В последующих главах мы подробно рассмотрим различные проявления старения на разных уровнях организации.
Так, мы проведем анализ смертности и обсудим соответствующие теории; дадим обзор результатов не следования общей жизнеспособности и функциональных проб; приведем результаты подробных гистологических, цитологических и биохимических исследований, выявляющих соответствующие изменения в клетках и субклеточных компонентах. Хотя в первую очередь будут рассмотрены более сложные явления, мы по возможности сопоставим их с явлениями на элементарных уровнях» В основе этих изменений лежат четыре источника вредных воздействий, приводящих к изменениям на молекулярном или клеточном уровне. Эволюционный отбор действует в конечном итоге на уровне отдельных химических катализаторов.
Так, гены влияют на ту или иную функцию, — а через нее и на выносливость организма, — воздействуя (прямо или косвенно) на определенные химические реакции, протекающие на клеточном уровне. В таком контексте гены можно рассматривать как продуценты систем катализаторов, использующих вещества и энергию окружающей среды для самовоспроизведения. Процессы, вызывающие элементарные изменения структуры, а в конечном счете и функции, порождаются процессами двух противоположных типов. Первый тип — это так называемые стохастические процессы, т. е. процессы, возникающие под влиянием маловероятного события, не предопределенного генетической структурой организма, второй тип — это генетические процессы.
Существует определенная вероятность появления в данной физической системе любой возможной реакции. Живые системы используют катализаторы, что повышает вероятность определенных событий. Это осуществляется путем снижения энергетических барьеров для соответствующих реакций. Другими словами, катализаторы влияют на скорость, но не на характер возможных реакций. Генетический аппарат данного организма «выбирает» из всех возможных реакций такие, которые обеспечили бы возникновение в процессе отбора преемственных линий координированно функционирующей протоплазмы. Поскольку возникновение данной каталитической реакции меняет концентрации реагирующих веществ и продуктов реакции, оно меняет также скорость других некаталитических реакций и, таким образом, влияет на чисто стохастические события. Кроме того, случайный синтез и распад молекул происходят в любой системе — даже в отсутствие катализаторов. Те реакции, которые происходят без участия катализаторов, мы называем их молекулярными стохастическими процессами.
Возникновение процессов, не предусмотренных генетической программой, возможно не только на молекулярном, но и на макромолекулярном уровне. Такие процессы, или события, принято называть случайными.
Поскольку случайные события (в широком и узком смысле) влияют на вероятность того, что данная особь доживет до наступления половой зрелости, не удивительно, что эволюция благоприятствовала появлению таких форм, строение и функция которых способствовали снижению вероятности смерти вследствие случайных событий. У этих форм развивается такой геном, который обеспечивает компенсацию влияния на организм закономерно повторяющихся событий, происходящих в окружающей среде, или приспособление к этим влияниям. Что же касается редких или уникальных событий, то соответствующий «компенсирующий» элемент может оказаться в геноме лишь случайно.
Из всех факторов, вызывающих в конечном счете молекулярные или клеточные нарушения, лишь те факторы, которые связаны со случайными событиями, можно в какой-то степени предвидеть и устранить, изменяя условия среды. Факторы, относящиеся к двум другим категориям, по-видимому, подчинены лишь отбору (если не считать тех редких нарушений, которые мы научились компенсировать протезированием — очки, зубные протезы). Рассмотрим теперь более подробно сущность стохастических и генетических причин, лежащих в основе старения или морфологических возрастных изменений.
Каждую из основных групп морфологических изменений можно подразделить на две категории: изменения, вызванные физическими факторами, и изменения, вызванные химическими факторами.
Случайные события на макроуровне — это события, связанные с одновременным разрушением большого числа молекул и даже целого организма. У них много общих черт. Во-первых, источником их обычно является внешняя среда. Иногда такие случайные события на макроуровне все же возникают в результате нарушения интегративной функции отдельных частей организма, хотя в общем давление отбора благоприятствовало развитию гомогенной и «уравновешенной» внутренней среды, в условиях которой функционируют отдельные компоненты организма.
Второе общее свойство случайных событий, происходящих на макроуровне, состоит в том, что их, как правило, все же можно предвидеть, а следовательно, ими можно управлять. Само собой разумеется, что в этом отношении наши возможности не безграничны. Эволюция высших организмов как раз и характеризуется развитием специальных механизмов, позволяющих «предвидеть» будущие события и принимать меры предосторожности. Развитие интеллекта, а также возникновение общества и развитие цивилизации позволили свести к минимуму неблагоприятные воздействия внешней среды. Это было достигнуто в результате коллективных усилий; объективные измерения, регистрация различных явлений послужили основой для предвидения будущих событий. При взаимодействии с последовательностями явлений во времени и пространстве разум, в сущности, действует подобно простейшему катализатору.
На схеме II перечислены случайные события на макроуровне — от бактериальных инфекций до постоянного воздействия социального стресса, — к которым организм адаптируется либо в результате естественного отбора, либо путем обучения. Необходимо отметить, что в ответ на каждый из перечисленных факторов возникают компенсаторные реакции; так, бактериальная инфекция вызывает образование антител, воздействие тепла или холода— изменения кровотока; при травмах, ожогах и отморожениях нередко происходит замещение поврежденных участков новой грануляционной тканью с образованием рубца, причем у некоторых животных возможна регенерация целых органов. «Изнашивание» компенсируется циклическими процессами замещения и обновления, характерными именно для тех тканей, которые более других подвержены воздействию внешних факторов. Длительное воздействие интенсивной солнечной радиации приводит к адаптивным изменениям окраски. К неравномерному поступлению пищи организм приспосабливается созданием жировых депо, а в связи с сезонными перебоями в обеспечении пищей у людей и некоторых животных (например, у белок) вошло в обычай делать запасы. Примером быстро наступающих компенсаторных изменений может служить повышение частоты дыхания сразу же при изменении состава вдыхаемого воздуха (аноксия); к отдаленным последствиям аноксии относятся такие адаптивные процессы, как повышение содержания гемоглобина и новообразование капилляров.
Еще один пример адаптации к случайным событиям — это приобретение организмом способности обезвреживать некоторые токсичные вещества, в результате чего к этим веществам развивается толерантность. Наконец, во многих случаях виновниками случайных событий могут быть другие живые существа, и ряд поведенческих реакций организмов порожден не чем иным, как реальной опасностью или угрозой такой опасности со стороны этих других существ.
Стохастические процессы на микроуровне, т. е. реакции между молекулами или агрегатами молекул, также могут приводить со временем к разрушительным изменениям. Поскольку одной из характеристик любой реакции служит ее скорость, естественно, возникает вопрос: чем определяется скорость данных разрушительных реакций? Фактически существует два главных фактора, определяющих вероятность данной реакции: это, во-первых, вероятность попадания соответствующего соединения в ту область, где возможна данная реакция; во-вторых, вероятность такого распределения энергии, которое способствовало бы этой реакции. Иными словами, для осуществления реакции необходимо, чтобы атомы реагирующих молекул заняли соответствующее положение, а из внешней среды поступила бы энергия в количестве, достаточном для преодоления энергетического барьера данной реакции.
Мы уже указывали, что тепловая энергия распределяется, по существу, с одинаковой вероятностью между различными связями в молекуле. Однако для разрыва химической связи молекулы системы должны сталкиваться таким образом, чтобы создалось в высокой степени невероятное распределение тепловой энергии. При этом соответствующая связь приходит в состояние напряжения, что является необходимым этапом, предшествующим реакция. Таким образом, распределение тепловой энергии молекулярного движения, предшествующее столкновению, превращается в маловероятное распределение потенциальной энергии.
Каковы же источники энергии для молекулярных систем, если учесть, что любой структуре присуща известная неустойчивость, когда в ней происходят местные флуктуации энергии, превышающие энергию связей, характерных для данной структуры. Подобные местные флуктуации энергии в принципе могут возникать лишь в результате событий следующих трех типов: перераспределения тепловой энергии, поглощения лучистой энергии или возникновения химических или ядерных реакций, сопровождающихся местным накоплением тепла.
Тепловая энергия. По закону распределения Максвелла — Больцмана случайные местные флуктуации энергии около некоторого среднего значения могут иногда привести к местному накоплению энергии, достаточной для того, чтобы вызвать изменения в соседних структурах.
Излучение. Существует вторая возможность нарушения стабильности молекул или молекулярных структур. Речь идет о местном накоплении энергии при поглощении лучистой энергии, например, света. В течение некоторого времени после поглощения кванта света поглотившая его система находится в возбужденном состоянии. Следствием такого накопления энергии могут быть следующие явления: а) люминесценция или фосфоресценция, б) химические реакции между возбужденной молекулой и какой-либо соседней, в) разрыв связи в возбужденной молекуле, прежде чем произойдет рассеяние энергии возбуждения, и г) перенос энергии на другие молекулы, что приводит либо к реакции, либо к дальнейшему перераспределению энергии возбуждения в виде тепловой энергии. Все эти процессы, кроме первого, и лежат в основе разрушительных химических воздействий.
Реакции, катализируемые светом, в сущности, сходны с реакциями, возникающими в результате местных флуктуаций в распределении тепловой энергии. Они различаются лишь по относительной скорости. Во-первых, энергия фотона значительно выше средней энергии, случайно накапливающейся в результате теплового движения молекул. Из этого следует, что, в то время как скорость реакций, возникающих в результате тепловой активации, быстро снижается по мере повышения энергетического барьера, для возникновения реакции, катализируемой светом, требуется лишь, чтобы энергия фотона превышала энергию активации и чтобы существовал механизм, обеспечивающий превращение энергии возбуждения в свободную энергию активации. В итоге следует, что при реакциях, катализуемых светом, нередко образуются продукты, отличные от тех, которые возникают при реакциях, активируемых теплом.
Ионизирующее излучение также вызывает ряд химических реакций; в этом случае катализ связан с прямым образованием возбужденных молекул в результате переноса импульса с ионизирующей частицы на воспринимающую молекулу или в результате удаления электрона из стабильной молекулы.
Химическая реакция. Третьим важным источником энергии, способной вызвать разрыв внутримолекулярных связей, надо считать освобождение большого количества тепловой энергии в результате химических реакций. Разность потенциалов между окислителями и восстановителями в биологических системах такова, что максимально может освобождаться около 60 ккал/моль. Среднее количество энергии, освобождающейся в результате одной химической реакции при процессах так называемого сопряженного окисления, значительно меньше указанной величины. Следует особо подчеркнуть удивительный факт: количество энергии, освобождающейся локально в конце той или иной реакции, значительно превышает количество свободной энергии. Объясняется это тем, что, прежде чем приобрести способность реагировать, молекула должна поглотить некоторое количество тепловой энергии. Когда же образуются продукты реакции, происходит локальное освобождение всей энергии активации (или ее части) плюс свободная энергия. Иными словами, энергия, имеющаяся в системе при окончании химической реакции, равна энергии активации обратного процесса.
В связи со сказанным возникает вопрос, каково же влияние ферментативного катализа на тепло, выделяемое местно и в момент химической реакции? Хотя катализатор повышает общую скорость реакции, он, вопреки ожиданию, уменьшает количество общей энергии, освобождаемой в момент реакции, на величину, на которую он уменьшает энергию активации. Таким образом, хотя то или иное промежуточное вещество в цепи реакции может превратиться в конечный продукт и некаталитическим путем, участие катализатора, уменьшающего количество энергии, локально освобождающейся к концу реакции, может привести к благоприятным результатам в смысле длительности выживания данной каталитической системы. Иными словами, поскольку каталитические реакции характеризуются сниженными энергиями активации, энергия полученного вещества в момент его образования в таких реакциях меньше, чем в некаталитических. Таким образом, ферменты не только повышают скорость реакции, но и уменьшают вероятность повреждения.
Нам пока не известно, какую роль играют некаталитические химические реакции, вызываемые энергией активации различного происхождения в общем снижении функций, характерном для старения. Мы, однако, твердо знаем, что воздействие на организм высоких температур, света, ультрафиолетовых лучей или ионизирующих излучений способствует появлению некоторых возрастных изменений. Роль этих факторов в процессе нормального старения млекопитающих до сих нор не выяснена.
Старение, контролируемое генами. Кроме разрушительного действия случайных событий, происходящих на макроуровне, и постепенного разрушения живых систем под влиянием химических реакций, не связанных с действием контролируемых генами катализаторов, существует третья обширная категория возрастных изменений, являющаяся частью процесса старения. К данной категории относятся изменения в клетках, тканях и органах, возникающие в результате действия генетически детерминированных факторов. Это означает, что такие изменения прямо или косвенно зависят от присутствия катализаторов. Мы рассмотрим сначала изменения, возникающие на клеточном уровне, а затем обсудим в общей форме изменения, происходящие на макроуровне.
В самом широком смысле изменение химического состава клетки происходит в тех случаях, когда скорость появления в клетке того или иного вещества в результате синтеза или поступления извне не равна скорости его исчезновения либо вследствие переноса из клетки, либо в результате утилизации. В таком контексте старение можно рассматривать как изменение состава клеток, обусловленное различием в скоростях появления и исчезновения специфических химических веществ. Речь идет об изменениях, способствующих адаптации организма. Этот процесс отличается от процесса химической дифференцировки, происходящего в эмбриогенезе; последний приводит к регулируемому изменению состава, ведущему к возникновению функционально специализированных клеток или многоклеточных комплексов, которые по своей жизнеспособности выгодно отличаются от своих недифференцированных предшественников. Изменения, связанные с развитием, в общем контролируются генами, хотя на интенсивность или скорость этих изменений можно влиять и путем внешних воздействий.
Подробно перечислены те изменения на клеточном уровне, которые имеют генетическое происхождение. Эти изменения в свою очередь возникают в результате изменения одного или нескольких из перечисленных ниже факторов, причем устанавливается динамическое равновесие, несовместимое с длительным выживанием. Факторы эти следующие: а) скорость синтеза, б) скорость утилизации, в) скорость переноса, г) скорость накопления или истощения запасов и д) скорость изменения энтропии, перестройки, дезорганизации или организации.
Многочисленные опубликованные и неопубликованные теории механизма старения представляют собой не что иное, как варианты изложенной гипотезы, с некоторыми усложнениями и добавлениями.
Для определения динамического равновесия особо важны такие факторы, как отношение поверхности клеток к их объему, вязкость цитоплазмы и пространственные взаимоотношения клеток. По-видимому, эти факторы играют первостепенную роль в определении направления диффузии различных веществ. Изменения химического состава клетки связаны с появлением побочных продуктов каталитических и некаталитических реакций, а также с продолжением или интенсификацией нормального процесса дифференцировки.
Биологи время от времени выступали в поддержку представления о дифференцировке как первопричины клеточного старения. Недавно было высказано предположение, что старение — это не что иное, как результат избыточной дифференцировки клеток. Телеологическая идея о том, что старением организм расплачивается за «роскошь дифференцировки», особенно импонировала Пэрлу.
Комфорт и Биддер подробно проанализировали тот факт, что для большинства организмов характерны вполне определенные конечные размеры. Они пришли к выводу, что процессы регенерации и способность поддерживать постоянство химического состава каким-то образом связаны с этой особенностью.
В последние годы появился ряд теорий, в основу которых положена идея о разрушении генетической информации в процессе старения. Если такое разрушение в клетке произошло (независимо от того, затронуло ли оно самое генетическую информацию или механизмы соответствующих направленных процессов синтеза), то восстановление почти невозможно. Возможна лишь элиминация такой «ущербной» клетки. Существует еще одна группа химических изменений, непосредственно связанных с присутствием генетически контролируемых катализаторов; речь идет о медленно протекающих химических реакциях между отдельными компонентами клетки. Поскольку катализаторы способны изменять стабильную концентрацию промежуточных продуктов, они могут косвенно способствовать возникновению некаталитических реакций исключительно на основе закона действия масс. Такие реакции либо сопровождаются разрушением или изменением компонентов цитоплазмы, либо ведут к образованию нерастворимых или токсичных продуктов, не выводимых из клетки. Эти реакции иногда возникают в ходе каталитических процессов вследствие несовершенной специфичности катализаторов или в связи с возникновением некаталитических реакций между промежуточными продуктами обмена, обладающими высокой реакционной способностью.
Описанные выше изменения возможны в любых организмах — как в одноклеточных, так и в многоклеточных. Однако многоклеточный организм, хотя он и обладает рядом преимуществ, по-видимому, более склонен к таким изменениям именно в связи со своим многоклеточным строением.
Такая «уязвимость» объясняется тем, что та же самая организация совместно функционирующих элементов, которая способствует выживанию многоклеточного организма в неблагоприятных условиях среды, определенным образом ограничивает потенциал отдельных составляющих ее клеток и, кроме того, предусматривает ряд неизбежных взаимодействий между ними, что может служить дополнительным источником нарушения устойчивости системы.
Такие нарушения возникают под действием химических или физических факторов, а также в результате взаимодействия между клетками. Физическое и химическое взаимодействие клеток определяется свойствами межклеточного вещества, а также пространственными соотношениями клеток. Геометрические соотношения, которые играют важную роль в интегративной функции клеток, могут меняться вследствие изменения размеров клеток, гибели некоторых из них, случайных перемещений (процесс, который можно назвать «клеточной диффузией»), а также в ходе различных морфогенетических процессов.
Гели, мембраны, волокна и частицы, составляющие межклеточное вещество, играют важную роль в регуляции взаимодействий между клетками. Находясь между клетками, эти элементы оказывают огромное влияние на скорость диффузии промежуточных и конечных продуктов обмена.
Химическое взаимодействие между клетками многоклеточного организма зависит от характера и концентрации диффундирующих веществ, переходящих из одной клетки в другую. К категории химического взаимодействия относятся такие процессы, как подавление и стимуляция клеточных функций при обмене питательными веществами, конкуренция за питательные вещества, реакция на токсичные или биологически активные вещества, выделяемые одной клеткой и потребляемые или обезвреживаемые другой, а также иммунологическое взаимодействие клеток одного и того же организма (аутоиммунные реакции).