22:43
энтропия
Старение — уступка энтропии?
Изредка встречаются люди, к которым неприменимы обычные законы и правила — они могут обходиться без сна, не заражаются опасными инфекциями во время самых страшных эпидемий. Однако нет человека, который неподвластен старению. Все живое стареет, разрушается и погибает. И даже неживая природа: здания, камни, мосты и дороги — тоже постепенно ветшают и приходят в негодность. Очевидно, что старение — это некий обязательный процесс, общий для живой и неживой природы.
Немецкий физик Р. Клаузис в 1865 году впервые пролил свет на глубинные причины этого явления. Он постулировал, что в природе все процессы протекают асимметрично, однонаправ ленно. Разрушение происходит само собой, а созидание требует затраты энергии. За счет этого в мире постоянно происходит нарастание энтропии — обесценивание энергии и увеличение хаоса. Этот фундаментальный закон естествознания называется также вторым началом термодинамики. Согласно ему, для создания и существования любой структуры необходим приток энергии извне, поскольку сама по себе энергия имеет тенденцию рассеиваться в пространстве (этот процесс более вероятен, чем создание упорядоченных структур). Живые организмы относятся к открытым термодинамическим системам: растения поглощают солнечную энергию и преобразуют ее в органические и неорганические соединения, животные организмы разлагают эти соединения и таким образом обеспечивают себя энергией. При этом живые существа находятся в термодинамическом равновесии с окружающей средой, постепенно отдают или рассеивают энергию, поставляя энтропию в мировое пространство.
Оказалось, однако, что существование живых организмов не полностью исчерпывается вторым началом термодинамики. Закономерности их развития объясняет третий закон термодинамики, обоснованный выдающимся бельгийским ученым И. Пригожиным, выходцем из России: избыток свободной энергии, поглощенный открытой системой, может приводить к самоусложнению системы. Существует определенный уровень сложности, находясь ниже которого система не может воспроизводить себе подобных.
Живые организмы в каком-то смысле противостоят нарастанию энтропии и хаоса во Вселенной, образуя все более сложные структуры и накапливая информацию. Этот процесс противоположен процессу старения. Такая борьба с энтропией возможна, по-видимому, благодаря существованию неустаревающей генетической программы, которая многократно переписыва ется и передается следующим поколениям. Живой организм можно сравнить с книгой, которая постоянно переиздается. Бумага, на которой написана книга, может износиться и истлеть, но содержание ее вечно.
Бессмертные бактерии
Когда мы говорили о том, что все живое подвержено старению, то допустили неточность: есть ситуации, к которым это правило неприменимо. Например, что происходит, когда живая клетка или бактерия в процессе размножения делится пополам? Она дает начало двум другим клеткам, которые в свою очередь снова делятся, и так до бесконечности. Клетка, давшая начало всем остальным, не успела состариться, фактически она осталась бессмертной. Вопрос о старении у одноклеточных организмов и непрерывно делящихся клеток, например половых или опухолевых, остается открытым. А. Вейсман в конце ХIХ века создал теорию, которая постулировала бессмертие бактерий и отсутствие у них старения. многие ученые согласны с ней и сегодня, другие же подвергают ее сомнению. Доказательств хватает у тех и других.
А как обстоит дело с многоклеточными организмами? Ведь у них большая часть клеток не может постоянно делиться, они должны выполнять какие-то другие задачи — обеспечивать движение, питание, регуляцию внутренних процессов. Это противоречие между необходимостью специализации клеток и сохранением их бессмертия природа разрешила путем разделения клеток на два типа. Соматические клетки поддерживают жизненные процессы в организме, а половые клетки делятся, обеспечивая продолжение рода. Соматические клетки стареют и умирают, половые же практически вечны. Существование огромных и сложных многоклеточных организмов, содержащих триллионы соматических клеток, в сущности направлено к тому, чтобы обеспечить бессмертие половых клеток.
Как же происходит старение соматических клеток? Американский исследователь Л. Хейфлик установил, что существуют механизмы, ограничивающие число делений: в среднем каждая соматическая клетка способна не более чем на 50 делений, а затем стареет и погибает. Постепенное старение целого организма обусловлено тем, что все его соматические клетки исчерпали отпущенное на их долю число делений. После этого клетки стареют, разрушаются и погибают.
Если соматические клетки нарушают этот закон, они делятся непрерывно, многократно воспроизводя свои новые копии. Ни к чему хорошему это не приводит — ведь именно так появляется в организме опухоль. Клетки становятся “бессмертными”, но это мнимое бессмертие в конечном счете покупается ценой гибели всего организма.
С кислородом нужно обращаться осторожно
Есть еще один фактор, определяющий продолжительность жизни, — это парциальное давление кислорода. Концентрация кислорода в воздухе составляет 20,8 процента. Уменьшение или увеличение этой цифры возможно только в узких рамках, иначе живые организмы погибают. То, что нехватка кислорода губительна для живого, хорошо известно. А вот об опасности его избытка осведомлены немногие. Чистый кислород убивает лабораторных животных в течение нескольких дней, а при давлении 2—5 атмосфер этот срок сокращается до часов и минут. Так что этот газ не только необходим для жизни, он может быть и страшным универсальным ядом, убивающим все живое. Многие ученые считают, что атмосфера Земли в ранний период ее развития не содержала кислорода, и именно это обстоятельство способствовало возникновению жизни на нашей планете. По приблизительным оценкам специалистов, насыщенная кислородом атмосфера Земли образовалась около 1,4 миллиарда лет назад в результате жизнедеятельности примитивных организмов, способных к фотосинтезу. Они поглощали солнечную энергию и углекислый газ и выделяли кислород. Их существование и создало предпосылки для возникновения других видов живых организмов — потребляющих кислород для дыхания. Однако живым существам нужно было позаботиться о том, чтобы нейтрализовать токсичность этого вещества.
Сама по себе молекула кислорода и продукт ее полного восстановления водородом — вода — не токсичны. Однако восстановление кислорода протекает таким образом, что почти на всех ступеньках процесса образуются продукты, повреждающие клетки: супероксидный анион-радикал, перекись водорода и гидроксильный радикал. Их называют активными формами кислорода. Организмы, использующие кислород для дыхания, с помощью ферментов и белковых катализаторов предотвращают выработку этих веществ или снижают их вредное действие на клетки.
Американские биохимики Дж. Мак Корд и И. Фридович в 1969 году обнаружили, что основную роль в такой защите играет фермент супероксиддисмутаза. Этот фермент превращает супероксидные анион-радикалы в более безобидную перекись водорода и в молекулярный кислород. Перекись водорода тут же разрушается другими ферментами — каталазой и пероксидазами.
Открытие механизма обезвреживания активных форм кислорода дало ключ другим исследователям к пониманию проблем радиобиологии, онкологии, иммунологии и геронтологии. Английский исследователь Д. Харман выдвинул так называемую свободнорадикальную теорию старения. Он предположил, что возрастные изменения в клетках обусловлены накоплением в них повреждений, вызываемых свободными радикалами — осколками молекул, которые имеют неспаренный электрон и в силу этого обладают повышенной химической активностью. Такие свободные радикалы могут образовываться в клетках под действием радиации, некоторых химических реакций и перепадов температуры. Но главным источником свободных радикалов в организме является восстановление молекулы кислорода. Поэтому можно сказать, что старение в целом — это следствие разрушительного, ядовитого действия кислорода на организм, которое постепенно нарастает с возрастом.
Биохимия старения
После того как стало ясно, что супероксиддисмутаза играет роль “фермента антистарения” в клетке, исследователи задались вопросом: не является ли активность этого фермента ключевой причиной возрастных изменений и различий в продолжительности жизни? Следовало ожидать, что с возрастом активность фермента падает, а разрушительное влияние кислорода увеличивается. Оказалось, однако, что активность супероксиддисмутазы в большинстве случаев меняется с возрастом весьма незначительно.
Накопление возрастных изменений в клетках зависит от соотношения двух процессов: образования свободных радикалов и их обезвреживания. “Фабриками” свободных радикалов служат маленькие продолговатые тельца внутри клетки — митохондрии, ее энергетические станции. Эти структуры Д. Харман назвал молекулярными часами клетки: чем быстрее идет в них выработка радикалов, тем быстрее крутятся стрелки на часах и тем меньше времени остается жить клетке. У видов с низкой продолжительностью жизни митохондрии работают очень активно, больше образуется радикалов и быстрее накапливаются повреждения структур клетки, приводя к ее преждевременному старению. Например, у комнатной мухи митохондрии вырабатывают радикалы в 24 раза интенсивнее, чем у коровы. Исследователи провели опыт: комнатных мух содержали в атмосфере чистого кислорода (это значительно ускоряет старение) и наблюдали, что происходит с митохондриями. Система защиты от активных форм кислорода работает достаточно надежно, но через нее все же постоянно проскальзывают отдельные радикалы, которые не успели вступить во взаимодействие с антиокислительными ферментами. Причиной такой неполадки служит, по-видимому, второй закон термодинамики, который исключает стопроцентную эффективность энергетических процессов. Возникнув в клетке, радикалы повреждают ее внутренние структуры, а также оболочки самих митохондрий, что усиливает утечку. В результате становится все больше и больше активных форм кислорода, и они постепенно разрушают клетку. Происходит то, что мы называем старением.
Скорость “поставки” радикалов в клетку увеличивается и в разных органах млекопитающих по мере старения организма. Количество свободных радикалов, образующихся в клетке, по-видимому, тем больше, чем выше уровень потребления кислорода, или интенсивность обмена веществ. Американский геронтолог Р. Катлер и его сотрудники показали, что продолжительность жизни животных и человека определяется соотношением активности супероксиддисмутазы к интенсивности обмена веществ. Стало ясно, почему у некоторых видов с высоким уровнем затраты энергии, в том числе и у человека, продолжительность жизни не укладывается в энергетическое правило поверхности Рубнера. Высокий уровень активности супероксиддисму тазы защищает человека и животных с интенсивным обменом веществ от преждевременного старения
Изредка встречаются люди, к которым неприменимы обычные законы и правила — они могут обходиться без сна, не заражаются опасными инфекциями во время самых страшных эпидемий. Однако нет человека, который неподвластен старению. Все живое стареет, разрушается и погибает. И даже неживая природа: здания, камни, мосты и дороги — тоже постепенно ветшают и приходят в негодность. Очевидно, что старение — это некий обязательный процесс, общий для живой и неживой природы.
Немецкий физик Р. Клаузис в 1865 году впервые пролил свет на глубинные причины этого явления. Он постулировал, что в природе все процессы протекают асимметрично, однонаправ ленно. Разрушение происходит само собой, а созидание требует затраты энергии. За счет этого в мире постоянно происходит нарастание энтропии — обесценивание энергии и увеличение хаоса. Этот фундаментальный закон естествознания называется также вторым началом термодинамики. Согласно ему, для создания и существования любой структуры необходим приток энергии извне, поскольку сама по себе энергия имеет тенденцию рассеиваться в пространстве (этот процесс более вероятен, чем создание упорядоченных структур). Живые организмы относятся к открытым термодинамическим системам: растения поглощают солнечную энергию и преобразуют ее в органические и неорганические соединения, животные организмы разлагают эти соединения и таким образом обеспечивают себя энергией. При этом живые существа находятся в термодинамическом равновесии с окружающей средой, постепенно отдают или рассеивают энергию, поставляя энтропию в мировое пространство.
Оказалось, однако, что существование живых организмов не полностью исчерпывается вторым началом термодинамики. Закономерности их развития объясняет третий закон термодинамики, обоснованный выдающимся бельгийским ученым И. Пригожиным, выходцем из России: избыток свободной энергии, поглощенный открытой системой, может приводить к самоусложнению системы. Существует определенный уровень сложности, находясь ниже которого система не может воспроизводить себе подобных.
Живые организмы в каком-то смысле противостоят нарастанию энтропии и хаоса во Вселенной, образуя все более сложные структуры и накапливая информацию. Этот процесс противоположен процессу старения. Такая борьба с энтропией возможна, по-видимому, благодаря существованию неустаревающей генетической программы, которая многократно переписыва ется и передается следующим поколениям. Живой организм можно сравнить с книгой, которая постоянно переиздается. Бумага, на которой написана книга, может износиться и истлеть, но содержание ее вечно.
Бессмертные бактерии
Когда мы говорили о том, что все живое подвержено старению, то допустили неточность: есть ситуации, к которым это правило неприменимо. Например, что происходит, когда живая клетка или бактерия в процессе размножения делится пополам? Она дает начало двум другим клеткам, которые в свою очередь снова делятся, и так до бесконечности. Клетка, давшая начало всем остальным, не успела состариться, фактически она осталась бессмертной. Вопрос о старении у одноклеточных организмов и непрерывно делящихся клеток, например половых или опухолевых, остается открытым. А. Вейсман в конце ХIХ века создал теорию, которая постулировала бессмертие бактерий и отсутствие у них старения. многие ученые согласны с ней и сегодня, другие же подвергают ее сомнению. Доказательств хватает у тех и других.
А как обстоит дело с многоклеточными организмами? Ведь у них большая часть клеток не может постоянно делиться, они должны выполнять какие-то другие задачи — обеспечивать движение, питание, регуляцию внутренних процессов. Это противоречие между необходимостью специализации клеток и сохранением их бессмертия природа разрешила путем разделения клеток на два типа. Соматические клетки поддерживают жизненные процессы в организме, а половые клетки делятся, обеспечивая продолжение рода. Соматические клетки стареют и умирают, половые же практически вечны. Существование огромных и сложных многоклеточных организмов, содержащих триллионы соматических клеток, в сущности направлено к тому, чтобы обеспечить бессмертие половых клеток.
Как же происходит старение соматических клеток? Американский исследователь Л. Хейфлик установил, что существуют механизмы, ограничивающие число делений: в среднем каждая соматическая клетка способна не более чем на 50 делений, а затем стареет и погибает. Постепенное старение целого организма обусловлено тем, что все его соматические клетки исчерпали отпущенное на их долю число делений. После этого клетки стареют, разрушаются и погибают.
Если соматические клетки нарушают этот закон, они делятся непрерывно, многократно воспроизводя свои новые копии. Ни к чему хорошему это не приводит — ведь именно так появляется в организме опухоль. Клетки становятся “бессмертными”, но это мнимое бессмертие в конечном счете покупается ценой гибели всего организма.
С кислородом нужно обращаться осторожно
Есть еще один фактор, определяющий продолжительность жизни, — это парциальное давление кислорода. Концентрация кислорода в воздухе составляет 20,8 процента. Уменьшение или увеличение этой цифры возможно только в узких рамках, иначе живые организмы погибают. То, что нехватка кислорода губительна для живого, хорошо известно. А вот об опасности его избытка осведомлены немногие. Чистый кислород убивает лабораторных животных в течение нескольких дней, а при давлении 2—5 атмосфер этот срок сокращается до часов и минут. Так что этот газ не только необходим для жизни, он может быть и страшным универсальным ядом, убивающим все живое. Многие ученые считают, что атмосфера Земли в ранний период ее развития не содержала кислорода, и именно это обстоятельство способствовало возникновению жизни на нашей планете. По приблизительным оценкам специалистов, насыщенная кислородом атмосфера Земли образовалась около 1,4 миллиарда лет назад в результате жизнедеятельности примитивных организмов, способных к фотосинтезу. Они поглощали солнечную энергию и углекислый газ и выделяли кислород. Их существование и создало предпосылки для возникновения других видов живых организмов — потребляющих кислород для дыхания. Однако живым существам нужно было позаботиться о том, чтобы нейтрализовать токсичность этого вещества.
Сама по себе молекула кислорода и продукт ее полного восстановления водородом — вода — не токсичны. Однако восстановление кислорода протекает таким образом, что почти на всех ступеньках процесса образуются продукты, повреждающие клетки: супероксидный анион-радикал, перекись водорода и гидроксильный радикал. Их называют активными формами кислорода. Организмы, использующие кислород для дыхания, с помощью ферментов и белковых катализаторов предотвращают выработку этих веществ или снижают их вредное действие на клетки.
Американские биохимики Дж. Мак Корд и И. Фридович в 1969 году обнаружили, что основную роль в такой защите играет фермент супероксиддисмутаза. Этот фермент превращает супероксидные анион-радикалы в более безобидную перекись водорода и в молекулярный кислород. Перекись водорода тут же разрушается другими ферментами — каталазой и пероксидазами.
Открытие механизма обезвреживания активных форм кислорода дало ключ другим исследователям к пониманию проблем радиобиологии, онкологии, иммунологии и геронтологии. Английский исследователь Д. Харман выдвинул так называемую свободнорадикальную теорию старения. Он предположил, что возрастные изменения в клетках обусловлены накоплением в них повреждений, вызываемых свободными радикалами — осколками молекул, которые имеют неспаренный электрон и в силу этого обладают повышенной химической активностью. Такие свободные радикалы могут образовываться в клетках под действием радиации, некоторых химических реакций и перепадов температуры. Но главным источником свободных радикалов в организме является восстановление молекулы кислорода. Поэтому можно сказать, что старение в целом — это следствие разрушительного, ядовитого действия кислорода на организм, которое постепенно нарастает с возрастом.
Биохимия старения
После того как стало ясно, что супероксиддисмутаза играет роль “фермента антистарения” в клетке, исследователи задались вопросом: не является ли активность этого фермента ключевой причиной возрастных изменений и различий в продолжительности жизни? Следовало ожидать, что с возрастом активность фермента падает, а разрушительное влияние кислорода увеличивается. Оказалось, однако, что активность супероксиддисмутазы в большинстве случаев меняется с возрастом весьма незначительно.
Накопление возрастных изменений в клетках зависит от соотношения двух процессов: образования свободных радикалов и их обезвреживания. “Фабриками” свободных радикалов служат маленькие продолговатые тельца внутри клетки — митохондрии, ее энергетические станции. Эти структуры Д. Харман назвал молекулярными часами клетки: чем быстрее идет в них выработка радикалов, тем быстрее крутятся стрелки на часах и тем меньше времени остается жить клетке. У видов с низкой продолжительностью жизни митохондрии работают очень активно, больше образуется радикалов и быстрее накапливаются повреждения структур клетки, приводя к ее преждевременному старению. Например, у комнатной мухи митохондрии вырабатывают радикалы в 24 раза интенсивнее, чем у коровы. Исследователи провели опыт: комнатных мух содержали в атмосфере чистого кислорода (это значительно ускоряет старение) и наблюдали, что происходит с митохондриями. Система защиты от активных форм кислорода работает достаточно надежно, но через нее все же постоянно проскальзывают отдельные радикалы, которые не успели вступить во взаимодействие с антиокислительными ферментами. Причиной такой неполадки служит, по-видимому, второй закон термодинамики, который исключает стопроцентную эффективность энергетических процессов. Возникнув в клетке, радикалы повреждают ее внутренние структуры, а также оболочки самих митохондрий, что усиливает утечку. В результате становится все больше и больше активных форм кислорода, и они постепенно разрушают клетку. Происходит то, что мы называем старением.
Скорость “поставки” радикалов в клетку увеличивается и в разных органах млекопитающих по мере старения организма. Количество свободных радикалов, образующихся в клетке, по-видимому, тем больше, чем выше уровень потребления кислорода, или интенсивность обмена веществ. Американский геронтолог Р. Катлер и его сотрудники показали, что продолжительность жизни животных и человека определяется соотношением активности супероксиддисмутазы к интенсивности обмена веществ. Стало ясно, почему у некоторых видов с высоким уровнем затраты энергии, в том числе и у человека, продолжительность жизни не укладывается в энергетическое правило поверхности Рубнера. Высокий уровень активности супероксиддисму тазы защищает человека и животных с интенсивным обменом веществ от преждевременного старения
