Доклады моип. Секция Геронтологии. Сборник статей
|
|
Скачать 3.27 Mb.
|
ЛИТЕРАТУРА1. Анисимов В.Н.Молекулярные и физиологические механизмы старения.Спб.:Наука,2003. 468с 2. Белозерова Л.М. онтогенетический метод определения биологического возраста человека.//Успехи геронтологии.1999. Вып. 3. C.143-149. 3. БИОЛОГИЯ старения. серия «руководство по физиологии». академия наук СССР. Л.:Наука.1982. 620 с. 4. Гаврилов Л.А.,гаврилова Н.С.биология продолжительности жизни. М.:Наука.1986. 168 с. 5. Давыдовский И.В. Геронтология.М.:1966. 320 с. 6. Донцов В.И., Крутько В.Н., Подколзин А.А. Фундаментальные механизмы геропрофилактики. М.: Биоинформсервис.2001. 240 с. 7. Крутько В.Н. и др. Возрастные изменения свойств организма человека. информатика здоровья и долголетия. Труды ИСА РАН. М.:2006. Т.19. С.33-49. 8. Комфорт А. Биология старения.М.:Мир,1967. 398 с. 9. Фролькис В.В., Мурадян Х.К. Старение, эволюция и продление жизни. киев: наукова думка,1992. 320 с. 10. А.А.Подколзин, В.И.Донцов, В.Н.Крутько, А.М.Большаков, А.И.Труханов. "Оптимизация профилактических мероприятий с использованием компьютерной системы «диагностика и профилактика старения». утверждено учебно-методическим объединением по медицинскому и фармацевтическому образованию ВУЗов России как учебное пособие для системы послевузовского профессионального образования врачей. издано в ММСИ. 2003 г. 28 с. ^ Остеопороз (ОП) по данным ВОЗ занимает 4-е место в структуре заболеваемости и смертности населения. Потеря костной массы составляет после достижения пика костной массы около 30 лет: у мужчин - 0,3-0,5% в год; у женщин - 0,7-1% в год, причем в менопаузу потеря увеличивается до 2%. Несмотря на интенсивные исследования и широко применяемую терапию и профлилактику, патогенез возрастного ОП остается мало понятным. Сенильный ОП - ОП II типа, характеризуется: истончение трабекулярных пластин, кортикального слоя и увеличение его порозности; развивается линейно с возрастом у мужчин и ускоренно после менопаузы у женщин; механизм истончения трабекул - снижение количества матрикса, синтезируемого ОБ; отрицательный костный баланс ОБ/ОК = Синтез/Резорбция = Кальций/Кость; увеличение числа единиц ремоделирования, которые прекращают развитие после фазы реверсии (недостаток ОБ), что ведёт к образованию пустых лакун резорбции; уменьшение числа ОБ с возрастом; недостаточность числа предшественников ОБ и ОК; снижение функции ОБ - образования матрикса (изменение микроокружения). Обращает внимание особая связь остеогенеза и лимфоидной системы. Некоторые авторы рассматривают постменопаузальный ОП как аутоиммунное заболевание, или рассматривают лимфоциты как ключевой фактор активации ОК при эстрогенном возрастом дефиците; во всяком случае, связь ОП и иммунитета является общепризнанной, что особенно видно на примере иммунодефицитных животных, или при лимфопролиферативных заболеваниях при которых лимфоциты секретируют факторы резорбции кости, при иммунодефицитах, в том числе фармакологических иммунодефицитах при трансплантациях органов, а также при остеопетрозе. В норме взаимодействие Т-лимфоцитов и макрофагов необходимо для продукции остеокласт-активирующего фактора. Овариэктомия – признанная экспериментальная модель ОП, повышает синтез Т-лимфоцитов ФНО-, что повышает резорбцию кости, но эффекта овариэктомии нет у Т-дефицитных мышей. Ряд лимфокинов являются известными регуляторами остеогенеза: стимуляторы ОБ-генеза - ИЛ-1, 3, 6, 11, ФНО-, ГМ-КСФ; ингибиторы ОБ-генеза: ИЛ-4, 10, 13, 18, интерферрон-. Важнейшими факторами регуляции остеогенеза являются продуцируемые мононуклеарами: ФНО- и ФНО- (продуцируется лимфоцитами) – резорбция кости; ГМ-КСФ (регуляция в костном мозге); ИЛ-1 и - контроль коллагеназы и резорбции кости; интерферон- (снижение ИЛ-1 и формирования ОБ). Известно также, что: 1,25-дигидровитамин D3 активирует Т- и В-лимфоциты, которые подавляют пролиферацию Т-хелперов и стимулируют Т-супрессоры, предотвращая атумоиммунные процессы, влияя на экспрессию ИЛ-4; лимфоциты имеют рецепторы к ПТГ, потенцирующему костную резорбцию и активирующему Т-лимфоциты, как и рецепторы к кальцитонину, причем Т-лифоциты способны продуцировать ПТГ-подобную активность; у бестимусных мышей и крыс снижена скорость обмена кости, длина позвоночника и бедренной кости; рецепторы к экстрогенам представлены на ОБ, ОК, макрофагах и Т-лимфоцитах. Генетические модели ОП у мышей (мутация - op/op мыши) показывает дефицит у них М-КСФ; восстановление функции ОК возможно клетками селезенки, но не ОБ от нормальных животных. Таким образом: лимфоциты и моноциты выделяют факторы контроля остеогенеза на уровне ОК- ОБ-генеза в костном мозге и активации их функции в костной ткани; многие факторы остеогенеза действуют на лимфоциты и моноциты; без лимфоцитов и моноцитов многие эффекты на остеогенез не проявляются; лимфоциты способны переносить пассивно эффекты остеопетроза и, видимо, ОП, интактным животным; генные дефекты остеогенеза часто ликвидируются переносом лимфоцитов, моноцитов или эффектом лимфокинов от здоровых животных. Наиболее важным, однако, являются данные о прямых эффектах лимфоцитов и моноцитов на рост любых клеток, в том числе на остеогенез, что в наибольшей мере проявляется в экспериментах по регенерации кости, но теоретически осмыслено для феномена «переноса лимфоцитами регенерационной информации» (открытие А,Г.Бабаевой и работы ряда авторов для других сходных феноменом) и иных типов контроля роста различных соматических ткней. Показано, что у крыс с остеопетрозом нормальная резорбция костной ткани может быть восстановлена введением им мононуклеаров из селезенки или тимуса нормальных животных. Показано на модели травматической регенерации костной ткани, что повторная регенерация происходит быстрее и сильнее – феномен «памяти», сходный с иммунной; этот феномен резко снижен (как и первичная регенерация) у крыс с тимеэктомией, введение иммунодепрессантов препятствует проявлению данного феномена. У облученных и восстановаленных костным мозгом В-мышей с дефицитом Т-лимфоидных функций процессы остеогенеза резко снижены. Введение анти-Т-лимфоцитарной сыворотки также снижает остеогенез, что указывает на роль Т-системы иммунитета в нормальной функции костной. С другой стороны, травматические переломы оказывают выраженное влияние на иммунитет. Все эти данные хорошо корреспондируют с данными о прямой регуляции лимфоцитами процессов регенерации, за счет регуляторных влияний лимфоцитов на клеточный рост любых соматических тканей (Бабаева А.Г. Прошлое, настоящее и будущее проблемы лимфоидной регуляции нелимфоидных клеток //Бюлл. экспер. биологии и мед. 1995. № 9. С. 230–234.). На основании продолжения взглядов о прямой регуляции лимфоцитами процессов роста любых типов клеток нами развивается иммунная теория старения (Донцов, 1979-2006), согласно которой возрастной иммунодефицит может определять процессы возрастной дистрофии любых типов тканей в том числе костной, что и является основой предлагаемой нами новой иммунной теории сенильного остеопороза. Эта теория может быть изложена следующим образом: ведущей причиной возрастного остеопороза является снижение лимфоидной регуляции (стимуляции) костной ткани, что ведет к ее возрастной дистрофии; дисбалланс хелперного и супрессорного эффектов лимфоцитов ведет к преобладанию процессов резорбции; причинами возрастного иммунодефицита являются изменения в центральных регуляторных вегетативных центрах (гипоталамус прежде всего), связанные с окончанием программ роста и развития организма. Влияния лимфоцитов на костную ткань могут проявляться также при различных заболеваниях, связанных с нарушениями иммунитета. Иммунофармакология с восстановлением функции таких лимфоидных регуляторных влияний является перспективным новым методом профилактики и терапии остеопороза. ^ СЛУЧАЕВ) НА КРИВЫЕ ВЫЖИВАНИЯ И ПОКАЗАТЕЛЬ СМЕРТНОСТИ (ОТНОСИТЕЛНУЮ СКОРОСТЬ ГИБЕЛИ) В МОДЕЛИ ВИТАЛЬНЫХ РЕЦЕПТОРОВ А.П.Полтораков Кривые выживания (КВ) организмов позволяют получать ценную информацию о процессах старения. Но при этом возникает проблема учета влияния на КВ факторов эндогенной природы, непосредственно с процессами старения не связанных, но также приводящих к гибели организма – т.н. гибель в результате несчастных случаев. Рассмотрим решение этой проблемы в рамках модели витальных рецепторов (МВР), примененной нами для моделирования процессов старения [1-5]. Основной постулат МВР – процесс старения определяется разрушением витальных рецепторов (R) – жизненно важных структур, определяющих жизнеспособность организма. Их разрушают инактиваторы (I) - соединения, не- обратимо реагирущие с рецепторами по реакции: R+I R* (k –константа скорости), что приводит к инактивации R (R*- инактивированный рецептор). Биокинетический расчет этой реакции позволяет получить основные типы КВ, которым соответствуют функции выживания S(t) и гибели F(t) следующих видов: 1. Экспоненциальное (Е) распределение вероятности гибели: (1) FE(t)=1-SE(t)=1-exp{-k[I]c(t-t0)}, где t0 – время окончания периода «детской» смертности, [I]с – концентрация инактиваторов в организме. 2. Обобщенное распределение Вейбулла (TW): (2) с [I]0- начальной концентрацией инактиваторов и Vc – общей скоростью изменения концентрации инактиваторов. 3. Распределение Гомперца-Макхейма (GM): (3) с k+ - константой накопления инактиваторов и v- - скоростью их разрушения. 4. Распределение Гомперца (G): (4) , где k – разность констант накопления (k+) и разрушения (k-) инактиваторов. 5. Р-распределение. +Р при v+> k-[I]0 и -Р при v+< k-[I]0: (5a,b) с v+- скоростью накопления инактиваторов. Пусть гибель организма может происходить не только в результате процессов старения (событие ^ ). Тогда общая гибель (событие С) будет результатом суммы этих двух событий: С = А + В, вероятность которой рассчитывается по теореме сложения вероятностей [6]: PF(C) = PF(A) + PF(B) - PF(AB) = PF(A) + PF(B) - PF(A) PF(B) (6) при условии совместности событий А и В и их независимости. PF(À) представляет собой функции распределения вероятности гибели: E-, TW-, G-, GM и Р-распределения (1-5). Вероятности гибели от несчастных случаев можно вывести из следующих соображений. Пусть эта гибель является «пуассоновским» событием, т.е. вероятность его осуществления р в единичном эксперименте достаточно мала, а число экспериментов, производимых в единицу времени достаточно велико, так что его произведение на р стремится к некоторой постоянной величине . Тогда промежуток времени между двумя последовательными наступлениями «пуассоновского» события, который можно рассматривать как время гибели от несчастных случаев, имеет вероятностное распределение экспоненциального типа [6,7]: , (7) где λ = const – относительная скорость гибели только от несчастных случаев (λ=-d(lnPS)/dt). Тогда функции распределения вероятности общей гибели всех пяти рассматриваемых распределений равны: , , (8-13) , при v+> k-[I]0 и при v+< k-[I]0. V0 – начальная общая скорость изменения концентрации инактиваторов. Те же уравнения для показателя смертности или относительной скорости гибели R(t): , (14-19) , , при v+> k-[I]0 , при v+< k-[I]0, где - начальная относительная скорость гибели, обусловленная процессами старения. Из найденных формул следует, что гибель от несчастных случаев вносит вклад в начальный показатель смертности, увеличивая его (все уравнения написаны через начальный показатель смертности Rt0), а также в константу А GM- и Р-распределений: , , (20-23) . Уравнение (20) означает суммирование скоростей – к начальной относительной скорости гибели от старения добавляется гибель от несчастных случаев. Еще один важный вывод: присоединение гибели от случайных причин вид четырех распределений (Е-, TW-, GM- и ^ -[I]0 , при v+< k-[I]0 , в то время как распределение Гомперца переходит в распределение Гомперца-Макхейма: (29) с константой λ в качестве дополнительного члена, введенного в свое время Макхеймом в G-распределение именно для учета подобного вида гибели. В то же время другие авторы считают такой взгляд ошибочным и приписывают константе А свойство отражать действие не только внешних, экзо-, но и внутренних, эндогенных факторов [8], что соответствует варианту (16): (30) В этом случае определить величину вклада в эти константы можно только экспериментальным путем, сравнивая значения А для одной и той же популяции в природных и лабораторных условиях, когда действие несчастных случаев исключено и = 0. Если при этом будет наблюдаться еще и переход распределений GGM, то будет осуществляться вариант (29). В общем случае вид уравнений для кривых выживания определяет соотношение между величиной k[]0 и параметром . Разберем три возможных варианта:
В случае = 0 отсутствует гибель от несчастных случаев, что практически осуществимо в лабораторных условиях. Тогда кривые выживания описываются уравнениями возрастной гибели (1-5) в результате старения, куда входит в том числе и экспоненциальная гибель. К этому случаю примыкает вариант k[]0>> , при котором величина k[]0 во многом больше , и гибелью от несчастных случаев можно пренебречь. Теоретически интересным частным случаем является вариант 1b абсолютно бессмертной нестареющей популяции с величинами k = 0, []0 = 0 и = 0, когда отсутствуют процессы старения и гибели от несчастных случаев, и функции выживания и гибели (8-13) равны: S(t) = PS(t) = 1 и F(t) = PF(t) = 0. При втором варианте k[]0 , и параметры процесса гибели от несчастных случаев сопоставимы с аналогичными от старения. Тогда в начальный показатель смертности Rt0и константу А распределений входит как составная часть параметр , учитывающий гибель от несчастных случаев, при неизменном (кроме G-) характере распределений. Определить величину вклада в эти константы можно только экспериментальным путем, сравнивая значения Rt0 и А для популяций в природных и лабораторных условиях. При третьем варианте >> k[]0 преобладает гибель от несчастных случаев, и TW-,GM и Р -распределения приближаются к чисто экспоненциальному виду. Но и здесь вариант больших значений константы инактивации k и начальной концентрации инактиваторов []0, т.е. противоположный случай << k[]0, имеет тот же результат. Различить эти варианты также можно только экспериментально. И, наконец, частный вариант 3b c k = 0, []0 = 0 и = const, при котором старение отсутствует и гибель наступает только от несчастных случаев. Тогда все распределения в соответствии с уравнениями (8-13) сводятся к экспоненциальному. Все вышеприведенные варианты справедливы для случая, когда распределение вероятности гибели от несчастных случаев подчиняется экспоненциальному распределению, что имеет место для условий «пуассоновского» события [8]. Поэтому совершенно не исключены варианты и других распределений вероятности гибели от несчастных случаев, например, равномерное распределение. Тогда общее распределение будет искажаться и не соответствовать E-, TW-, G-, GM или Р-распределениям. В этом нетрудно убедиться, подставив функцию распределения равномерного типа в уравнение (6). ЛИТЕРАТУРА
ния на основе теории рецепторов // Цитология. 1997. Т. 39, № 6. С. 502-503.
5. Полтораков А.П. Математический анализ кривых выживания и гибели с помощью модели витальных рецепторов. Доклады МОИП. Общая биология 2001. Московское общество испытателей природы. М., 2002. C. 29-34. Депонировано ВИНИТИ 28 июня 2002г. №1206-В 2002. 6. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Высшая школа, 1998. 575с.
^ Е.В.Терёшина «Законы природы разрешают только смерть». Этими словами И.Пригожин 1 выразил универсальность второго закона термодинамики, подразумевая при этом, что второй закон вполне приложим только к изолированным системам или к замкнутым системам, находящимся вблизи от состояния равновесия. В этих системах второй закон может быть выражен статистически в рамках теории вероятности через известную формулу Больцмана, в которой вводится понятие энтропии. Статистический закон не выполняется для открытых систем, находящихся вдали от состояния равновесия, но для них пока и не открыты всеобщие законы. Рассматривать жизнь и смерть открытых систем с позиций термодинамики пытались многие исследователи (М.Волькенштейн, Г.Гладышев, А.Зотин). Для объяснения явления самоорганизации был введен малопонятный термин «негэнтропия». Однако с этих позиций невозможно объяснить существование стадий онтогенеза, таких как зародышевое развитие, рост, период стационарного состояния, старение и смерть, так как живой объект в этом случае выступает одновременно и как открытая и как замкнутая система. Существование стационарного периода в индивидуальном развитии позволило А. Зотину 2 предложить свою теорию онто- и филогенеза, частично основанную на некоторых идеях И. Пригожина. Он проигнорировал отчетливые указания бельгийского ученого на то, что живые объекты относятся к системам, находящимся вдали от_систем с минимальным производством энтропии. Такие системы получают энергию извне, и она компенсирует внутреннюю энтропию. Смерть такой системы объясняется просто – это конечное состояние эволюции замкнутой системы, достижение ею термодинамического равновесия. Старение системы происходит в течение всего стационарного периода, наступающего после периода становления, который завершается на стадии личинки или зародыша весом в 1 г. Любое отклонение от стационарного состояния приводит к возникновению сил, возвращающих систему вновь в стационарный режим. Графически такая ситуация изображается в виде желоба, который Уоддингтон назвал «креодом». Вся деятельность А. Зотина была посвящена доказательству того, что онтогенез укладывается в рамки модели креода. Таким образом, отечественные исследователи остались верны второму закону термодинамики и отказывались принимать предложенную И. Пригожиным идею об особом статусе живых систем как систем, эволюция которых не зависит от конечного равновесия. Аттрактором, т.е. устойчивым состоянием, к которому эволюционирует система, является ее структура. В зависимости от природы связей между элементами структура может преобразоваться в изолированную систему, либо остаться открытой системой. В последнем случае она эволюционирует даже в стадии структуры, теряя устойчивость, пока не достигает точки бифуркации, где выбирает один -из двух путей возможного дальнейшего развития, т.е. приобретения новой устойчивой структуры. Причина непонимания, на наш взгляд, коренится в том, что внимание ученых было сфокусировано на разных аспектах живой материи. Пригожина больше интересовала «стрела времени», т.е необратимость эволюционного процесса в целом, тогда как Зотин прежде всего пытался разобраться с онтогенезом, т.е. объяснить временность существования отдельной особи. Пригожин рассматривал планету как сильно неравновесную систему, а Зотин сохранил верность традиционным представлениям, согласно которым условия существования организмов на планете изменяются постепенно, и адаптогенез в замкнутой системе, какой является планета, становится движущей силой эволюции. Пригожин проповедовал универсальную нестабильность, а Зотин оставался приверженцем второго закона. Кто из них прав? Разработанный к настоящему времени системный подход удовлетворяет только одному требованию - он позволяет представить систему как иерархию структур, обслуживая сложившееся представление об универсальности иерархического принципа в природе. Он объясняет существование функциональных систем с позиций теории автоматов, которая не может предложить приемлемого толкования эволюции и самоорганизации. Как соотносятся понятия «система» и «структура»? К чему можно отнести живой организм, к системе или к структуре? Пригожин предложил различать два вида природных структур – классическую и диссипативную. В классической структуре расстояния между взаимодействующими элементами не превышают атомарного или молекулярного диаметра, а в диссипативной структуре элементы отстоят друг от друга на значительно большем расстоянии (до сантиметров). Классические структуры образуют изолированные и замкнутые системы, диссипативные – сильно неравновесные открытые системы. Зотин причисляет живой организм к классическим, а Пригожин – к диссипативным структурам. Структура – это система, которая в процессе эволюции приобретает определенную топологию, фиксируемую статическими связями между элементами. Каждый элемент системы – это структура другого, как правило, более низкого уровня. Мы предлагаем различать однородные и разнородные элементы. К однородным элементам относятся элементы, имеющие один и тот же тип структуры. Системный подход допускает существование систем, состоящих из разнородных элементов. По нашему мнению эволюционное значение имеют только системы, состоящие из однородных элементов. Основным принципом структурообразования является принцип однородного элементного состава среды, в которой образуются системы. В природе существует четыре типа связей между элементами, все они основаны на донорно-акцепторных взаимодействиях. Три из них возникают как симметрия знаковых различий между элементами одной среды: первый тип – электрон-протонное взаимодействие, в которое вступают элементы, имеющие разную структуру, но принадлежащие одному полю; второй тип – анион-катионное взаимодействие. Такие типы связей характерны для классических структур. Третий и четвертый типы связей Пригожин назвал «коммуникациями». Эти связи характерны для диссипативных структур. Они представляют собой донорно-акцепторную связь, осуществляемую либо при непосредственном контакте свободно мигрирующих элементов, либо на значительных расстояниях между ними посредством диффундирующих в среду медиаторов и ассоциированных рецепторов. Донор и акцептор при этом могут не иметь «знаковых» различий. Живые организмы представляют собой рубежный этап, где общий характер связи претерпевает дихотомию, развиваясь в третий и четвертый тип. Третий тип – это различие полов (знаковая симметрия), четвертый – коммуникации между неразличимыми элементами, сигнальная связь (между нейронами, речевая коммуникация). Третий тип связи является граничным , сочетая в себе признаки связей, характерных для классической и диссипативной структур. В истинно диссипативных структурах коммуникации приводят к когерентному поведению элементов. Топология этих структур может постоянно изменяться либо в ответ на воздействие извне, либо вслед за внутрисистемными потоками энергии. Вследствие этого диссипативные структуры могут непрерывно эволюционировать, повинуясь сигналам из окружающей среды или в соответствии с более эффективным перераспределением внутрисистемной энергии. Интерес представляют стационарные состояния диссипативных структур. Эволюцию таких структур можно рассматривать как непрерывную смену стационарных состояний, ни одно из которых не приближается к конечному равновесию. К строго диссипативным структурам Пригожин относил только социальные структуры и очень затруднялся по поводу биологических структур. Как видно, биологические структуры являются переходным типом структур от классических к диссипативным и, по-видимому, обладают свойствами тех и других. Согласно логике Пригожина диссипативные структуры должны быть бессмертными. Отсутствие в системном подходе четких дефиниций «системы» и «структуры» привело к тому, что этими терминами исследователи обозначают разные образования. Мы предлагаем называть структурой топологию системы, состоящей из однородных элементов, фиксированную межэлементыми связями и обособившуюся в сплошной однородной среде. Такой подход позволяет нам предположить существование в природе всего семи основных структур – устойчивые структуры однородного поля элементарных частиц ( протон и электрон), атомы, молекулы, полимеры, клетки (одноклеточные организмы), многоклеточный организм, социальные структуры (государство). Каждая структура состоит из элементов, которые являются структурами предыдущего уровня. К биологическим могут быть отнесены две структуры – одноклеточный организм (прокариота и эукариота) и многоклеточный организм. Все многообразие живого – всего лишь различные формы двух основных структур. Являются эти структуры классическими или диссипативными? Что такое старение и смерть в приложении к классическим и диссипативным структурам? Старение классической структуры – это ее необратимое приближение к термодинамическому хаосу. Смерть диссипативной структуры – ее исчезновение в точке бифуркации, когда изменяется топология системы (или образуется новая система). Например, когда одноклеточные структуры дают начало многоклеточному организму. Классическая структура, распадаясь в момент гибели на элементы, может быть воссоздана в прежнем виде, так как ее топология жестко фиксирована однозначностью связей – в этом состоит смысл фазовых переходов. Клетка, рассыпавшаяся на элементы (полимеры), или многоклеточный организм, расчлененный на отдельные клетки, не могут воссоединиться спонтанно, восстановив прежнюю структуру. Однако однозначность связей в биологических структурах существует, она фиксируется в генетической программе, поэтому в принципе воссоздание структуры возможно – в этом состоит смысл воспроизводства. Генетическая программа является переходной формой между обратимостью фиксированных связей и необратимостью коммуникаций. Естественная история живой материи – это борьба обратимости и необратимости, которая у биологических объектов приобретает форму компромисса между этими двумя процессами. Биологические структуры приобретают свойство самовосстанавливаться за счет непрерывного воспроизводства. Живые системы выработали два способа воспроизводства структур – за счет частичного и за счет одномоментного полного обновления элементов. Воспроизводство одноклеточных организмов идет по пути частичного обновления элементов – каждая дочерняя клетка имеет часть элементов, доставшихся ей от материнской клетки. Частичное обновление элементов возможно только при их непрерывном синтезе. Структуры, элементы которых непрерывно обновляются, не стареют. В случае одноклеточного организма уместно говорить не о старении клетки, а о старении клона, т.е. новой системы. Клон как эволюционирующая система постепенно структурируется в новую структуру – в многоклеточный организм. Структурирование происходит при постепенном совершенствовании процессов регуляции, которые выражаются в виде выработки механизма митоза. Однако до тех пор, пока клон не сформировался окончательно в структуру, обновление его элементной базы (полимеров) остается частичной. Каждая структура имеет свою форму, определенную границами, через которые осуществляется обмен с окружающей средой. В окончательном виде структура многоклеточного организма имеет строго определенную форму и может воспроизводиться только в рамках этой формы. Мы назвали это явление «феноменом структурной целостности». При достижении структурной целостности клетки, составляющие клон, перестают делиться. Для многоклеточных организмов элементами являются клетки, и их обновление должно происходить одномоментно, поэтому обновляется весь организм в целом. Старение и смерть – «привилегия» структуры многоклеточного организма и обусловлено «старением» необновляемой элементной базы клеток - полимеров, вследствие чего прежде всего стареют и отмирают клетки сомы. Фактически время существования многоклеточного организма должно совпадать со временем жизни неделящихся клеток сомы. Окончание роста является в то же время началом старения. Однако организм входит в стационарный режим, который замедляет процесс старения. Стационарный режим необходим для обеспечения воспроизводства. Продолжительность стационарного периода определяется особенностями источника энергии, с которым взаимодействует данная структура, его энергонасыщенностью. Источник энергии определяет стратегию выживания организма. Самоподдержание структуры в течение стационарного периода может быть обеспечена только одним способом – частичным восстановлением митоза соматических клеток. Должна существовать синхронизация между количеством отмерших и количеством вновь синтезированных клеток. Синхронизация приводит к появлению механизма апоптоза – запрограммированной гибели клеток. Апоптоз «работает» в унисон с деятельностью очагов митотического деления, стволовых клеток. Необратимость поступательной эволюции исключает приложение второго закона термодинамики. Между тем сформировавшиеся структуры становятся изолированными системами (полимеры) или замкнутыми системами, адаптированными к постоянному потоку энергии (эукариоты и многоклеточные организмы). К ним применим второй закон термодинамики. Неделящаяся одноклеточная эукариота и многоклеточный организм имеют стационарное состояние, характеризующееся минимумом производства энтропии, приближающееся к конечному равновесному состоянию, смерти. Таким образом, живая материя является переходным состоянием от мертвой материи к социальной, от классических к диссипативным структурам. Биологические структуры являются смертными и бессмертными одновременно. В онтогенезе многоклеточного организма до достижения структурной целостности организм бессмертен, после – смертен. ЛИТЕРАТУРА
^ СТАРЕНИЕ СИСТЕМЫ ИЛИ СТРУКТУРЫ? Е.В.Терёшина Старением называют конечную стадию существования материального тела, которая предшествует его окончательному разрушению и исчезновению как единого целого. Иногда старение называют процессом («процесс старения»), но такая характеристика старения неверна. Под понятием «процесс» подразумевается вполне определенное явление, которое характеризуется стадийностью: начало, кульминация и завершение. Процессом можно назвать само существование материального тела, так как оно стадийно: тело возникает, оно существует и, наконец, завершает свое существование. Старение соответствует третьей стадии процесса существования, которая имеет определенную временную протяженность. Процесс существования имеет графическое изображение в виде холмообразной кривой. Старению соответствует нисходящий склон этой кривой. Но что такое сама эта кривая, какие события она представляет? Интерпретировать кривую можно в терминах, используемых для описания системы и структуры. Современный системный подход оперирует определением системы, данном Л. фон Берталанфи, “система – это совокупность разнообразных элементов, которые находятся в определенных связях между собой и реагируют на изменение окружающей среды только как целое» [1]. Понятие структуры формулируется как производное от понятие системы, так как рассматривается структура системы. Отсутствие отдельного представления о структуре позволяет заключить, что структура – это одно из состояний системы. «Под структурой системы понимают отношения или связи между элементами, позволяющие четко выделить и отграничить ее от окружающей среды, т.е. это множество существенных свойств, связанных с типами взаимодействия между ее элементами» [2]. При сопоставлении двух понятий трудно вычленить существенные различия между системой и структурой. Данные определения в неявной форме утверждают их тождественность. Между тем, если рассматривать систему и структуру в рамках процесса, то становится очевидным, что структура – это этап эволюции системы, ее кульминационная точка, когда связи между элементами обретают законченную конфигурацию. Эволюцию системы к структуре следует описывать в терминах самоорганизации. При этом необходимо различать два типа систем – системы как совокупности, объединяющие конечное число уже имеющихся в наличии элементов, и системы, самостоятельно продуцирующие свои элементы. Определение Берталанфи подходит к первому типу систем, так как здесь совокупность объединяет случайное количество случайно распределенных элементов, причем эти элементы разнообразны, т.е. отсутствует какое либо сродство между ними. К таким системам относятся рукотворные (искусственные) образования. Системы второго типа представляют собой совокупности однородных элементов, которые могут производиться самой системой. К этому типу принадлежат каталитические системы. По нашему мнению все природные системы принадлежат и тому, и к другому типу, но они отличаются от искусственных систем тем, что все их элементы однородны, т.е. имеют один и тот же план строения. Системы можно разделить также на функциональные и нефункциональные. Функциональными могут быть и искусственные образования, например автоматы. В то же время такие природные системы, как кристаллы не функционируют. Согласно определению Берталанфи, система образована элементами, находящимися в определенных связях между собой. Эти связи могут быть жесткими, энергетическими или лабильными, функциональными. Система – это совокупность элементов и связей, а структура – это фиксированное число элементов, скрепленных связями в определенную композицию. Система эволюционирует к структуре путем установления числа элементов и определения характера связей между ними. Функциональность системы определяется двумя параметрами: первое – она сама производит свои элементы, второе – она затрачивает энергию на образование и поддержание межэлементных связей. В первом случае система перестает функционировать как только она достигнет стадии структуры, т.е. как только число элементов будет составлять некую величину. Во втором случае функциональной становится и структура, которая потребляет энергию для поддержания межэлементных связей, т.е. для сохранения своей структурной целостности. В связи с тем, что структура – это кульминационный этап эволюции системы (вершина холмообразной кривой), стареет не система, а ее структура. Распад структуры предусматривает разрушение как элемента, так и связи – двух ее основных компонентов. Холмообразная кривая, таким образом, является графическим изображением процесса эволюции системы в структуру и разрушения (старения) структуры. Это графическое описание соотносится либо с элементом, либо со связями, либо с энергией, которая расходуется на образование структуры и выделяется при ее распаде. Рассмотрим все три варианта. Первый вариант – кривая описывает систему, продуцирующую элементы: их число возрастает, пока не достигает плато (стадия структуры), затем (спуск кривой ) число элементов снижается, они разрушаются, наконец структура утрачивает свою целостность. Если система состоит из разнородных элементов, то среди них всегда найдутся такие, которые подвержены разрушению в большей степени, чем другие. Именно они определяют скорость старения и продолжительность существования структуры (величину плато). Если система состоит из однородных элементов, то необходимо иметь в виду, что такие элементы варьируют по ряду признаков (статистический вариационный ряд), среди которых находится и такой признак как чувствительность к разрушительному воздействию среды. Надо принимать во внимание, что элемент сам является структурой и все описанные закономерности относятся и к нему тоже. При реализации этого варианта старение начинается непосредственно сразу после образования структуры, когда система больше не производит элементы. Второй вариант – кривая описывает образование и разрушение связей. Очевидно, что способность элемента вступать во взаимодействие с другим элементом – его особое свойство, которое определяется среди прочего и целостностью его собственной структуры. При построении структуры в системе происходит селекция элементов по способности к образованию связей. Среди отобранных могут встречаться и частично разрушенные элементы. Система, не продуцирующая элементы, не может заменять свои стареющие компоненты. Старение структуры в такой системе начинается прежде, чем она образовалась. Продолжительность существования структуры определяется количеством полифункциональных элементов, способных образовывать дополнительные связи и, тем самым, замещать выбывшие компоненты. Третий вариант – кривая описывает потребление энергии системой на разных стадиях ее существования. В период построения структуры система затрачивает энергию на синтез элементов и на энер- гообеспечение межэлементных связей. В стационарном периоде структура обладает внутренней энергией, если она не функционирует, либо потребляет стабильное количество энергии, необходимое для поддержания ее структурной целостности. Снижение уровня потребления энергии свидетельствует о старении структуры. Все материальные тела, искусственные и природные, подпадают под действие вышеописанных закономерностей. Рассмотрим три природных материальных тела – кристалл, звезду и живой организм. Кристалл самоорганизуется в системе – совокупности из готовых элементов, молекул, которые образуют структуру за счет межэлементных связей. При внешнем разрушительном воздействии (механическая, тепловая энергия), структура способна сохранять целостность до некой критической точки, при переходе которой она распадается. Межэлементные связи в кристалле разрушаются (при сохранении элемента), когда энергия внешнего воздействия превышает энергию связи. В отсутствие такого воздействия кристалл не стареет. Звезда представляет собой систему термоядерного реактора, в котором из трех ядер гелия синтезируется одно ядро углерода. Диссипативная энергия ядерного распада потребляется как энергия синтеза. Система продуцирует новые элементы – атомы углерода, из которых главным образом строится холодное тело звезды, т.е. ее структура. По мере построения структуры звезда гаснет. Угасание звезды называют ее старением. В самом деле, только часть энергии распада расходуется на синтез твердого тела, более значительное ее количество необратимо рассеивается в пространстве – звезда «испускает» энергию. Старение звезды обусловлено диссипацией внутренней энергии системы. Живые организмы представляют два вида природных систем. Первая система – одноклеточный организм, ее однородными элементами являются биополимеры (полипептиды, полинуклеотиды, полисахариды). Вторая система – многоклеточный организм, ее однородными элементами являются соматические клетки. Система одноклеточного организма эволюционирует к структуре одноклеточной эукариоты; система многоклеточного организма – к структуре млекопитающих (зверей). Таксономические единицы систематики организмов соответствуют различным промежуточным формам, этапам эволюции системы в структуру. Промежуточные этапы эволюции являются отдельными организмами, которые в своем онтогенезе достигают уровня структуры, организованной определенным образом. Онтогенез – это процесс, который начинается с образования системы и завершается гибелью структуры этой системы. Система живого организма начинается с одного (зигота) или нескольких элементов, которые она затем продуцирует в определенном количестве – в количестве, необходимом для построения структуры. Когда структура построена, она имеет фиксированный набор однородных элементов и связей и находится в стационарном режиме потребления и расходования энергии. Основным повреждающим агентом внешней среды является кислород. В структуре одноклеточного организма происходит обновление биополимеров, в структуре многоклеточного организма – соматических клеток. По нашему мнению, старение живого организма происходит вследствие естественного разрушения элементов, темпы восстановления которых отстают от темпов распада. При достижении стадии структуры интенсивность продукции элементов системой снижается, так как отпадает необходимость в приросте их числа. В то время как обнов- ление элементов в структуре находится на стабильном уровне, число разрушенных элементов неуклоннно растет. Система репарации поврежденных элементов не регулируется: не существует обратной связи между разрушением и обновлением элементов [3]. Окружающая среда не оказывает непосредственного влияния на энергетику межэлементных связей, поэтому основным фактором старения живых организмов, на наш взгляд, является разрушение элементов. Постепенное разрушение элементов сказывается на утрате структурой прежде всего функциональных, а не энергетических межэлементных связей, которые они осуществляют: в живом организме основная часть элементов функциональна. Организм стареет не как кристалл: старение организма – это угасание его функциональной активности, а материальное тело сохраняет свою целостность и после смерти. В связи с этим возникает аналогия со старением звезды, которая, проведя синтез структуры, угасает, оставляя «безжизненное» материальное тело (кристалл). Подобно звезде, живой организм сам вырабатывает энергию, расщепляя химические соединения (питательные вещества) для синтеза биополимеров и клеток (элементов), т.е. сам строит свое материальное тело (структуру). Старение организма есть превращение структуры с функциональными связями в структуру с энергетическими связями, в кристалл. Этим кристаллом может быть и известковый скелет одноклеточного организма, и скелет многоклеточных животных. Известно, что старение высших многоклеточных сопряжено с возрастанием соотношения жир/вода в соме. Жиры (триглицериды) образуют структуры жидких кристаллов. Таким образом, старению может быть подвержена и система, если разрушаются ее элементы, и структура, если разрушаются межэлементные связи. Живой организм представляет собой функциональную структуру и ее старение представляет собой постепенное угасание ее функциональной активности, при этом структура как целостное образование , скрепленное энергетическими связями, сохраняется. ЛИТЕРАТУРА
//Ann. N.-Y. Ac. Sci. 1992. Vol.663. P.412-417. |
хорошо
1
Похожие:
База данных защищена авторским правом ©MedZnate 2000-2016
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям