Старение. Почему эволюция убивает? - Петр Владимирович Лидский
Прежде чем пытаться найти ответ на эти вопросы и рассматривать различные взгляды на природу старения, давайте ответим на практический вопрос: с теоретической точки зрения можно ли вылечить старение?
3 Скептически настроенный читатель может обратиться к статье Алана Коэна [6] и более поздней работе того же рода, написанной под руководством Вадима Гладышева [7].
Глава 3
Неизбежно ли старение?
Мы постоянно видим, что со временем вещи портятся. Заброшенные дома разрушаются, старые автомобили ломаются, древесина гниет, а металл ржавеет. Почему люди и животные должны быть исключением из этого правила? Старение живой материи, как может показаться, просто следует тем же правилам, что и разрушение неодушевленных объектов. Этот вывод выглядит логичным, но с научной точки зрения он неверен.
Термин «энтропия» в науке означает беспорядок или хаос. Высокая энтропия в системе подразумевает большую степень беспорядка, а низкая энтропия — упорядоченность и сложность.
В замкнутой системе, которая не получает энергии извне, энтропия растет согласно правилу, называемому вторым законом термодинамики. Объект, оставленный в герметично закрытой емкости, со временем, как ожидается, будет распадаться, а сложность содержимого этой емкости — снижаться, поскольку оно будет становиться более однородным. Например, капелька краски в стакане воды сначала образует причудливые узоры, но потом растворяется, и содержимое стакана приобретает равномерную окраску.
Сперва энтропия низкая, поскольку молекулы воды и молекулы краски отделены друг от друга, однако по мере того как молекулы перемешиваются и раствор становится однородным 4, энтропия, то есть мера хаоса, растет. Чтобы вернуть систему в состояние низкой энтропии, нужно отделить воду от краски, а для этого требуется приложить энергию, например, нагреть раствор и выпарить воду. Если же не прикладывать энергию, то энтропия может только расти.
То же самое должно быть верно для всей Вселенной, поскольку она также может считаться замкнутой системой. Действительно, астрофизики предсказывают, что через несколько триллионов лет звезды сгорят и наша Вселенная приблизится к своему энтропическому максимуму, предусматривающему относительно высокий уровень хаоса и однородности.
Можем ли мы использовать второй закон термодинамики для объяснения старения? Очевидно, что не можем. Живые организмы не существуют в герметически замкнутых емкостях. Они взаимодействуют с окружающей средой и получают энергию из внешних источников. Жизнь на Земле использует солнечную энергию для своего поддержания, воспроизводства и развития. Строение живого показывает, что невероятная сложность, а следовательно, высокая упорядоченность и низкая энтропия могут возникнуть при наличии лишней энергии. Жизнь — это удивительный пример флуктуации 5 энтропии, которую создает энергия Солнца, прежде чем рассеяться в пространстве Вселенной согласно второму закону термодинамики.
Поэтому теории, основанные на энтропии, плохо применимы к биологическим системам. Конечно, энтропия является важным фактором для изучения биохимических реакций в закупоренных пробирках. Однако энтропия как концепция может оказаться бесполезной, если мы переходим на более высокие уровни биологических процессов, организмов или целых экосистем, поскольку они не являются замкнутыми. Растения получают энергию от Солнца, а животные — из пищи, с ее помощью они могут устранять повреждения, регенерировать органы и продлевать свою жизнь, не вступая в противоречие со вторым законом термодинамики.
Аналогичным образом, вовремя отремонтированные дома сохраняются в течение очень длительного срока — значительно большего, чем предполагала их изначальная конструкция. Машины (в широком смысле этого слова) при надлежащем обслуживании и замене изношенных деталей также могут служить очень долго 6.
Таким образом, проведение аналогий между старением живых организмов и разложением неодушевленных объектов неверно. Животные получают энергию из внешней среды и могут использовать ее, чтобы регенерировать ткани и органы, и поэтому энтропические повреждения не могут объяснить старение.
Теперь давайте рассмотрим биологические аргументы. Есть ли животные, которые не стареют? Да, есть. Например, одноклеточные организмы, которые делятся симметрично, не должны стареть вообще. Если две дочерние клетки идентичны друг другу, то информация об их возрасте (например, повреждения) распределяется симметрично. Следовательно, обе дочерние клетки будут иметь одинаковый биологический возраст. Старение приведет к смерти обеих клеток, делая существование такого вида невозможным.
Действительно, многие одноклеточные организмы, такие как делящиеся дрожжи (или схизосахаромицеты), при оптимальных условиях культивации не стареют. Раковые клетки млекопитающих в лабораторных условиях могут делиться бесконечно без каких-либо признаков старения. Таким образом, одна клетка может жить не старея. А как обстоят дела с многоклеточными организмами? Может ли целый организм быть биологически бессмертным? Ответ — да, по крайней мере, для относительно простых беспозвоночных.
Большинство медуз начинают свой жизненный цикл как крошечные личинки, затем превращаются в полип и только потом — во взрослую свободно плавающую медузу. Однако бессмертная медуза (Turritopsis dohrnii) может вернуться из взрослой стадии обратно в стадию полипа, тем самым достигая биологического бессмертия [8]. Гидра (Hydra vulgaris), небольшой пресноводный полип и дальняя родственница медуз, также обладает биологическим бессмертием [9]. То же касается плоских червей, планарий (Schmidtea mediterranea) [10]. И гидры, и планарии размножаются бесполым образом, и, мало того, представители обоих видов обладают огромной регенеративной способностью и могут воссоздать все свое тело из крошечных кусочков. Следует еще раз подчеркнуть, что эти организмы не живут вечно, но их вероятность умереть не увеличивается со временем, поэтому мы можем утверждать, что они не стареют.
Таким образом, по крайней мере, простые беспозвоночные могут быть биологически бессмертными. Существуют ли нестареющие млекопитающие? Среди наших ближайших родственников нет биологически бессмертных животных, однако один известный нам вид в ходе эволюции приобрел настолько медленное старение, что им можно пренебречь. Это голый землекоп (Heterocephalus glaber) — небольшой безволосый грызун размером с мышь, эндемик стран Африканского Рога (Сомали, Джибути, Эфиопии, Эритреи) [11]. Ниже мы рассмотрим это удивительное животное более подробно, но пока нужно знать лишь то, что вероятность смерти у голых землекопов не увеличивается с возрастом. Исследователи могут найти некоторые маркеры старения, которые изменяются со временем в организме голых землекопов, однако не влияют на их смертность.
Это не значит, что землекопы бессмертны. Они умирают от болезней и гибнут от иных внешних причин — например, в драках со своими сородичами, в желудках змей, которые на них охотятся, или во время попыток расселения на новые территории [12]. Однако то, что вероятность их смерти не увеличивается с возрастом, позволяет говорить о биологическом бессмертии этих животных. На сегодняшний день рекорд продолжительности
