Биологические основы старения и долголетия

Чтобы понять, как это может происходить, давайте посмотрим на организм как на кибернетическую систему, состоящую из 30 трилл. элементов (клеток), согласованное функционирование которых происходит благодаря регулирующему воздействию центральных элементов (нейронов) головного мозга. Разумеется, в регуляции функций принимают участие и эндокринная система, и элементы периферической нервной системы и т. д. Однако твердо установлено, что главными элементами в регуляции являются центры головного мозга, составляющие их нейроны. Поэтому "мозг — это та повозка, на которой едет все" (Уорд Холстэд). Но это очень хрупкая "повозка". Уязвимость человеческого организма, прежде всего его мозга, по отношению к внешним воздействиям и даже к внутренним изменениям давно поняли не только биологи или врачи, но и просто мыслители. Паскаль называл человека мыслящим тростником, подчеркивая его хрупкость. А Стефан Цвейг писал: "Наш мозг — этот созданный из нежнейшего вещества механизм, этот тончайший точный прибор нашего познания так хрупок, так сложен, что достаточно задетого сосудика, одного потревоженного нерва, переутомленной, клетки, малейшего изменения какой-нибудь молекулы, чтобы нарушить высшую всеобъемлющую гармонию человеческого ума". Правда и то, что природа нашла все же способы увеличения надежности функционирования и самого мозга. Хорошо известно, что одним из основных путей увеличения надежности кибернетической системы является достаточная избыточность элементов, выполняющих одну и ту же функцию. Причем избыточность регулирующих элементов может обеспечить не только долговечность функционирования системы, но и ее эффективность.

В организме, как и в технической системе, кроме функционально значимых (полезных) сигналов, осуществляющих прямые и обратные связи между центральными (регулирующими) и регулируемыми элементами, возникают и так называемые шумы, т. е. сигналы, не несущие информации. Следовательно, с уменьшением числа нейронов в головном мозге должно уменьшаться отношение амплитуды сигнала к амплитуде шума. Это действительно наблюдается при старении человека, причем не только в головном мозге, но и в других органах и тканях. Например, содержание различных метаболитов (веществ, образующихся в процессе нормальной жизнедеятельности) в крови людей пожилого и старческого возраста значительно менее постоянно, чем в крови молодых людей.

Но для организма, по-видимому, страшнее другое: уменьшение числа нейронов и снижение эффективности функционирования оставшихся клеток приводит к тому, что устойчивость организма к этим шумам уменьшается.

Ведь "постоянство внутренней среды организма — условие свободной и независимой жизни". Эти слова, написанные Клодом Берналом в 1878 году, и сегодня вспоминают физиологи старшего поколения, читавшие труды своего знаменитого французского коллеги.

Особенно большой устойчивостью отличаются температура тела, содержание (соотношение) жизненно важных элементов и физико-химические свойства крови (рН, осмотическое давление). Однако это постоянство все же не абсолютно: как любые другие процессы в природе, биохимические и физиологические процессы подвержены спонтанным изменениям (флуктуациям). На эти "фоновые" колебания наслаиваются изменения, индуцируемые непрерывными раздражениями, которым подвергается организм человека или которым его подвергает сам. человек (изменение температуры, влажности и атмосферного давления воздуха, прием горячей ванны или холодного душа, "солнечные ванны"). Даже состав крови — этой постоянной внутренней среды организма неизбежно подвержен кратковременным, а иногда даже затяжным колебаниям. Все это становится причиной изменений биохимических или физиологических процессов.

Но изменение ведущих физиологических функций центральной нервной системы, кровообращения, дыхания индуцируется, как правило, лишь на относительно короткое время. В организме "заложены" многие средства, с помощью которых эти изменения с той или иной скоростью устраняются. Это физиологические средства охраны постоянства внутренней среды. Существуют и молекулярные механизмы поддержания относительного динамического постоянства (гомеостаза) физиологических функций и обмена веществ.

Гибель нейронов и других клеток, участвующих в нейрогуморальной регуляции, не только снижает эффективность этой регуляции, но и делает организм, как правило, более чувствительным к эндогенным (спонтанным) флуктуациям и индуцируемым внешними воздействиями изменениям внутренней среды.

Колебания физико-химических и физиологических параметров, которые для молодого организма были бы совершенно безвредны, в старости могут быть причиной развития патологических процессов и смерти. Это схематически изображено на рис. 4.

Рис. 4. Схема, демонстрирующая уменьшение надежности организма, 'запаса прочности' его функций после завершения развития. Ломаная линия между верхней и нижней прямыми обозначает колебания различных свойств организма вследствие спонтанных изменений (флуктуации) или вследствие резкого изменения условий существования: недоедание или переедание, охлаждение или перегревание организма и т. д

Свойства организма, протекающие в нем процессы прямо или косвенно зависят от генетической информации, которая закодирована в последовательности оснований дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) половых клеток. После оплодотворения, т. е. соединения мужской и женской половых клеток в одну клетку — зиготу, начинается реализация генетической программы развития посредством деления и дифференцировки зиготы, ее дочерних и последующих клеток. В результате образуются различные органы, формируется целостный организм.

Образование клеток определенного типа, формирование из них органов и начало функционирования организма происходят по определенной программе. Эта программа определяется главным образом генетической информацией, содержащейся в ДНК. Именно различиями в этой информации объясняют не только особенности строения и функции того или иного организма, но и особенности его развития, общую продолжительность, соотношение различных фаз развития и т. д. Но если развитие организма определяется генетической информацией, то нельзя ли то же самое сказать и о возрастных изменениях, приводящих организм к старению и смерти?

Причины завершения жизни однолетних растений и некоторых животных, например горбуши, аналогичны тем, которые характеризуют их развитие. Иначе говоря, гибель этих организмов, очевидно, также является следствием реализации генетической информации, она как бы запрограммирована. О механизмах реализации генетической информации кратко будет рассказано дальше, а сейчас лишь подчеркнем: те из них, которые "работают" в процессе развития, отнюдь не идентичны тем, которые определяют программированную гибель. Механизм последней может быть подобен процессу разрушения машины вследствие взрыва в ней мины, имеющей часовой механизм, который является деталью, необходимой для работы самой машины.

Теперь твердо доказано: среди генов, составляющих геном человека или других животных организмов, есть такие, которые аналогичны по своей структуре генам онкогенных вирусов (ретровирусов), "ответственных" за способность этих вирусов вызывать превращение (трансформацию) нормальных клеток в раковые. Под влиянием физических или химических канцерогенных агентов окружающей среды или "спонтанно" — при старении клеток и организма — такие "встроенные" в геном человека гены могут изменяться (мутировать) и активироваться. С этим может быть связано развитие раковых заболеваний, от которых погибает значительная часть людей пожилого и преклонного возраста.

Но большая часть организмов завершает свою жизнь по другим механизмам. Уже на ранних стадиях развития организма в нем происходят процессы, которые не закодированы в генах половых клеток. Ведь что такое реализация генетической информации? Это синтез под контролем определенных генов специфических белков, главным образом ферментов, катализирующих или непосредственно осуществляющих различные процессы. Однако в клетках протекают и такие реакции, которые непосредственно не катализируются ферментами. Эти реакции начинаются (инициируются) вследствие теплового разрушения молекул или реакции последних с продуктами метаболизма клетки. Такие реакции мы назовем боковыми, поскольку они являются следствием выхода метаболитов из запрограммированного цикла превращений.