Саморегуляция и старение организма
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
В чем сущность старения? В чем тайна этого процесса, который неизбежен для живого? Сейчас существует более 200 гипотез, пытающихся объяснить механизм старения. Но количество гипотез, как известно, обратно пропорционально ясности вопроса. Эта зависимость справедлива и для проблемы долголетия. Вместе с тем крупные успехи биологии последних лет позволяют надеяться, что мы находимся в преддверии бурного развития наших знаний о сущности старения.
Исследователи сейчас ведут поиски механизмов старения на разных уровнях жизненных явлений — молекулярном, клеточном и на уровне целостного организма. Однако при всем многообразии проявлений жизни на всех этих этапах существует ряд закономерностей, свойственных любой живой системе. Одна из них — принцип саморегуляции — в последнее время привлекает все большее внимание исследователей. Система эндокринных желез, сердечно-сосудистая и дыхательная системы, весь организм в целом — все это саморегулирующиеся системы. Именно саморегуляция позволяет организму в различные возрастные периоды по-разному приспосабливаться к окружающей среде.
Подавляющее большинство исследователей стремится выяснить, какие изменения наступают в организме при его старении. Вместе с тем не менее важно установить, что же не изменяется в старости и почему. Ученые выяснили, например, что онкотическое и осмотическое давление, уровень сахара в крови, распределение ряда ионов в клетках, количество кровяных элементов и некоторые другие показатели не претерпевают резких изменений. Это естественно, ведь если бы уровень этих и ряда других жизненно важных констант организма с возрастом менялся, то жить до глубокой старости вообще было бы невозможно. Нам представляется, что развивающееся с возрастом «сопротивление» организма нарушению наивыгоднейшего протекания жизненных процессов именно и является важной особенностью процесса старения.
И еще одно интересное явление. Трудно, конечно, сравнивать друг с другом степень различных возрастных изменений. Однако легко заметить следующее. Внешний вид человека меняется сравнительно медленно. Действительно, не бывает так, чтобы при каком-нибудь эмоциональном напряжении кожа сразу же покрывалась морщинами, волосы седели, глаза тускнели, а через минуту человек вновь становился розовощеким, черноволосым и т. д. Вместе с тем с годами последовательно наступают резкие изменения внешнего вида человека.
Иной характер носит изменение некоторых функций организма. Артериальное давление, к примеру, может за несколько минут резко подскочить вверх и возвратиться к норме. Вместе с тем средняя величина артериального давления с годами хотя и возрастает, но все же очень незначительно. Иначе говоря, при старении организма внешний вид, структура отдельных органов могут довольно значительно изменяться, а функция, итог деятельности многих структурных элементов организма, поддерживается на относительно постоянном уровне. Какие механизмы поддерживают оптимальный уровень жизнедеятельности организма в разные возрастные периоды? Найти ответ на этот вопрос очень важно для выяснения сущности старения.
ПРИНЦИП САМОРЕГУЛЯЦИИ И ВОЗРАСТНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ОРГАНИЗМА
Человеческий организм вовсе не похож на детскую матрешку, состоящую из куколок «мал мала меньше», которые отличаются только размером. Изменения саморегулирующихся систем на молекулярном, клеточном уровне и на уровне целостного организма не повторяют друг друга, не просто суммируются друг с другом, а сложным образом взаимодействуют и взаимоопределяют друг друга. Как разобраться в этих сложных взаимосвязях?
Любую саморегулирующуюся систему можно представить себе состоящей из нескольких звеньев: центр регуляции, объект регуляции, прямая и обратная связь. Работами ученых было показано, что поддержание определенного уровня жизнедеятельности в старости достигается благодаря неравномерным изменениям в разных звеньях саморегуляции. Чтобы пояснить этот тезис, разберем, что происходит при старении организма в одной из саморегулирующихся систем. Целесообразно это сделать на примере деятельности сердца и сосудов. Ведь именно изменение функции кровообращения является одной из основных причин развития преждевременного старения.
Как известно, уровень деятельности сердечно-сосудистой системы зависит от состояния объектов регулирования (сердца и сосудов) и характера регулирующих воздействий. Есть два неразрывно связанных друг с другом механизма регуляции всех органов — нервный и так называемый гуморальный. Гуморальная регуляция осуществляется благодаря проникновению в кровь целого арсенала химических веществ — гормонов, медиаторов, метаболитов и так далее. Таким же образом влияют на организм и многие лечебные препараты.
В нашей лаборатории систематически изучали, как изменяется в старости чувствительность различных органов — сердца, сосудов, скелетных мышц, нервных клеток, желез внутренней секреции — к действию нервных и гуморальных факторов. С этой целью у подопытных животных — мышей, крыс, кроликов, кошек, собак — определялась в одних случаях минимальная интенсивность раздражения током соответствующих нервов, при которой наступает изменение деятельности органа. В других случаях определялось минимальное количество вводимого химического вещества, вызывающее тот же эффект.
Оказалось, что к старости снижается чувствительность органов к нервным влияниям, а чувствительность к гуморальным, химическим воздействиям повышается. Например, замедление ритма деятельности сердца животного можно вызвать, раздражая блуждающий нерв или же вводя в кровь такие вещества, как карбохолин, ацетилхолин. Чтобы вызвать остановку сердца старого животного, блуждающий нерв необходимо раздражать током большей силы, чем в аналогичном эксперименте с молодым животным. Однако тот же эффект можно получить действием химических веществ. В этом случае картина будет противоположной, Чтобы остановить сердце старого животного, потребуется ввести гораздо меньшее количество химикалий, нежели это нужно для остановки сердца молодого животного.
Подобные же соотношения можно заметить и на примере регуляции других органов и систем. Эти эксперименты показывают, насколько важно учитывать изменение чувствительности органов в процессе старения при лечении людей пожилого возраста. Одни и те же дозы лекарственных веществ вызывают различные изменения деятельности в старом и молодом организме. Следовательно, и применяться они должны в различных дозировках. Уже давно назрела необходимость в создании возрастной фармакологии для старых и пожилых людей в таком же виде, как она существует для детей.
Однако вернемся к разбору возрастных изменений саморегуляции. Нервные и гуморальные влияния на органы — это только одно из звеньев саморегуляции функций. Для достижения приспособительного эффекта в любой системе решающее значение имеют обратные связи, поток сигналов от работающего органа, которые информируют управляющие центры о характере сдвигов в объектах регуляции.
Важным звеном обратных связей являются чувствительные нервные окончания, которые во множестве располагаются в самых различных органах. Они чутко реагируют на изменение внутренней среды организма, в частности воспринимают сдвиги в химизме органов и сигнализируют о них в нервные центры. Это так называемые хеморецепторы. В частности, чрезвычайно богаты чувствительными нервными окончаниями сердце и сосуды.
Нами было изучено, как изменяется с возрастом чувствительность хемо рецепторов сосудов к воздействию различных химических веществ. Оказалось, что чувствительность этих нервных окончаний к действию многих веществ — никотина, ацетилхолина, адреналина, сульфида натрия и других — с возрастом повышается. У старых животных рефлекторные изменения кровообращения и дыхания возникают под действием гораздо меньших концентрации химических веществ, нежели у молодых животных. Известно, что для хемо рецепторов раздражителями являются не только вещества, вводимые в организм, но и изменения в обмене веществ, в химизме органов. Отсюда важный вывод: с возрастом повышается восприимчивость, говоря языком кибернетики, чувствительного устройства, реагирующего на изменения химизма тканей.
Попробуем сопоставить приведенные экспериментальные данные об изменениях, происходящих в разных звеньях саморегуляции. На этапе прямой связи (управляющий центр — объект регуляции) отмечается снижение с возрастом чувствительности органов к нервным влияниям и повышение чувствительности к химическим. На этапе обратной связи (объект регуляции — управляющий центр) в старости нарастает чувствительность хеморецепторов. Нам представляется, что подобное неравномерное изменение в разных звеньях саморегуляции является важнейшим механизмом, поддерживающим гомеостазис — наивыгоднейший уровень жизнедеятельности организма в старости. Так, например, ослабление нервных влияний на орган частично компенсируется повышением чувствительности к химическим веществам, вызывающим подобный же эффект.
Есть еще один важный механизм поддержания гомеостазиса организма в старости. Нервные центры посылают «приказы» к объектам регуляции на основании информации об их состоянии. Если меняются сведения о деятельности органов, нервные центры перестраивают «командную сигнализацию». В старости, как уже указывалось, повышается чувствительность рецепторов, воспринимающих изменение химизма тканей. Благодаря этому нервный центр заблаговременно получает информацию о сдвигах, наступающих на периферии, а это, в свою очередь, может несколько компенсировать ослабление влияния центра на объекты регуляции.
Возрастные изменения саморегуляции, о которых шла речь, объясняют многие особенности реакций стареющего организма. Вот один из примеров. Человек проводит свою жизнь в движении, в труде. И, чтобы установить возрастные изменения, наступающие в разных системах, недостаточно зарегистрировать их деятельность в покое. Надо знать, какие изменения возникают при физической нагрузке.
У пожилых людей возникают менее резкие, но зато более длительные изменения кровяного давления, частоты сердечных сокращений, количества поглощенного кислорода и других показателей. Это объясняется тем, что с возрастом снижается чувствительность к нервным влияниям, которые быстро действуют на тот или иной орган, и повышается чувствительность к химическим влияниям, действующим более медленно, но длительно.
САМОРЕГУЛЯЦИЯ НА МОЛЕКУЛЯРНОМ УРОВНЕ
До сих пор мы разбирали возрастные изменения саморегуляции на примере отдельных функциональных систем — сердечно-сосудистой, дыхательной. Совершенно ясно, что эти изменения являются хотя и важнейшими, но все же вторичными в механизме старения. Им предшествуют изменения, наступающие на молекулярном уровне. И здесь жизненные явления подчиняются тому же принципу саморегуляции.
Обратимся к отдельным примерам. АТФ (аденозинтрифосфорная кислота) — одно из самых замечательных веществ, созданных природой. Сокращение мышцы, выделение желудочного сока, возбуждение нервных клеток — словом, любая энергетическая трата в организме — происходят за счет АТФ и некоторых других фосфорных соединений. Нами было показано, что в старости, несмотря на то, что количество и обновляемость фосфорных соединений снижаются в клетках организма, однако энергетический потенциал клеток остается еще значительным. Как это объяснить? Оказывается, процесс обмена АТФ представляет собой сложную саморегулирующуюся систему на молекулярном уровне. АТФ синтезируется в организме двумя путями — один из них связан с потреблением кислорода при дыхании (окислительное фосформирование), другой путь синтеза (гликолиз) кислорода не требует.
Когда АТФ отдает энергию, она превращается в аденозиндифосфорную кислоту (АДФ). В молекуле этого соединения уже не три, а две фосфорных группы. Оказывается, что интенсивность синтеза АТФ во многом зависит от накопления продукта ее распада — АДФ. Получается своеобразная замкнутая система; АТФ, отдавая фосфорную группу, превращается в АДФ, а это соединение, активируя сначала дыхание, а затем процесс гликолиза, способствует, в свою очередь, синтезу АТФ. В клетках стареющего организма накапливаются большие количества АДФ, и за счет этого своеобразного усиления обратной связи стимулируются резервные пути синтеза АТФ, в частности гликолиз. Таким образом, возрастные изменения в этой саморегулирующейся системе направлены на поддержание некоторого уровня энергии клетки.
В наши дни биологию революционизировали новые представления о роли нуклеиновых кислот в синтезе белка. Накапливаются данные о том, что многие особенности индивидуального развития, в том числе и физиологический срок продолжительности жизни, «закодированы» в ДНК. Однако и система «нуклеиновые кислоты — белок» тоже является саморегулирующейся. Можно полагать, что выяснение возрастных изменений взаимосвязи отдельных компонентов этой саморегулирующейся системы позволит понять важнейшие стороны механизма старения, установить закономерности наследования возрастных изменений, сложившиеся в ходе жизни организма. Сейчас уже, в частности, накапливаются первые факты о возможных «ошибках», изменениях структуры ДНК и их роли в старении.
Существенной ошибкой большинства теорий старения в прошлом была своеобразная односторонность. Этот сложный процесс объяснялся изменениями, наступающими в одном каком-нибудь звене структуры и функции организма. В наши дни широко распространено представление о старости как об инволюции, обратном развитии организма. Это положение следует признать методологически неверным. Оно не подкреплено серьезными фактами. Истинные представления о сущности старения будут похожи на многоэтажное здание со сложной системой взаимосвязи его различных уровней. Отдельные этажи этого здания успешно возводятся в наши дни, и, как это часто бывает в науке, строительство это не всегда начинается с фундамента.
Автор: Ф. Фролькис.