Саморегуляція і старіння організму
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
У чому сутність старіння? У чому таємниця цього процесу, який неминучий для живого? Зараз існує більше 200 гіпотез, які намагаються пояснити механізм старіння. Але кількість гіпотез, як відомо, обернено пропорційна ясності питання. Ця залежність справедлива і для проблеми довголіття. Разом з тим великі успіхи біології останніх років дозволяють сподіватися, що ми знаходимося напередодні бурхливого розвитку наших знань про сутність старіння.
Дослідники зараз ведуть пошуки механізмів старіння на різних рівнях життєвих явищ – молекулярному, клітинному і на рівні цілісного організму. Однак при всьому різноманітті проявів життя на всіх цих етапах існує ряд закономірностей, властивих будь-якій живій системі. Одна з них – принцип саморегуляції – останнім часом привертає все більшу увагу дослідників. Система ендокринних залоз, серцево-судинна і дихальна системи, весь організм в цілому – все це саморегульовані системи. Саме саморегуляція дозволяє організму в різні вікові періоди по-різному пристосовуватися до навколишнього середовища.
Переважна більшість дослідників прагне з’ясувати, які зміни настають в організмі при його старінні. Разом з тим не менш важливо встановити, що ж не змінюється в старості і чому. Вчені з’ясували, наприклад, що онкотичний і осмотичний тиск, рівень цукру в крові, розподіл ряду іонів в клітинах, кількість кров’яних елементів і деякі інші показники не перетерплюють різких змін. Це природно, адже якби рівень цих та ряду інших життєво важливих констант організму з віком змінювався, то жити до глибокої старості взагалі було б неможливо. Нам видається, що розвинутий з віком «опір» організму, що порушує найвигідніше протікання життєвих процесів саме і є важливою особливістю процесу старіння.
І ще одне цікаве явище. Важко, звичайно, порівнювати один з одним ступінь різних вікових змін. Однак легко зауважити наступне. Зовнішній вигляд людини змінюється порівняно повільно. Дійсно, не буває так, щоб при якому-небудь емоційному напруженні шкіра відразу ж покривалася зморшками, волосся сивіло, очі тьмяніли, а через хвилину людина знову ставала рожевощокою, чорноволосою і т. д. Разом з тим з роками послідовно наступають різкі зміни зовнішнього вигляду людини.
Інший характер носить зміна деяких функцій організму. Артеріальний тиск, наприклад, може за кілька хвилин різко підскочити вгору і повернутися до норми. Разом з тим середня величина артеріального тиску з роками хоча і зростає, але все ж дуже незначно. Інакше кажучи, при старінні організму зовнішній вигляд, структура окремих органів можуть досить значно змінюватися, а функція, підсумок діяльності багатьох структурних елементів організму, підтримується на відносно постійному рівні. Які механізми підтримують оптимальний рівень життєдіяльності організму в різні вікові періоди? Знайти відповідь на це питання дуже важливе для з’ясування суті старіння.
ПРИНЦИП САМОРЕГУЛЯЦІЇ І ВІКОВІ ЗМІНИ ОРГАНІЗМУ
Людський організм зовсім не схожий на дитячу матрьошку, що складається з лялечок «малий мала менше», які відрізняються тільки розміром. Зміни саморегулюючих систем на молекулярному, клітинному рівні і на рівні цілісного організму не повторюють один одного, не просто підсумовуються один з одним, а складним чином взаємодіють і взаємовизначають один одного. Як розібратися в цих складних взаємозв’язках?
Будь-яку саморегулюючу систему можна уявити собі складеною з кількох ланок: центр регуляції, об’єкт регуляції, прямий і зворотній зв’язок. Роботами вчених було показано, що підтримка певного рівня життєдіяльності в старості досягається завдяки нерівномірним змінам у різних ланках саморегуляції. Щоб пояснити цю тезу, розберемо, що відбувається при старінні організму в одній з саморегулюючих систем. Доцільно це зробити на прикладі діяльності серця і судин. Адже саме зміна функції кровообігу є однією з основних причин розвитку передчасного старіння.
Як відомо, рівень діяльності серцево-судинної системи залежить від стану об’єктів регулювання (серця і судин) і характеру регулюючих впливів. Є два нерозривно пов’язаних один з одним механізми регуляції всіх органів – нервовий і так званий гуморальний. Гуморальна регуляція здійснюється завдяки проникненню в кров цілого арсеналу хімічних речовин – гормонів, медіаторів, метаболітів і так далі. Таким же чином впливають на організм і багато лікувальних препаратів.
У нашій лабораторії систематично вивчали, як змінюється в старості чутливість різних органів – серця, судин, скелетних м’язів, нервових клітин, залоз внутрішньої секреції – до дії нервових і гуморальних факторів. З цією метою у піддослідних тварин – мишей, щурів, кроликів, кішок, собак – визначалася в одних випадках мінімальна інтенсивність роздратування струмом відповідних нервів, при якій настає зміна діяльності органу. В інших випадках визначалося мінімальна кількість введеної хімічної речовини, що викликає той же ефект.
Виявилося, що старість знижує чутливість органів до нервових впливів, а чутливість до гуморальних, хімічних впливів підвищується. Наприклад, уповільнення ритму діяльності серця тварини можна викликати, подразнюючи блукаючий нерв або ж вводячи в кров такі речовини, як карбохолін, ацетилхолін. Щоб викликати зупинку серця старої тварини, блукаючий нерв необхідно дратувати струмом більшої сили, ніж в аналогічному експерименті з молодими тваринами. Однак той же ефект можна отримати дією хімічних речовин. У цьому випадку картина буде протилежною, Щоб зупинити серце старої тварини, потрібно ввести набагато меншу кількість хімікалій, ніж це потрібно для зупинки серця молодої тварини.
Подібні ж співвідношення можна помітити і на прикладі регуляції інших органів і систем. Ці експерименти показують, наскільки важливо враховувати зміну чутливості органів в процесі старіння при лікуванні людей похилого віку. Одні й ті ж дози лікарських речовин викликають різні зміни діяльності в старому і молодому організмі. Отже, і застосовуватися вони повинні в різних дозуваннях. Вже давно назріла необхідність у створенні вікової фармакології для старих і літніх людей в такому ж вигляді, як вона існує для дітей.
Однак повернімося до розбору вікових змін саморегуляції. Нервові і гуморальні впливи на органи – це тільки одна з ланок саморегуляції функцій. Для досягнення пристосувального ефекту в будь-якій системі вирішальне значення мають зворотні зв’язки, потік сигналів від працюючого органу, які інформують керуючі центри про характер зрушень в об’єктах регуляції.
Важливою ланкою зворотних зв’язків є чутливі нервові закінчення, які в безлічі розташовуються в самих різних органах. Вони чуйно реагують на зміну внутрішнього середовища організму, зокрема сприймають зрушення в хімізмі органів і сигналізують про них в нервові центри. Це так звані хеморецептори. Зокрема, надзвичайно багаті чутливими нервовими закінченнями серце і судини.
Нами було вивчено, як змінюється з віком чутливість хемо рецепторів судин до впливу різних хімічних речовин. Виявилося, що чутливість цих нервових закінчень до дії багатьох речовин – нікотину, ацетилхоліну, адреналіну, сульфіду натрію та інших – з віком підвищується. У старих тварин рефлекторні зміни кровообігу і дихання виникають під дією набагато меншої концентрації хімічних речовин, ніж у молодих тварин. Відомо, що для хемо рецепторів подразниками є не тільки речовини, що вводяться в організм, але й зміни в обміні речовин, в хімізмі органів. Звідси важливий висновок: з віком підвищується сприйнятливість, кажучи мовою кібернетики, чутливого пристрою, що реагує на зміни хімізму тканин.
Спробуємо зіставити наведені експериментальні дані про зміни, що відбуваються в різних ланках саморегуляції. На етапі прямого зв’язку (керуючий центр – об’єкт регуляції) відзначається зниження з віком чутливості органів до нервових впливів і підвищення чутливості до хімічних. На етапі зворотного зв’язку (об’єкт регуляції – керуючий центр) в старості наростає чутливість хеморецепторів. Нам видається, що подібна нерівномірна зміна в різних ланках саморегуляції є найважливішим механізмом, що підтримує гомеостазіс – найвигідніший рівень життєдіяльності організму в старості. Так, наприклад, ослаблення нервових впливів на орган частково компенсується підвищенням чутливості до хімічних речовин, що викликають аналогічний ефект.
Є ще один важливий механізм підтримки гомеостазису організму в старості. Нервові центри посилають «накази» до об’єктів регуляції на підставі інформації про їх стан. Якщо змінюються відомості про діяльність органів, нервові центри перебудовують «командну сигналізацію». У старості, як вже вказувалося, підвищується чутливість рецепторів, що сприймають зміну хімізму тканин. Завдяки цьому нервовий центр завчасно отримує інформацію про зрушення, наступаючих на периферії, а це, у свою чергу, може дещо компенсувати ослаблення впливу центру на об’єкти регуляції.
Вікові зміни саморегуляції, про які йшла мова, пояснюють багато особливостей реакцій старіючого організму. Ось один із прикладів. Людина проводить своє життя в русі, у праці. І, щоб встановити вікові зміни, які наступають в різних системах, недостатньо зареєструвати їх діяльність у спокої. Треба знати, які зміни виникають при фізичному навантаженні.
У літніх людей виникають менш різкі, але зате більш тривалі зміни кров’яного тиску, частоти серцевих скорочень, кількості поглиненого кисню та інших показників. Це пояснюється тим, що з віком знижується чутливість до нервових впливів, які швидко діють на той чи інший орган, і підвищується чутливість до хімічних впливів, діючих більш повільно, але тривало.
САМОРЕГУЛЯЦІЯ НА МОЛЕКУЛЯРНОМУ РІВНІ
Дотепер ми розбирали вікові зміни саморегуляції на прикладі окремих функціональних систем – серцево-судинної, дихальної. Абсолютно ясно, що ці зміни є хоча і найважливішими, але все ж вторинними в механізмі старіння. Їм передують зміни, наступаючі на молекулярному рівні. І тут життєві явища підкоряються тим же принципам саморегуляції.
Звернімося до окремих прикладів. АТФ (аденозинтрифосфорна кислота) – одна з найбільш чудових речовин, створених природою. Скорочення м’яза, виділення шлункового соку, збудження нервових клітин – словом, будь-яка енергетична трата в організмі – відбуваються за рахунок АТФ і деяких інших фосфорних сполук. Нами було показано, що в старості, незважаючи на те, що кількість і оновлюваність фосфорних сполук знижуються в клітинах організму, проте енергетичний потенціал клітин залишається ще значним. Як це пояснити? Виявляється, процес обміну АТФ являє собою складну саморегульовану систему на молекулярному рівні. АТФ синтезується в організмі двома шляхами – один з них пов’язаний з споживанням кисню при диханні (окисне фосфорування), інший шлях синтезу (гліколіз) кисню не вимагає.
Коли АТФ віддає енергію, вона перетворюється на аденозиндифосфорну кислоту (АДФ). У молекулі цього з’єднання вже не три, а дві фосфорні групи. Виявляється, що інтенсивність синтезу АТФ в чомусь залежить від накопичення продукту її розпаду – АДФ. Виходить своєрідна замкнута система; АТФ, віддаючи фосфорну групу, перетворюється на АДФ, а це з’єднання, активуючи спочатку подих, а потім процес гліколізу, сприяє, у свою чергу, синтезу АТФ. У клітинах старіючого організму накопичуються великі кількості АДФ, і за рахунок цього своєрідного посилення зворотного зв’язку стимулюються резервні шляхи синтезу АТФ, зокрема гліколіз. Таким чином, вікові зміни в цій саморегулюючій системі спрямовані на підтримку деякого рівня енергії клітини.
У наші дні біологію революціонізували нові уявлення про роль нуклеїнових кислот у синтезі білка. Накопичуються дані про те, що багато особливостей індивідуального розвитку, в тому числі і фізіологічний термін тривалості життя, «закодований» в ДНК. Однак і система «нуклеїнові кислоти – білок» теж є саморегулюючою. Можна вважати, що з’ясування вікових змін взаємозв’язку окремих компонентів цієї саморегульованої системи дозволить зрозуміти найважливіші сторони механізму старіння, встановити закономірності успадкування вікових змін, що склалися в ході життя організму. Зараз вже, зокрема, накопичуються перші факти про можливі «помилки», зміни структури ДНК і їх роль в старінні.
Істотною помилкою більшості теорій старіння в минулому була своєрідна однобічність. Цей складний процес пояснювався змінами, наступаючими в одній якійсь ланці структури і функції організму. У наші дні широко поширене уявлення про старість як про інволюцію, зворотний розвиток організму. Це положення слід визнати методологічно невірним. Воно не підкріплено серйозними фактами. Справжні уявлення про сутність старіння будуть схожі на багатоповерховий будинок зі складною системою взаємозв’язку його різних рівнів. Окремі поверхи цієї будівлі успішно зводяться в наші дні, і, як це часто буває в науці, будівництво це не завжди починається з фундаменту.
Автор: Ф. Фролькіс.