Якісна феноменологическая теорія розвитку старіння

Відео: Кунанбаева З Ж - Зростання, розвиток і рух Старіння Теорія Мечникова

Сучасна термодинаміка лінійних необоротних процесів виникла близько 40 років тому, і вже тоді було висловлено припущення, що її основні співвідношення можуть бути використані для побудови феноменологічної теорії вікових змін організмів (Prigogine, Wiame, 1946- Prigogine, 1960).

Згідно з цим припущенням, для опису процесів розвитку, зростання і старіння організмів можна використовувати критерій еволюції термодинаміки лінійних необоротних процесів.

Цей критерій спирається на теорему Пригожина (Prigogine, 1960), яку можна сформулювати наступним чином: в стаціонарному стані продукція ентропії всередині термодинамічної системи при незмінних зовнішніх параметрах є мінімальною і константної.

Якщо система не знаходиться в стаціонарному стані, то вона буде змінюватися до тих пір, поки швидкість продукції ентропії, або, інакше, диссипативная функція (ф), системи не прийме найменшого значення, т. Е .:


де


Т - абсолютна температура, V - об`єм системи, diS / dt - швидкість продукції ентропії, Jj - питомі потоки, Xj - термодинамічні сили, q - інтенсивність теплопродукції.

Термодинамічні потоки і сили пов`язані лінійними співвідношеннями:


для яких виконується співвідношення взаємності:


Критерій (1) показує напрямок еволюції відкритої термодинамічної системи, пов`язаної з переходом системи з менш ймовірного нестаціонарного стану до більш ймовірного стаціонарного стану.

Отже, при використанні цього критерію для опису вікових змін організмів передбачається, що в процесі цих змін відбувається наближення організмів до кінцевого стаціонарного стану, перехід живої системи до більш вірогідного стану. Подібні ідеї, природно, висловлювалися і раніше (Przibram, 1922- Medawar, 1945), але тільки в теорії Пригожина-ВІАМ (Prigogine, Wiame, 1946) з цим положенням було надано реальний фізичний зміст, так як вона спирається на критерій еволюції (1) .

У живих системах питому дисипативну функцію (2) можна, з відомим наближенням, прирівняти інтенсивності теплопродукції, а отже, інтенсивності дихання і гліколізу, які в основному визначають теплопродукцию організму. Тоді теорія Пригожина-ВІАМ набуває простий біологічний сенс, оскільки зводиться до твердження, що в процесі вікових змін організмів відбувається безперервне зниження інтенсивності цих процесів. Численні експериментальні дані добре підтверджують це твердження (Зотін, 1974, 1976).

Для того щоб це стало ясним, слід, однак, чітко розрізняти 2 роду явищ.

перше з них - зміна інтенсивності теплопродукції (основного обміну), безпосередньо пов`язане з віковими змінами і характеризує тільки ці явища. Ми назвали такий процес констітуітівним (Озернюк і ін., 1971- Зотін, 1974).

Друге - Зміна інтенсивності теплопродукції, яке визначається дією різних зовнішніх і внутрішніх факторів. Такий процес ми назвали індуцібільним. Індуцібільние процеси можуть бути двох типів: індуцібільно-імпульсні, що викликаються короткочасними впливами різних зовнішніх і внутрішніх стимулів (до цієї категорії, зокрема, відноситься активний обмін дорослих тварин), і індуцібільно-адаптивні, пов`язані з адаптацією організмів до тривалих змін зовнішніх і внутрішніх параметрів (Озернюк і ін., 1971- Зотін, 1974, 1976).

Схематично теорію Пригожина-ВІАМ і відмінності в конститутивних і індуцібільних процесах можна проілюструвати схемою (рис. 9), в якій кулька котиться вниз по похилому жолобу. У кожен даний момент часу під дією зовнішньої сили кулька може ухилитися від стаціонарного стану (рис. 9, б), але потім він знову повертається на дно жолоба і продовжує рух до кінцевого стаціонарного стану. Рух кульки по дну жолоба (рис. 9, а, а) відповідає Конститутивними наближенню організмів до кінцевого стаціонарного стану, ухилення і повернення кульки до поточного стаціонарного стану (рис. 9, б, в) - індуцібільному процесу.


Як говорилося, є велика кількість даних, що підтверджують теорію Пригожина-ВІАМ (Зотін, 1974, 1976). Для ілюстрації я наведу тільки два малюнки, що стосуються птахів, ссавців і людини, з яких випливає, що зниження інтенсивності теплопродукції відбувається до найпізніших стадій старіння організмів (Рис. 10, 11).



Які ж основні слідства, цікаві для геронтології, випливають з термодинамічної теорії Пригожина-ВІАМ?

Перш за все, з точки зору цієї теорії, вікове зміни організмів супроводжуються наближенням системи до кінцевого стаціонарного стану, т. Е. Безперервним старінням живої системи. Відмінність ембріонального періоду і зростання від того періоду, який ми зазвичай називаємо старінням, полягає тільки в швидкості процесу старіння.

Отже, вивчення механізму зниження інтенсивності теплопродукції під час розвитку, зростання і наступних вікових змін є головним при вивченні механізму старіння організмів. Другим очевидним наслідком теорії Пригожина-ВІАМ є твердження, що в онтогенезі неминуче повинен бути такий період, коли жива система не наближається, а ухиляється від стаціонарного стану - процес, що супроводжується збільшенням величини дисипативної функції системи. На схемі (рис. 9) це відповідає руху кульки вгору по жолобу.

Якщо в процесі старіння відбувається зменшення величини дисипативної функції, то зворотне явище - її збільшення - можна назвати омолодженням живої системи. Простий аналіз показує, що подібне явище може здійснюватися під час оогенезу, на початкових стадіях регенерації і загоєння ран, на ранніх стадіях злоякісного росту (Зотін, 1974, 1976). Ці слідства теорії Пригожина-ВІАМ схематично показані на рис. 12.


Найбільший інтерес, з точки зору питань, що розглядаються тут, представляє період оогенезу тварин, так як в цей час, згідно зі схемою (рис. 12), відбувається природне омолодження живих систем. Тому зупинимося докладніше лише на цьому періоді. Вивчення інтенсивності дихання в ооцитах в`юна показало, що дихання, розраховане на 1 мг білка ооцита, швидко збільшується в період малого росту, досягає максимуму до початку великого росту, а потім знижується (рис. 13).


Інтенсивність анаеробного гліколізу в оогенезі в`юна змінюється подібним чином (Озернюк і ін., 1971- Озернюк, 1978). Відмінність полягає в тому, що максимум інтенсивності гліколізу доводиться на більш пізню фазу оогенезу в порівнянні з максимумом інтенсивності дихання.

Подібні дані, що стосуються зміни інтенсивності дихання в оогенезі, отримані для Xenopus laevis (Зотін, 1976) і Brachydanio rerio (Озернюк і ін., 1980). Таким чином, в цих роботах встановлено, що конститутивний ухилення (природне омолодження живих систем) відбувається на вузькій ділянці онтогенезу тварин: в період малого росту ооцитів. На всіх наступних стадіях оогенезу, зародкового розвитку і зростання організмів відбувається тільки конститутивний наближення живої системи до кінцевого стаціонарного стану, т. Е. Старіння організму.

Тепер повернемося до питання про шляхи вивчення механізму старіння і омолодження живих систем. Як говорилося, їх слід шукати в механізмі зміни інтенсивності теплопродукції, т. Е. В зміні інтенсивності дихання і гліколізу при віковій еволюції організмів. Тут будуть розглянуті тільки питання, пов`язані з вивченням механізму зміни інтенсивності дихання, яке вносить найбільший внесок у теплопродукцию організмів.

Як відомо, головні шляхи регуляції клітинного метаболізму пов`язані, з одного боку, зі зміною кількості ферментів, які каталізують ті чи інші біохімічні реакції, з іншого - зі зміною активності цих ферментів і вмісту метаболітів у клітинах.

Якщо мова йде про регулювання дихання, то зміна кількості дихальних ферментів практично збігається зі зміною числа мітохондрій або, точніше кажучи, мітохондріальних мембран. Регуляція інтенсивності дихання, не пов`язана зі зміною числа мітохондрій, може здійснюватися в результаті зміни фізичних і хімічних умов протікання реакцій, зміни концентрації субстратів і кінцевих продуктів реакцій, конкуренції ферментів дихання і гліколізу за субстрати і кофактор, аллостерічеськой регуляції активності ферментів продуктами метаболізму, зміни властивостей різних внутрішньоклітинних мембран і т. д.

Вся ця складна система регуляцій насилу піддається аналізу при конкретному розгляді механізму зниження або збільшення інтенсивності дихання під час розвитку, зростання і старіння організмів. Однак дещо спростити проблему можна, так як, відволікаючись від деяких приватних механізмів, можна вважати, що базисний рівень дихання (основний обмін) визначається головним чином концентрацією мітохондрій і мітохондріальних мембран в клітинах. Те, що подібне твердження можливо, показують деякі дані, наявні в літературі (Зотін, 1974, 1976- Корнієнко, 1979).

Так, Сміт (Smith, 1956), підсумовуючи дані різних авторів і власні спостереження, прийшов до висновку, що зниження інтенсивності дихання тварин при збільшенні їх маси визначається зміною концентрації мітохондрій. Цікаві дані отримані при електронно-мікроскопічному підрахунку числа мітохондрій на одиницю площі зрізів печінки і серця в процесі старіння щурів (Tauchi et al., 1964- Левкова, Трунов, 1970), а також при вікових змінах печінки людей (Tauchi, Sato, 1968) .

Виявилося, що при старінні щурів число мітохондрій на одиницю площі зрізів печінки і серця зменшується в процесі старіння. Те ж саме відбувається в печінці людей. На зрізах печінки розмірі 5000 мкм2 число мітохондрій змінювалося наступним чином: у людей до 49 років їх було 1893 50-59 років - 1829, 60-64 років - 1434 65-69 років - 1223 і понад 70 років - 1200 (Tauchi, Sato, 1968).

Залежність інтенсивності дихання від кількості мітохондрій встановлена в нашій лабораторії для таких процесів, як оогенез риб, регенерація кінцівок у аксолотля, голодування планарий і ін. (Зотін, 1976). Особливо наочні матеріали отримані при вивченні оогенезу риб (Озернюк, 1978- Озернюк і ін., 1980).

На рис. 13 представлені дані про зміну інтенсивності дихання, концентрації мітохондріального білка і кількості мітохондрій в одиниці об`єму ооцитів різних стадій оогенезу в`юна. Видно, що є хороша кореляція між цими величинами.

Якщо зазначені дані підтвердяться, то центр ваги вивчення механізму старіння і омолодження живих систем повинен зміститися в сторону вивчення механізму зростання і відтворення мітохондрій. Ця проблема, однак, є однією з найважчих проблем сучасної біології, так як синтез і транспорт основного числа мітохондріальних білків лежить поза мітохондрій і визначається такими складними явищами, як робота і регуляція ядерного генома, функціонування ендоплазматичної мережі і т. Д.

Таким чином, наслідки, що випливають з термодинамічної теорії старіння, застерігають від занадто оптимістичного ставлення до питання про можливості розробки способів регуляції старіння і омолодження організмів.

З точки зору цієї теорії, серйозне рішення проблеми збільшення видової тривалості життя тварин і рослин можливо буде тільки після того, як будуть вирішені основні проблеми клітинної біології, пов`язані з механізмом регуляції і роботи геному, механізму транспорту речовин в клітині, механізму відтворення і зростання мітохондрій.