адаптационных возможностей, в течение многих лет было убеждением Г. Селье, которое он лаконично формулировал как «wear and tear». Это убеждение основывалось на том, что он использовал преимущественно сильные патогенные воздействия. ("Концепции о существовании генетически предопределённого потенциала роста берут начало от А. Вейсмана, который считал, что зигота обладает способностью осуществлять определённое и ограниченное число делений клеток, после чего развивающийся организма обрекается на старение и смерть. Немецкий физиолог и гигиенист Макс Рубнер (М. Rubner) (1854—1932) в связи с представлениями Вейсмана обосновал понятие о генетически предопределённом энергетическом фонде, который у всех видов млекопитающих, за исключением человека почти одинаков. Концепцию Рубнера и вытекающее из неё представление об онтогенезе, как о раскручивании пружины в заведенных часах, и развил «Селье в учении о стрессе и о предопределённом фонде „адаптивной энергии“, сравнивая его с банковым вложением, которое можно расходовать, но нельзя увеличивать». Во всех этих теориях речь идет о постепенном исчерпании некоего исходного потенциала (жизненной субстанции), приводящих живые организмы к состоянию равновесия. Развивая эти представления Ричард Перл пришел к мысли, что старение и смерть — расплата за преимущества какие дают специализация и дифференциация клеток у многоклеточных организмов, в отличие от практически бессмертных одноклеточных этими качествами не обладающими. (цит. по С.15. Аршавский И. А. −1982., С. 95 Аршавский И. А.- 1986 г.).

«Стресс есть неспецифический ответ организма на любое предъявление ему требования. … С точки зрения стрессовой реакции не имеет значения, приятна или неприятна ситуация, с которой мы столкнулись. Имеет значение лишь интенсивность потребности в перестройке или в адаптации.»

Книга Г. Селье "Стресс жизни"
.

Таким образом, теория стрессового повреждения перекликается с эволюционной теорией (т.к. адаптация приобретена в процессе эволюции и является промежуточным звеном для перехода к другому уровню), теорией изнашивания (т.к. адаптация приводит к изнашиванию организма) и эндокринной и элевационной теориями (т.к. адаптация достигается через каскад гормональных сигналов).

Теория аутоинтоксикации

Мечников Великий русский биолог, патолог, физиолог Илья Ильич Мечников говорил о том, что  “... кишечная аутоинтоксикация - главное препятствие в достижении долголетия.” Он полагал, что застой каловых масс в кишечнике ведет к возникновению ряда заболеваний. Однако было доказано, что количество бактерий в испражнениях при запорах уменьшается, а ядовитость их значительно ниже, чем при поносах или при нормальной деятельности кишечника. В настоящее время установлено, что нормальная кишечная флора, обитающая в строго определенных отрезках кишечника, для здорового человека непатогенна. Однако при изменении локализации кишечной флоры или при изменении нормального состояния кишечной стенки могут проявиться вредные влияния ее на организм. Утрачивая свои важные биологические функции вследствие изменения локализации, нормальная кишечная микрофлора может стать источником аутоинтоксикации и аутоинфекции.
Вредное влияние кишечной флоры сказывается в образовании раздражающих продуктов при разложении бактериями белковых веществ, особенно если они поступают в кишечник в избыточном количестве. Помимо Мечникова, теории аутоинтоксикации придерживались Бетц, Сенатор, Бушар, Роже (Betz, Senator, Bouchard, Roger).
Всасывание ядов, образовавшихся в кишечнике, усиливается в результате местного их действия на кишечную стенку. Она при этом становится проницаемой как для токсинов, так и для бактерий, которые вне мест своего постоянного обитания становятся особо патогенными. Так, например, кишечная палочка способна вызвать тяжелое поражение мочевых путей и септицемию. Повышению проницаемости кишечной стенки способствует застой каловых масс в кишечнике. Уплотненные каловые массы могут вызвать и механическое повреждение слизистой оболочки кишки.
Болезни недостаточного питания и авитаминозы, понижая устойчивость организма к инфекции, зачастую приводят к тому, что нормальная флора кишечника становится для него патогенной. Развитие атрофических процессов при этих состояниях, особенно при недостатке в организме витамина А, а также нарушение окислительного дезаминирования при дефиците витамина С и переаминирования при гиповитаминозе В-комплекса благоприятствуют процессам аутоинтоксикации и аутоинфекции.

Действительно, и это подчеркивал еще И.И. Мечников, в микробном "оркестре" толстой кишки у старых лиц часто отсутствует энтерококк, снижается содержание молочнокислых бактерий, появляются гнилостные формы типа клостридий (по мнению Ильи Ильича, в последние годы жизни он сам страдал от продуктов Clostridium butyricum). Сейчас известно, что в нормальном кишечнике взрослого человека обитает около 1014 бактерий. В единицах массы это количество измеряется многими сотнями граммов, обычно превышающими один килограмм. Понятно, что Мечников, а позднее и Давыдовский, не могли совсем не замечать возрастные сдвиги в таком "океане аутофлоры". Кроме того, было издавна известно, что у долгожителей, особенно из высокогорных регионов, потребляющих много молочных и кисломолочных продуктов, таких изменений нет. Все это даже дало повод Мечникову придти к следующему заключению : "Моя относительная долговечность зависит не от семейного предрасположения (мой отец умер на 68-м году, мать на 66-м году, старшая сестра на 65-м, старший брат в 45 лет, второй брат в 50 лет, третий брат на 57-м году). Я никогда не знал моих дедов. То, что я дожил до 70 лет в сравнительно удовлетворительном состоянии, я приписываю своей гигиене : более 18 лет я не ем ничего сырого, по возможности засеваю кишки молочнокислыми бактериями. Когда макробиотика сделается более совершенной, когда хорошая кишечная флора будет засеваться, начиная со времени отнятия детей от груди, то нормальный срок жизни значительно продлится."
Мечниковская теория "интестинальной аутоинтоксикации" была поддержана в большом количестве зарубежных работ, опубликованных в первой половине 20-го века. Однако Давыдовский был одним из первых, кто подверг её критике. Он считал, что в этой теории центр тяжести переносится только на обменные процессы, создающие геронтогенные токсины. По мнению Ипполита Васильевича, попытки "нормализации" кишечной микрофлоры принесли скромные результаты. Он также полагал, что дисбактериозы толстой кишки даже в сочетании с запорами не препятствуют долголетию. Отсюда делался вывод, что старческие "сдвиги" в микрофлоре толстой кишки являются производными возрастной дисфункции (дискинезии) этой части пищеварительной системы. Кроме того, Давыдовский считал, что взгляды Мечникова предопределили возникновение более поздней "химической теории старости", в которой в качестве основы выдвигались макромолекулярные деформации белков и мукополисахаридов. Здесь нет возможности рассмотреть эту более позднюю концепцию. Важнее подчеркнуть её инициирующую роль в развитии целого ряда современных позиций.

Выраженная интоксикация возникает при условиях:
 - малоподвижный образ жизни
 - питание рафинированной, преимущественно масляной пищей с резкой недостаточностью в ней овощей, зелени и фруктов (клетчатки);
 - нервно-эмоциональные перегрузки, частые стрессы.

Сейчас теория "кишечной аутоинтоксикации" имеет лишь историческое значение, хотя многие ученые связывают с ней возникновение различных заболеваний, например, псориаза. Как говорилось выше, эта теория уступила место интоксикации, вызванной повреждением белков и углеводов.

Эволюционная теория Уильямса

Russell Wallace Эволюционная природа старения владела умами ученых с того момента, как Дарвин опубликовал свои изыскания. Эта теория зародилась когда Рассел Уоллес(Russell Wallace), знаменитый эволюционист, работавший с Дарвином, выдвинул идею о том, что долголетие, превышающее возраст потомства невыгодно для видов. Дети и родители конкурируют за ресурсы. Это может свидетельствовать в пользу идеи о генетически программируемом старении. Дополнительным аргументом является программируемое кортикостероид-опосредованное саморазрушение лосося после нереста. Но как заметил биолог Герман Медавар (Herman Medawar), если бы не было старения, то не было бы необходимости в размножении.

В 1950-х гг. Дж. Уильямс из Университета штата Нью-йорк в Стони-Брук предположил, что аллели, которые в каком-то возрасте действуют разрушительно, могут сохраняться, если они в чем-то улучшают приспособленность организма в более ранний период его жизни; эта двойственность называется антагонистической плейотропией. Такую переменную роль вполне могут играть гены, определяющие синтез репродуктивных гормонов.
Как полагает С. Остад (Ostad) из Гарвардского университета, примером этого является увеличение с возрастом заболеваемости раком молочной железы : длительное существование в женском организме определенного уровня эстрогенов, необходимого для процесса оплодотворения, предрасполагает ткань молочной железы к злокачественному перерождению (статья).
Аналогично, К. Финч (Finch) из Университета Южной Калифорнии обнаружил, что некоторые нормальные гормоны и другие регуляторные вещества способны причинять вред клеткам и тканям, на которые они влияют. Так, у грызунов гипоталамус и гипофиз, которые управляют функционированием яичников, вносят, по-видимому, вклад и в их старение. В свою очередь яичники, посылающие сигналы в гипоталамус и гипофиз, способствуют, судя по всему, старению этих органов. Финч рассматривает эти плейотропные свойства как свидетельство того, что старение в некоторой степени проистекает из активности и взаимодействия нервной и эндокринной систем. (статья)

Эволюционная теория Ульямса пересекается с эндокринной и элевационной теориями, т.к. придает важную роль дисрегуляции гипоталамо-гипофизарной системе.

Можно предположить, что старение возникает в популяции в том случае, когда находящиеся под генетическим контролем системы обеспечения жизнедеятельности достаточно эффективны для того, чтобы особи успевали размножаться и тем самым продолжалось существование популяции, но не способны вечно поддерживать существование отдельного организма.

Открытие системы апоптоза дало новый импульс идее о том, что старение это средство поддержания прогрессивной эволюции популяции.

(Материал с сайта www.humbio.ru)

Теория Уильямса является главной эволюционной теорией на сегодняшний день. Подробнее о современных исследованиях в этой области можно прочитать в компасе "Эволюция старения".

Старение как спонтанная потеря и изменение информации

Суть этой теории сводится к тому,что старение проиходит из-за постоянных изменений информации в организме (системе), например, генетической информации в виде ДНК, и потерь информации в ходе этих изменений.

Существуют еще минимум два механизма старения, вносящие свой вклад в старение целостного организма.
Это, во-первых, изменение при старении обмена веществ (а также энергии и информации) с внешней средой и, во-вторых, повышение степени разнообразия для самых разных структурных элементов и связей в организме - "разрегулирование" целостной системы организма.

Оба механизма являются конкретизацией процесса спонтанной утраты информации в системе, за которым следует ее материальная и энергетическая деградация. Действительно, положим, что некоторая система (организм) получает извне поток вещества (Р1), энергии (W1) и информации (I1). Сохранение самое себя системой означает поддерживание постоянства материальной структуры системы (p2), энергетических потоков и взаимосвязей (w2) и тождества во времени информации о себе (i2); заметим также, что, так как организм только часть большего его некоторого целого - биосферы, например, то (P1, W1, I1) >>> (p2, w2, i2).

Кроме того, сохранение системы во времени означает тождество суммарных потоков, поступающих из внешней среды, выводящейся из системы и сохраняющегося динамически потока внутри системы. Не трудно видеть, что центральным при таком рассмотрении оказывается процесс сохранения информации в системе, т.к. вещественная и энергетическая организация являются только "материальными носителями" этой информации и, фактически, следуют качественно и количественно за изменением информации, которая выступает как регулирующий, управляющий и (само)-организующий фактор.

В общем виде информация в системе может изменяться благодаря следующим процессам:
 - поступлению информации (и энтропии) извне (например, "ремонт" силами извне или эволюционное давление при формировании новых признаков и т.п.);
 - появление новой информации (и энтропии) внутри системы за счет взаимодействия в ней вещества и энергии в ходе сложнейших взаимопревращений и взаимосвязей (метаболизм, рост и развитие, механизмы саморегуляции и самоорганизации и т.п.);
 - изменение и потеря информации в системе (развертывание программ роста и развития; "мутации" материальных носителей информации - ДНК, белков и иерархически других структурных уровней материальных носителей информации; спонтанный распад информации - производство энтропии и т.п.).
Учитывая, что нами поставлена задача рассмотреть возможность сохранения уже полностью сформировавшейся системы (организм после достижения взрослого состояния), нас будет интересовать только возможность сохранения уже имеющейся информации, т.е., вновь производимая информация должна быть идентична имеющейся и компенсировать потерю информации в ходе случайных "мутаций" ее.

Процесс утраты информации аналогичен ее изменению - "мутациям", причем он носит вероятностный характер и, по существу, сводится или к ошибкам в ходе процесса воспроизводства информации в ходе самокопирования материальных носителей информации, или к спотанному вероятностному "мутированию" невоспроизводящейся информации (например, повреждения свободными радикалами неделящейся ДНК и т.п.). Заметим, что во многих случаях "мутировавшая" информация способна к воспроизводству (например, большинство мутаций клеток не приводят к прекращению их деления) и часто сохраняется возможность функционирования воспроизводящихся на ее основе структур, которые, таким образом, вступают в конкуренцию с имеющимися ранее структурами организма.

Исходя из выше сказанного, можно свести главные процессы воспроизводства и изменения информации (и ее материально-энергетических носителей) в организме к следующим уравнениям. Для точного воспроизведения информации (I) используется механизм самокопирования, который сопровождается ошибками с воспроизведением измененной (Im) и некоторой необратимой потерей информации (анаболизм, распад и полная деградация структур с выведением вещества и энергии их из организма и рассеиванием их информации): dI/dt = k1 I - k2 Im - k3 I

Соответственно, "мутировавшая" информация может также воспроизводиться сама, пополняться за счет мутаций неизменившейся информации и рассеиваться (обратная мутация в исходную форму крайне мало вероятна и очень мала): dIm/dt = k4 Im + k2 Im - k5 Im

Для того, чтобы учесть требуемое сохранение постоянства вещества, энергии и информации после прекращения развития у взрослого организма, введем в формулы ограничение количества информации (I+Im=const), получив известную из кибернетики формулу самовоспроизводящейся системы с обратными положительными и отрицательными связями: dI/dt = k1 I / k4 (I + Im) - k2 Im - k3 I; dIm/dt = k5 Im / k4 (I + Im) + k2 Im - k6Im

Численная модель рассеивания начальной информации в стабилизировавшейся системе представлена на рисунке ниже.

При анализе модели учтено, что мутировавшие клетки обычно менее жизнеспособны и, кроме того, подвергаются иммунному надзору и гибнут поэтому быстрее, а также по тем же причинам с меньшей скоростью самообновляются. Соответственно коэффициенты для модели подобраны в случае графика: k1=0,3, k5=0,2, k4=0,1, k2=0,03, k3=0,05, k6=0,07.

На модели можно видеть, что со временем соотношение мутантных и неизмененных единиц информации стабилизируется, но в течение некоторого периода будет иметь место нарастание числа мутаци, что будет вести к нарастанию смертности. Вид кривой смертности, однако, не экспоненциальный, а линейный, а логарифм смертности – выпуклый, что значительно отличается от реальной картины. Это не удивительно, так как время установления равновесия I и Im невелико – фактически, например, время клеточного деления для клеток слизистой и кожи – дни и часы, поэтому на фоне многих лет жизни напрямую этот механизм вряд ли вносит существенный вклад в процесс старения. Накопление мутаций скорее отражает другие процессы – резкое (регуляторное) снижение скорости клеточного самообновления и снижение эффективности иммунного надзора с возрастом. Мутации важны и в случае повышения с возрастом риска возникновения опухолей, что вносит значительный вклад в причины смертности для млекопитающих вообще и человека в особенности.
На рисунке спонтанное рассеивание информации в сложных обновляющихся и мутирующих системах. По вертикали - значения параметров в условных единицах, по горизонтали - время в условных единицах.
I - количество начальной информации, Im - количество измененной информации, M - смертность, LgM - логарифм смертности. Коэффициенты подобраны для удоства отображения графика.

Так как мутации возможны самые разнообразные, то фактически за счет этого же механизма мы имеем и второе характерное для старения следствие: увеличение разнообразия исходно однородных структур. Увеличение разнообразия структур - появление большого количества "чужой" информации перегружает системы организма, ответственные за распознавание и удаление ее, причем, т.к. фактически, новые структуры лишь немного отличаются от старых и сохраняют во многих случаях практически на прежнем уровне функциональную способность и, соответственно, реальную ценность для организма, то чрезмерная реакция против "чужого" даже вредна.

Это известно на примере повышения уровня аутоантител против собственных структур организма с возрастом (результат реакции иммунной системы на "изменившееся свое") и снижении длительности жизни при слишком высоких уровнях таких антител. Фактически, организм со временем выходит на разумный баланс между аутоиммунным саморазрушением и неконтролируемым, в том числе опухолевым, ростом и разнообразием, причем оба процесса в конечном счете разрушительны.

Кроме того, так как информация контролирует потоки вещества и энергии, входящие в систему и выходящие из нее, то изменение баланса I/Im фактически означает снижение возможности отбора "нужной" вещественной и энергетической основы для строительства своей структуры и снижение распознавания и вывода "чужого" вещества и энергии - то-есть, отражает известный механизм старения - "накопления шлаков": ( d(I/Im)/dt = d(p2,w2/P1,W1)/dt ).

Полные математические выкладки для иллюстрации выше сказанного достаточно трудоемки, однако, не трудно видеть, что в общем виде оба процесса старения, как впрочем и уже описанные выше, это только частные проявления процесса нарастания энтропии, рассматриваемые с различных "точек зрения" - с точки зрения различных свойств живого вещества, живых систем. Действительно, и спонтанная потеря жизнеспособности в целом, и регуляторное снижение самообновления, и снижение структурной однородности и "загрязнение" организма не выведшимися и отложившимися "балластом" веществами - все это в глобальном плане есть отражение действия единственной причины - дискретности организма, действия законов термодинамики на частично открытую систему, не способную, после окончания развития, к эффективной дальнейшей эволюции. Авторы теории считают, что старение не есть "выработавшийся в эволюции феномен", нужной для исключения неэффективных форм жизни и смены новыми, старение отражает более глобальные закономерности Бытия вообще.

Использован материал с сайта www.longevity-library.narod.ru

Но некоторые ученые, занимающиеся исследованиями в рамках этой теории, например, Хамалайнен (Hamalainen) из Queen's University, Kingston, считают, что можно отказаться от роли эволюции в старении.  В своей статье "Термодинамика и информация в процессе старения" он пишет, что эти основополагающие принципы биологии в отношении старения остаются спорными. Если брать во внимание термодинамику и информацию в эволюционном аспекте, то они приводят к старению, как уже говорилось выше. Жизнь использует хранение информации для того,чтобы не находится в термодинамическом равновесиию. Т.к. любой процесс не может проходить со 100%-ной эффективностью, то силы отбора должны поддерживать "информационную жизнеспособность". Естественный отбор действует на уровне популяций, организм в отдельности не может осуществить аналогичный селективный процесс. Автор признает, что в этой теории старения есть еще много неясного, прежде всего спорная (по мнению многих ученых) роль эволюции.

В заключение

Теории старения, рассматривающие процесс на организменном уровне, это некие обобщения теорий на нижележащих уровнях организации. Они тесно переплетены между собой, хотя некоторые из них в настоящее время представляют собой чисто исторический интерес, но на их основе выросли современные теории старения...

18 ноября 2008 года

Комментарии

Оставить комментарий

Поделиться с друзьями

Share on Twitter