Время
Как мы увидим ниже, старение можно определить как известного рода изменения в живых системах, зависящие от времени.
Прежде чем перейти к обсуждению особенностей процессов старения, необходимо рассмотреть некоторые свойства времени.
Любопытно, что такое привычное понятие, как время, с трудом поддается определению. Обычно мы измеряем время, не давая ему определения, да и сама возможность дать адекватное определение слову время сомнительна, так как используемые для этого понятия — изменение, ускорение, скорость и т. д. — сами определяются через понятие времени.
Обычно по отношению ко времени у нас возникает три вопроса: 1) как измеряют время, 2) каким образом устанавливают последовательность событий, протекающих во времени, и 3) как определяют направление течения времени.
Измерение времени. На первый из поставленных вопросов ответить легче всего. Изменение времени в основном сводится к сопоставлению отношений, т. е. к подсчету числа естественных периодов, приходящихся на некий временной эталон в течение неизвестного интервала времени, который надо измерить. Например, первичным эталоном времени служит время обращения Земли вокруг своей оси; хотя скорость вращения Земли не совсем постоянна, однако она понижается так медленно, что для всех практических целей ее можно считать неизменным эталоном. Приборы, дающие вторичные эталоны времени (маятники, часы, осцилляторы с фиксированной частотой и т. п.), калибруют по этому первичному эталону. Калибровка в этом случае состоит в определении отношения одного эталона к другому. В равномерности течения времени нас убеждает необычайное постоянство соотношений, характерное для различных периодических процессов.
Последовательность во времени. Второе свойство времени относится к последовательности событий. Понятие временной последовательности, вероятно, лучше всего можно продемонстрировать, обратившись к идеализированной модели. Представим себе какую-то часть мирового пространства, в которой имеются материальные объекты (шары), движущиеся относительно друг друга. Можно построить трехмерную систему координат и приписать каждому шару определенную точку в этой системе координат в каждый момент. Теперь представим себе, что большое число таких точек было определено в разные моменты времени для всех этих шаров. Такие мгновенные координаты, полученные в различные случайно взятые моменты, можно расположить в определенном порядке по принципу наибольшего сходства (т. е. наименьшего отличия) между двумя тройками координат, относящимися к различным моментам времени.
Пренебрегая возможными силами взаимодействия между шарами или их столкновениями друг с другом, можно сделать любопытное наблюдение, а именно: изменения координат различных шаров находятся в постоянном соотношении друг с другом. Например, если разность значений некоторой координаты в два момента времени для шара I в 5 раз больше, чем соответствующая разность для шара II, то это отношение разностей координат в любые два других момента времени составит также 5 : 1. Иными словами, предмет, свободный от воздействия каких-либо сил, переместится за единицу времени на некоторое определенное расстояние, если считать, что время измеряется перемещением другого предмета, находящегося в таких же условиях.
На такой модели и при помощи описанных здесь измерений мы, конечно, не можем определить, течет ли время равномерно или — в нашем случае — в каком оно текло направлении, но можем лишь сказать, что оно текло одинаково для всех наших шаров и что, произведя достаточное число мгновенных измерений независимо от интервала между ними, можно установить определенную последовательность событий.
Направленность времени. Строго придерживаясь законов физики, можно расположить события во временном порядке, при условии, что мы располагаем достаточным числом отдельных мгновенных измерений, подобно тому как можно разложить кадры кинофильма в последовательности, приближающейся к подлинной. Следует, однако, заметить, что при этом мы бы не могли сказать, в каком направлении перемещались изучаемые объекты, т. е. мы не могли бы сказать на основании одних только мгновенных измерений, какое состояние было более ранним, а какое следовало за ним. Классическая механика, в которой рассматриваются абсолютно упругие тела, движущиеся без трения, не дает нам сведений о временной последовательности событий. Приписать течению времени определенное направление можно лишь на основании статистического изучения поведения больших ансамблей упругих тел или неупругих, более крупных тел, движущихся с трением.
Первый закон термодинамики утверждает, что общая энергия изолированной системы остается постоянной; однако, согласно второму закону, в закрытой системе происходит постепенное перераспределение энергии, так что в конечном счете она распределяется равномерно между частицами материи; это объясняется тем, что пути, по которым в закрытой системе тепловая кинетическая энергия может перераспределиться между более нагретыми и менее нагретыми предметами с уменьшением разности в температурах, многочисленны, тогда как число путей, по которым энергия может переноситься от менее нагретых предметов к более нагретым, меньше. Конечно, при некоторых условиях даже в системах, содержащих много взаимодействующих молекул и атомов, нагретые объекты будут нагреваться еще более за счет менее нагретых. Однако, поскольку a priori не существует никакого преимущественного распределения тепловой энергии в мультимолекулярной системе, вся тепловая энергия стремится к случайному распределению. Это влечет за собой (в большинстве случаев) постепенный переход тепла от более нагретых объектов к менее нагретым.
Именно меньшая вероятность того, что взаимодействие между атомами и молекулами приводит к концентрации, а не к рассеянию энергии, определяет прошлое и будущее. В общем вселенная пли по крайней мере та ее часть, которую. мы можем наблюдать, изменяется в направлении к более вероятному состоянию — к равновесию, или к состоянию случайного распределения энергии. Иными словами, при взаимодействии любых двух систем имеются шансы в пользу уравнивания их тепловой энергии и других форм энергии. Таким образом, направленность времени определяется направлением, в котором происходит самопроизвольное распределение энергии. Иными словами, мы можем решать, является ли данная «фотография» вселенной более ранней или более поздней на основании того, насколько она близка к конечному равновесию, причем та из них, которая соответствует состоянию, более близкому к равновесию, и будет изображать более позднюю стадию. Чем меньше часть вселенной, с которой мы имеем дело, тем больше вероятность того, что она окажется удаляющейся от состоянии равновесия, т. е. будет действовать, по существу, в отрицательном времени. В целом же, однако, в любой данный момент времени огромное большинство систем будет приближаться к равновесию.
Итак, мы показали, что время можно измерить либо путем сопоставления его с периодом какого-либо периодического процесса, либо на основании относительных положений свободно перемещающихся объектов. Было показано, что можно установить последовательность ряда мгновенных измерений координат какой-либо системы независимо от сложности выбранной системы, но что для столь простых систем, подчиняющихся классическим законам механики, невозможно установить направленность времени. Течению времени приписывается направленность на основании вероятности распределении энергии в системах атомов и молекул или исходя из того, что такие существенно необратимые процессы, как радиоактивный распад или направленное излучение световой энергии звездами, не могли бы в противном случае протекать с конечной вероятностью.
Помимо пользы подобного физического подхода к объективным свойствам времени для понимания проблемы старения, есть и другая причина, делающая желательным обсуждение изменения вселенной в направлении более вероятного состояния. Изменение живых систем в сторону более равномерного распределения их атомов и их тепловой энергии представляет собой установленный факт. Для количественной характеристики этих процессов можно прибегнуть к понятию энтропии и говорить об увеличении энтропии в пределах вселенной. Энтропия будет самопроизвольно увеличиваться в любой макросистеме, если только эта система не достигла устойчивого состояния и если она обладает достаточной тепловой энергией для осуществления соответствующих реакций. Старение и большая часть других изменений, сопровождающих дезорганизацию, не могут, конечно, происходить при температуре абсолютного нуля, так как подобные изменения связаны с движением молекул и их частей.
Старение
Прежде чем сформулировать определение процесса старения, необходимо дать определение живой системы. Среди биологов принято считать, что живые организмы представляют собой мутабильные химические системы, использующие энергию и вещество из окружающей среды для самовоспроизведения. Самые различные типы живых систем оказываются способными использовать вещество и энергию благодаря изменчивости, в основе которой лежит способность к мутациям. Из всех возможных форм жизни сохраняются лишь те, которые способны на протяжении ряда поколений наиболее эффективно использовать пищу и энергию и побеждать другие формы в конкуренции за эти источники существования, Современные виды — это наиболее удачливые потомки первичного комочка протоплазмы, прошедшие на протяжении миллиардов лет сквозь все превратности судьбы, выстоявшие в борьбе за существование и избежавшие гибели.
Развитие отдельных индивидуумов началось на ранних этапах эволюции; оказалось, что у подобных форм жизни больше шансов выжить, чем у сплошной, неоформленной массы протоплазмы, Преимущество отдельных организмов перед массивным синцитием состоит в их дискретности. Такой организм может с успехом выполнять свои жизненные функции в благоприятных условиях своей экологической ниши, не будучи обременен необходимостью поддерживать существование тех своих частей, которые оказались бы при этом в неблагоприятных условиях.
Если не считать старения клонов, о котором пойдет речь ниже, то можно утверждать, что процесс старения характерен не для тех или иных видов или штаммов животных, а для отдельных представителей этих видов, т. е. для особей.
Очевидно, положительную роль в сохранении тех или иных видов в процессе эволюции сыграли именно те изменения в строении организмов, которые увеличивали вероятность выживания данной группы на протяжении длительного периода времени. Этой общей «цели» служили некоторые специальные приспособительные механизмы, как-то: более интенсивное размножение или приспособление к новым условиям питания.
Другие группы растений и животных сохранились в процессе эволюции благодаря повышению устойчивости отдельных носителей данного наследственного вещества, а не благодаря простому увеличению их численности. В этом случае адаптация проявилась либо в формировании более прочных структур (например, толстая кора долгоживущих секвой, панцирь черепахи), либо в возникновении механизмов, обеспечивающих существование в условиях недостатка пищи и воды (спорообразование, зимняя спячка, создание жировых дело), либо, наконец, в появлении способности к адаптивным реакциям на изменения условий существования — способности, которая повышает вероятность выживания, по крайней мере до достижения половой зрелости. Совершенно ясно, что те формы растений или животных, представители которых погибают, не достигнув половой зрелости, оказываются в весьма невыгодном положении при отборе. Они элиминируются на протяжении одного поколения. Значительно труднее оценить, какую роль играет при отборе ослабление способности к адаптации, наступающее в пострепродуктивном периоде. В некоторых случаях подобное ослабление даже повышает шансы данной группы на распространение в течение длительного периода времени. В других случаях проявляются вредные последствия старения, которые, однако, недостаточно сильны, чтобы привести к элиминации данной генетической группы. В большинстве случаев неблагоприятные изменения в пострепродуктивном периоде оказывают незначительное влияние на выживание данной группы или вовсе на него не влияют. Каково бы ни было эволюционное происхождение старения, мы можем определить его здесь как совокупность изменений, возникающих, как правило, в пострепродуктивном периоде и приводящих к понижению жизнеспособности отдельного организма. Из этого определения ясно, что в различных эволюционных группах понижение жизнеспособности может быть вызвано разными причинами. Возможно, однако, что существует один или несколько общих механизмов старения, что, быть может, обусловлено сходством эволюции многих групп животных и растений.
Комфорт, который в основном разделяет такое мнение, формулирует свое определение следующим образом:
«Старение — процесс разрушительный. Его мерой может служить степень понижения жизнеспособности я повышения чувствительности к неблагоприятным воздействиям. Возможны другие определения старения, но они не согласуются с привычными представлениями об этом процессе. Старение проявляется в повышении с возрастом вероятности смерти. Изучение старения — это исследование группы процессов (различных у разных организмов), приводящих к повышению их чувствительности к неблагоприятным влияниям среды».
Медавар дает следующее определение:
«Старение представляет собой ослабление физических сил и энергии организма, происходящее с возрастом и повышающее вероятность смерти от случайных причин. Строго говоря, слово «случайный» здесь излишне, так как всякая смерть в какой-то мере случайна. Ни одна смерть не может считаться «естественной»; никто не умирает только под бременем лет».