Starzejemy się nie bez powodu, ale w wyniku specjalnego programu biologicznego. Ale na świecie istnieje afrykański nagi kret, zwierzę podobne do myszy, które nie może się zestarzeć.
Naukowcy odkryli, dlaczego ludzie się starzeją, ale koparki nie.
Oto, co o tym pisze Jared Sluyter:
Życie odrębnej jednostki, osobnej jednostki gatunku biologicznego jest rzeczą bardzo cenną, ale są rzeczy jeszcze ważniejsze. Mianowicie sam widok. Oznacza to, że w rzeczywistości pełny zestaw genów (nazywa się to genomem), który jest zawarty w każdym osobniku tego gatunku i faktycznie określa, czym on jest.
Bardziej poprawne jest traktowanie wszelkich żywych stworzeń po prostu jako tymczasowego pojemnika na geny, które otrzymały od rodziców i przekazały swoim dzieciom. Po raz pierwszy w jednoznacznej formie taką ideę sformułował zapewne Richard Dawkins w swojej słynnej książce „Samolubny gen”.
Z reguły interesy genomu i jego tymczasowego nosiciela (żywej istoty) są zbieżne. Ale czasami tak nie jest. I wtedy od razu staje się jasne, kto jest szefem - oczywiście genom.
Jeśli genom gatunku jest zagrożony lub gatunek musi się po prostu rozwinąć, wówczas nosiciela można bezpiecznie poświęcić - następne pokolenia „urodzą nowe”.
Film promocyjny:
W rezultacie jestem pewien, że genomy większości (jeśli nie wszystkich) żywych istot zawierają specjalne szkodliwe programy. Z którego same stworzenia nie mają nic dobrego, ale które są niezbędne do rozwoju gatunku. Przede wszystkim programy śmierci, które zapewniają zmianę pokoleń, a tym samym ewolucję. A czasem układa się je „szybko” - na przykład w jednoroczne rośliny, które po dojrzewaniu giną zabijane przez własne nasiona, a czasem - w sposób „powolny”. A najgorszym programem powolnego samobójstwa jest program starzenia się. Co sprawia, że wiele gatunków, w tym ty i ja, „pogarsza się” z wiekiem i ostatecznie umiera.
Fakt, że starzejemy się nie bez powodu, ale w wyniku działania specjalnego programu biologicznego, nie jest rzeczą oczywistą i wymaga udowodnienia. Próbowałem to zbudować „przez zaprzeczenie”, pokazując przykład zwierzęcia, które wyłączyło dla siebie program starzenia. Ponieważ nie musi już tak bardzo przyspieszać własnej ewolucji - jest już dobry! To, podobnie jak ty i ja, jest ssak, dość bliski krewny zwykłej myszy - afrykańskiego gryzonia, nagiego kretoszczura! Jeśli mysz żyje 2-3 lata, w tym czasie całkowicie się zestarzeje i umiera ze starości, wtedy kretoszczur żyje ponad 30 lat, a jeśli czasami wykazuje oznaki starzenia, zwykle nie są one śmiertelne. Większość biologów zgadza się, że nagi kretoszczur jest zwierzęciem bez wieku (no cóż,lub bardziej naukowo, zwierzę o znikomym starzeniu).
A teraz, w naszej serii, przyszedł czas na odpowiedź na główne „pytanie o kopaczy”: jak on to zrobił? Jak wyłączył starzenie się ??!
Jeszcze kilka lat temu nie miałbym nic do powiedzenia na ten temat. Jednak w 2017 roku w jednym z najbardziej prestiżowych czasopism naukowych na świecie, Physiological Reviews, udało się opublikować pracę teoretyczną wyjaśniającą zjawisko starzejącego się kretoszczura. Pod koniec 2017 roku ukazała się rosyjska wersja.
Wszystko zaczęło się, jak zawsze, od mitochondriów. To takie małe elektrownie, które są w każdej komórce i którymi oddychamy. Mam nadzieję, że o nich będzie osobny odcinek naszego serialu. Badanie mitochondriów jest główną specjalnością akademika Władimira Pietrowicza Skulaczowa. Właściwie w jego laboratorium pod koniec lat 60. dowiedziano się, jak działają. Od 20 lat akademik oprócz mitochondriów interesował się problemami starzenia się i oczywiście podejmował tytaniczne wysiłki, aby przeprowadzić eksperyment z mitochondriami nagiego kretoszczura. Powinienem zauważyć, że mitochondria są bardzo silnie związane ze starzeniem, ale więcej o tym w następnej serii.
Badania nad mitochondriami nagich kretoszczurów zakończyły się sukcesem. W instytucie w berlińskim zoo przeprowadzono eksperymenty na kretoszczurach, a pracownikowi Włodzimierza Skulaczowa, słynnemu biologowi Michaiłowi Wysokichowi, który specjalnie przybył w tym celu z Moskwy, udało się uzyskać próbkę tkanki kretoszczura i zmierzyć różne parametry mitochondriów w tej tkance. Nie było w nich nic szczególnie interesującego poza nieco dziwną krzywą pokazującą szybkość wchłaniania tlenu przez mitochondria (one też oddychają) w określonych warunkach.
Wracając do Moskwy, Michaił pokazał tę krzywą liderce, której też coś przypomniała, ale co dokładnie - nie pamiętali. Więc biolodzy ciężko pracowali, dopóki nie pokazali wykresu innemu koledze, szefowi laboratorium bioenergii komórkowej Borysowi Czerniakowi, który jest znany z tego, że nigdy o niczym nie zapomina (cóż, przynajmniej jeśli jest to związane z mitochondriami, oddychaniem i żywymi komórkami). Spojrzał i natychmiast powiedział - dokładnie tę samą krzywą można uzyskać rejestrując oddychanie mitochondriów nowonarodzonych szczurów!
I tutaj Władimir Pietrowicz wpadł na jeden pomysł. Uchwycił go tak bardzo, że spakował się i pojechał do Berlina, żeby osobiście obejrzeć nagiego kretoszczura.
Co on znalazł? Że on (kretoszczur) jest nagi. A czy wiesz, jak on wygląda z tego powodu?
Spójrz na zdjęcie nagiego kretoszczura. I w pobliżu - wcale nie kopacze. To są nowonarodzone szczury. Widzisz, jakie są podobne? Za kilka dni szczenięta dorosną, ubierają się w futro i zamieniają się w normalne szczury. A kopacze nie. Pozostanie nim na całe życie i pozostanie niejako noworodkiem.
Dalsze badania wykazały, że kretoszczury mają ponad 40 oznak takiego „noworodka” lub „dziecinności” w porównaniu ze szczurami. Tutaj jest kilka z nich:
- Niska waga w porównaniu z innymi gatunkami z rodziny.
- Brak sierści (gryzonie zawsze je mają).
- Brak małżowin usznych.
- Ograniczona zdolność do utrzymania stałej temperatury ciała (jak u nowonarodzonych ssaków).
- Wysokie zdolności poznawcze (ciekawość).
- Niska podatność na ból.
- Zdolność neuronów do regeneracji i wydłużania żywotności neuronów.
- Brak spadku insulinopodobnego czynnika wzrostu 2 (IGF2) wraz z wiekiem.
- Brak spadku wraz z wiekiem poziomów dysmutaz ponadtlenkowych 1 i 2 oraz katalazy.
- A także kilkadziesiąt innych oznak zewnętrznych, fizjologicznych i biochemicznych.
Oznacza to, że okazuje się, że kretoszczur zatrzymał program swojego indywidualnego rozwoju na etapie nowonarodzonego gryzonia. Podobne zjawisko zostało opisane wcześniej np. U płazów i nosi nazwę neotenii. Ze względu na uczciwość należy powiedzieć, że Vladimir Skulachev nie był pierwszym, który zwrócił uwagę na fakt, że kretoszczur jest zwierzęciem neotenicznym. Przed nim zostało to zauważone przez Richarda Alexandra w 1991 roku i kilku innych naukowców. Ale wcale nie łączyli tego zjawiska z długowiecznością (Aleksander po prostu nie wiedział o długości życia tych zwierząt).
Utknąłem w dzieciństwie
Akademik Skulaczow sformułował bardzo prosty pomysł: jeśli kretoszczur zatrzymał się na młodym wieku, to jego program indywidualnego rozwoju po prostu nie osiąga punktu, w którym należy zacząć starzenie się. Dzieci się nie starzeją! W ten sposób otrzymujemy najważniejszy dowód: starzenie się jest częścią programu rozwoju i życia organizmu. To samo co narodziny, wzrost, dojrzewanie. A jeśli cały ten program zostanie zatrzymany, to starzenie się też!
Tak stało się z kopaczami. Gdyby zdarzyło się to zwykłemu gatunkowi, zniknąłby bardzo szybko, ponieważ przy braku starzenia jego ewolucja znacznie spowolniłaby. A kopacz ocalił jego eusocjalność. Życie w „trybie mrowiska” okazało się o wiele bardziej stabilne, więc mógł sobie pozwolić na wyłączenie starzenia się jako narzędzia ewolucyjnego.
I wydaje się, że w ewolucji najciekawszego dla nas gatunku stworzeń biologicznych - Homo sapiens - zaczęła się dokładnie ta sama historia, co z nagim kretem. Czy zauważyłeś, że ludzie są najbardziej podobni do… małych małpek?
Czy można przedłużyć życie i pozostać młodym przez długi czas? Naukowcy twierdzą, że wszystko jest prawdziwe, ponieważ przez pięćset lat oczekiwana długość życia ludzi prawie się potroiła. Ale dlaczego się starzejemy?
Co to jest starzenie się?
Starzenie się jest zwykle nazywane biologicznym procesem stopniowego zmniejszania lub całkowitego wyłączania funkcji życiowych organizmu. Ze względu na starzenie się organizm gorzej dostosowuje się do środowiska, spada zdolność do regeneracji tkanek, nabywane są choroby i zaburzenia metaboliczne.
Zewnętrznym skutkiem starzenia się jest zwiotczenie mięśni, zmarszczki i siwe włosy.
Oczywiście możesz zrobić operację plastyczną, makijaż i mieć dobrego lekarza, ale nie możesz oszukać swojego wieku. Musisz jednak wiedzieć - każdy starzeje się inaczej, a to zasługa samej osoby. Są mężczyźni i kobiety po pięćdziesiątce, którzy wyglądają wspaniale, oraz czterdziestolatki, które wydają się mieć „grubo po pięćdziesiątce”.
Teorie i hipotezy dotyczące starzenia się
Nikt nie zna dokładnej przyczyny starzenia się, stąd rodzą się hipotezy i spekulacje - mniej lub bardziej poparte danymi naukowymi. Każdy z nich ma zwolenników, ale najprawdopodobniej prawdziwe powody będą polegały na połączeniu teorii.
Przede wszystkim organizm starzeje się, ponieważ każda komórka ciała ma swój własny program - jak i ile razy się nim dzielić, zastępując „staruszków” „nowymi rekrutami”. W każdej z komórek wymiany te występują średnio około siedemdziesiąt razy.
To, jak szybko te siedemdziesiąt razy wystąpią w każdej z komórek, zależy od organizmu i metabolizmu, od twojego stosunku do ciała. Jeśli nie monitorujesz swojego zdrowia, nie jesz dobrze i jesteś narażony na szkodliwe czynniki środowiskowe, komórki organizmu muszą się częściej odnawiać, szybciej wyczerpują się ich zasoby.
Na przykład skóra starzeje się znacznie szybciej z powodu częstych i intensywnych oparzeń słonecznych, kiedy nabiera czekoladowego odcienia, a zwłaszcza przy ostrym oparzeniu słonecznym i oparzeniach.
Za inny powód starzenia uważa się uruchomienie programu samozniszczenia komórek w wyniku ich czynnego uszkodzenia przez czynniki środowiskowe i zaburzenia wewnętrzne. Uszkodzona komórka jest potencjalnie niebezpieczna dla organizmu poprzez degenerację do guza, dlatego najmniejsze defekty w komórkach są początkiem uruchomienia „systemu oczyszczania”, a czasami odbywa się to z bardzo ostrymi środkami, z wychwyceniem wszystkich sąsiednich komórek i śmiercią całych obszarów w tkankach lub narządach.
Zgodnie z tą zasadą uszkodzenie wątroby następuje z nadmiernym libacją, uszkodzeniem oskrzeli i płuc podczas palenia, uszkodzeniem naczyń krwionośnych w miażdżycy. Podobna zasada śmierci komórki działa podczas zawału serca lub udaru mózgu - jest to śmierć nieżywych komórek.
Czy to mogły być geny?
Genowa teoria starzenia zyskuje dziś popularność w świecie nauki, wiele by to wyjaśniało - zarówno uruchomienie pewnej liczby podziałów, jak i śmierć komórek w przypadku uszkodzenia, a nawet zmiana metabolizmu wraz z wiekiem.
Jeśli możemy wyizolować starzejący się gen, teraz, gdy możemy łączyć i zmieniać geny, możemy anulować starość. To prawda, że zniesienie śmierci grozi przeludnieniem planety i jej zniszczeniem za kilka lat. Ale nikt nie chce umierać!
Dlaczego się starzejemy?
Dopóki geny nie zostaną znalezione, proponujemy rozważyć przyczyny, które przybliżają go do poznania. Większość z nich tworzymy sami.
Przyjrzyj się uważnie swojemu życiu - to seria stresów z przemęczeniem układu nerwowego, problemy w domu i pracy, dzieci z lekcjami i siniakami, złamane kolana - to wszystko dodaje naszym siwiznom. Stres osłabia odporność i zdrowie, zakłóca sen - a chroniczny brak snu znacznie skraca oczekiwaną długość życia. Dlatego jeśli chcesz żyć długo, naucz się odpowiednio wypoczywać i relaksować.
Inne przyczyny przedwczesnego starzenia to zmniejszona aktywność fizyczna i dodatkowe kilogramy. Odkładają tłuszcz w okolicy serca i naczyń krwionośnych, nerki i jelita unoszą się wraz z tłuszczem - czy to wpłynie na twoje zdrowie i długie lata? Prawdopodobnie nadszedł czas, aby ponownie przemyśleć swoje nawyki żywieniowe, jeść mniej, przejść na dietę, częściej chodzić i uprawiać sport.
Nałogi skracające nasze i tak już krótkie życie to także papierosy i alkohol, nawet słabe. Uważa się, że z jednego papierosa życie skraca się o osiem minut. Oblicz, ile czasu ze swojego życia spędziłeś już w dymie? A wypicie więcej niż jednego kieliszka wytrawnego wina dziennie to minus 24 godziny twojego życia i minus tysiąc komórek wątroby, czy wątpliwa przyjemność z twojego zdrowia jest tego warta?
Kolejnym "zabójcą" twojego ciała jest … cukier, ten słodki krystaliczny proszek jest równie szkodliwy jak papierosy. W końcu konsumujemy go znacznie więcej, niż jest to fizjologicznie wymagane. Nie należy jednak zastępować go słodzikami - są one jeszcze bardziej szkodliwe.
Oczywiście promieniowanie słoneczne, promienie ultrafioletowe, zanieczyszczone powietrze i znajdujące się w nim metale ciężkie i woda również oddziałują, jednak cały ten wpływ jest znikomy w porównaniu z naszymi własnymi „eksperymentami” na ciele. Trzeba o tym pomyśleć - większość przyczyn starzenia się zależy głównie od nas.
Czasami zdarzają się osoby, do których nie mają zastosowania zwykłe przepisy i regulacje - mogą się obejść bez snu, nie zarazić się niebezpiecznymi infekcjami podczas najstraszniejszych epidemii. Jednak nie ma osoby, która nie podlega starzeniu. Wszystkie żywe istoty starzeją się, niszczą i giną. A nawet przyroda nieożywiona: budynki, kamienie, mosty i drogi - również stopniowo niszczeją i popadają w ruinę. Oczywiście starzenie się jest pewnym obowiązkowym procesem, wspólnym dla przyrody żywej i nieożywionej.
W 1865 roku niemiecki fizyk R. Clausis po raz pierwszy rzucił światło na przyczyny tego zjawiska. Postulował, że wszystkie procesy w przyrodzie przebiegają asymetrycznie, jednokierunkowo. Zniszczenie następuje samoistnie, a stworzenie wymaga wydatkowania energii. Z tego powodu na świecie stale rośnie entropia - nasila się deprecjacja energii i narasta chaos. Ta podstawowa zasada nauk przyrodniczych nazywana jest także drugą zasadą termodynamiki. Według niego do powstania i istnienia dowolnej struktury potrzebny jest dopływ energii z zewnątrz, ponieważ sama energia ma tendencję do rozpraszania się w przestrzeni (proces ten jest bardziej prawdopodobny niż tworzenie uporządkowanych struktur). Żywe organizmy należą do otwartych układów termodynamicznych: rośliny pochłaniają energię słoneczną i przekształcają ją w związki organiczne i nieorganiczne,organizmy zwierzęce rozkładają te związki iw ten sposób dostarczają sobie energii. Jednocześnie istoty żyjące znajdują się w równowadze termodynamicznej z otoczeniem, stopniowo oddają lub rozpraszają energię, dostarczając entropii do przestrzeni świata.
Okazało się jednak, że istnienie organizmów żywych nie jest całkowicie wyczerpane przez drugą zasadę termodynamiki. Wzorce ich rozwoju wyjaśnia trzecie prawo termodynamiki, poparte wybitnym belgijskim naukowcem I. Prigożinem, rodem z Rosji: nadmiar darmowej energii pochłoniętej przez system otwarty może prowadzić do samokomplikacji systemu. Istnieje pewien poziom złożoności, poniżej którego system nie może odtworzyć własnego rodzaju.
Żywe organizmy w pewnym sensie opierają się wzrostowi entropii i chaosu we Wszechświecie, tworząc coraz bardziej złożone struktury i gromadząc informacje. Ten proces jest przeciwieństwem procesu starzenia. Taka walka z entropią jest najwyraźniej możliwa dzięki istnieniu ponadczasowego programu genetycznego, który jest wielokrotnie przepisywany i przekazywany kolejnym pokoleniom. Żywy organizm można porównać do książki, która jest ciągle przedrukowywana. Papier, na którym jest napisana książka, może się zużyć i zepsuć, ale jego zawartość jest wieczna.
Nieśmiertelne bakterie
Kiedy rozmawialiśmy o tym, że wszystkie żywe istoty ulegają starzeniu, popełniliśmy błąd: są sytuacje, których ta zasada nie ma zastosowania. Na przykład, co się dzieje, gdy żywa komórka lub bakteria podczas rozmnażania podzieli się na pół? Daje początek dwóm innym komórkom, które z kolei ponownie się dzielą i tak dalej w nieskończoność. Cela, z której zrodziła się cała reszta, nie zdążyła się zestarzeć; w rzeczywistości pozostała nieśmiertelna. Kwestia starzenia się organizmów jednokomórkowych i nieustannie dzielących się komórek, takich jak komórki rozrodcze lub nowotworowe, pozostaje otwarta. A. Weisman pod koniec XIX wieku stworzył teorię, która postulowała nieśmiertelność bakterii i brak w nich starzenia. wielu uczonych zgadza się z tym dzisiaj, podczas gdy inni to kwestionują. Jest wystarczająco dużo dowodów na jedno i drugie.
A co z organizmami wielokomórkowymi? W końcu większość ich komórek nie może się ciągle dzielić, muszą wykonywać inne zadania - zapewnić ruch, odżywianie, regulację procesów wewnętrznych. Ta sprzeczność między potrzebą specjalizacji komórek a zachowaniem ich nieśmiertelności została rozwiązana przez naturę, dzieląc komórki na dwa typy. Komórki somatyczne wspomagają procesy życiowe w organizmie, a komórki rozrodcze dzielą się, zapewniając kontynuację rodzaju. Komórki somatyczne starzeją się i umierają, podczas gdy komórki rozrodcze są praktycznie wieczne. Istnienie ogromnych i złożonych organizmów wielokomórkowych zawierających biliony komórek somatycznych w istocie ma na celu zapewnienie nieśmiertelności komórek rozrodczych.
Jak przebiega starzenie się komórek somatycznych? Amerykański badacz L. Hayflick ustalił, że istnieją mechanizmy ograniczające liczbę podziałów: przeciętnie każda komórka somatyczna jest zdolna do nie więcej niż 50 podziałów, a następnie starzeje się i umiera. Stopniowe starzenie się całego organizmu spowodowane jest tym, że wszystkie jego komórki somatyczne wyczerpały przydzieloną im liczbę podziałów. Następnie komórki starzeją się, rozkładają i umierają.
Jeśli komórki somatyczne naruszają to prawo, dzielą się w sposób ciągły, wielokrotnie odtwarzając swoje nowe kopie. To nie prowadzi do niczego dobrego - w końcu tak pojawia się guz w ciele. Komórki stają się „nieśmiertelne”, ale ta wyimaginowana nieśmiertelność jest ostatecznie kupowana kosztem śmierci całego organizmu.
Od myszy do słonia
Problem starzenia się jest bezpośrednio związany z kwestią różnej długości życia różnych organizmów. Niemiecki fizjolog M. Rubner w 1908 roku jako pierwszy zwrócił uwagę naukowców na fakt, że duże ssaki żyją dłużej niż małe. Na przykład mysz żyje 3,5 roku, pies - 20 lat, koń - 46 lat, słoń - 70. Rubner wyjaśnił to różnymi wskaźnikami metabolizmu.
Całkowity wydatek energii u różnych ssaków podczas życia jest w przybliżeniu taki sam - 200 kcal na 1 gram masy. Według Rubnera każdy gatunek jest w stanie przetworzyć tylko określoną ilość energii - po jej wyczerpaniu umiera. Tempo metabolizmu i całkowite zużycie tlenu zależy od wielkości zwierzęcia i powierzchni ciała. Masa rośnie proporcjonalnie do liniowych wymiarów ciała w sześcianie i powierzchni w kwadracie. Słoń potrzebuje znacznie mniej energii do utrzymania temperatury ciała niż taka sama liczba wagowo myszy - całkowita powierzchnia ciała wszystkich tych myszy będzie znacznie większa niż słonia. Dlatego słoń „może sobie pozwolić” na znacznie niższe tempo metabolizmu niż mysz. Ten wysoki wydatek energetyczny myszy prowadzi do tego, że szybciej wyczerpuje ona przydzielone jej rezerwy energii,niż słonia, a jego żywotność jest znacznie krótsza.
Tak więc istnieje odwrotna zależność między tempem metabolizmu zwierzęcia a długością jego życia. Niska waga ciała i wysoki metabolizm skutkują krótką żywotnością. Ten wzór nazwano zasadą energii powierzchniowej Rubnera.
Pomimo przekonującej prostoty reguły odkrytej przez Rubnera, wielu naukowców się z nim nie zgadzało. Wątpili, czy reguła wyjaśnia przyczyny starzenia się wszystkich żywych organizmów - jest od niej wiele wyjątków. Na przykład dana osoba nie przestrzega tego prawa: jego całkowity wydatek energetyczny jest bardzo wysoki, a jego oczekiwana długość życia jest cztery razy dłuższa niż powinna być przy takiej wymianie. Jaki jest tego powód? Powód stał się jasny dopiero niedawno.
Z tlenem należy obchodzić się ostrożnie
Jest jeszcze jeden czynnik, który determinuje żywotność - jest to ciśnienie parcjalne tlenu. Stężenie tlenu w powietrzu wynosi 20,8 procent. Spadek lub wzrost tej liczby jest możliwy tylko w wąskich granicach, w przeciwnym razie żywe organizmy giną. Powszechnie wiadomo, że brak tlenu jest śmiertelny dla żywych. Ale niewielu zdaje sobie sprawę z niebezpieczeństwa jego nadmiaru. Czysty tlen zabija zwierzęta laboratoryjne w ciągu kilku dni, a przy ciśnieniu 2-5 atmosfer okres ten skraca się do godzin i minut. Więc ten gaz jest nie tylko niezbędny do życia, może być również straszną uniwersalną trucizną, która zabija wszystkie żywe istoty. Wielu naukowców uważa, że atmosfera ziemska we wczesnym okresie jej rozwoju nie zawierała tlenu i to właśnie ta okoliczność przyczyniła się do powstania życia na naszej planecie. Według przybliżonych szacunków ekspertów,Bogata w tlen atmosfera Ziemi powstała około 1,4 miliarda lat temu w wyniku żywotnej aktywności organizmów prymitywnych zdolnych do fotosyntezy. Pochłaniały energię słoneczną i dwutlenek węgla i wydzielały tlen. Ich istnienie stworzyło warunki do pojawienia się innych rodzajów organizmów żywych - tych, które zużywają tlen do oddychania. Jednak żywe istoty musiały zadbać o zneutralizowanie toksyczności tej substancji.zneutralizować toksyczność tej substancji.zneutralizować toksyczność tej substancji.
Sama cząsteczka tlenu i produkt jej całkowitej redukcji wodorem - wodą - nie są toksyczne. Jednak redukcja tlenu przebiega w taki sposób, że produkty uszkadzające komórki powstają na prawie wszystkich etapach tego procesu: rodnik anionowy ponadtlenkowy, nadtlenek wodoru i rodnik hydroksylowy. Nazywa się je reaktywnymi formami tlenu. Organizmy wykorzystujące tlen do oddychania, wykorzystujące enzymy i katalizatory białkowe, zapobiegają wytwarzaniu tych substancji lub zmniejszają ich szkodliwy wpływ na komórki.
Amerykańscy biochemicy J. McCord i I. Fridovich w 1969 roku odkryli, że główną rolę w tej ochronie odgrywa enzym dysmutaza ponadtlenkowa. Enzym ten przekształca rodniki anionu ponadtlenkowego w bardziej nieszkodliwy nadtlenek wodoru i tlen cząsteczkowy. Nadtlenek wodoru jest natychmiast niszczony przez inne enzymy - katalazę i peroksydazy.
Odkrycie mechanizmu neutralizacji reaktywnych form tlenu dostarczyło innym badaczom klucza do zrozumienia problemów radiobiologii, onkologii, immunologii i gerontologii. Angielski badacz D. Harman przedstawił tzw. Wolnorodnikową teorię starzenia. Zasugerował, że związane z wiekiem zmiany w komórkach wynikają z nagromadzenia uszkodzeń spowodowanych przez wolne rodniki - fragmenty cząsteczek, które mają niesparowany elektron, a zatem mają zwiększoną aktywność chemiczną. Takie wolne rodniki mogą tworzyć się w komórkach pod wpływem promieniowania, pewnych reakcji chemicznych i zmian temperatury. Ale głównym źródłem wolnych rodników w organizmie jest redukcja cząsteczki tlenu. Dlatego możemy powiedzieć, że starzenie się w ogóle jest konsekwencją destrukcyjnego, toksycznego działania tlenu na organizm,która stopniowo wzrasta wraz z wiekiem.
Biochemia starzenia
Kiedy stało się jasne, że dysmutaza ponadtlenkowa odgrywa rolę „enzymu przeciwstarzeniowego” w komórce, naukowcy zastanawiali się, czy aktywność tego enzymu jest kluczową przyczyną zmian związanych z wiekiem i różnic w długości życia? Spodziewano się, że wraz z wiekiem aktywność enzymu spada, a destrukcyjny wpływ tlenu wzrasta. Okazało się jednak, że aktywność dysmutazy ponadtlenkowej w większości przypadków zmienia się bardzo nieznacznie wraz z wiekiem.
Kumulacja zmian związanych z wiekiem w komórkach zależy od proporcji dwóch procesów: powstawania wolnych rodników i ich neutralizacji. „Fabryki” wolnych rodników to małe, wydłużone ciała wewnątrz komórki - mitochondria, ich stacje energetyczne. D. Harman nazwał te struktury zegarem molekularnym komórki: im szybciej zachodzi w nich produkcja rodników, tym szybciej obracają się wskazówki zegara i tym mniej czasu komórka musi żyć. U gatunków o krótkiej żywotności mitochondria działają bardzo aktywnie, powstaje więcej rodników, a uszkodzenia struktur komórkowych szybciej się kumulują, co prowadzi do ich przedwczesnego starzenia. Na przykład u muchy domowej mitochondria wytwarzają rodniki 24 razy intensywniej niż u krowy. Naukowcy przeprowadzili eksperyment:muchy domowe trzymano w atmosferze czystego tlenu (to znacznie przyspiesza starzenie) i obserwowano, co dzieje się z mitochondriami. System ochrony przed reaktywnymi formami tlenu działa dość niezawodnie, ale poszczególne rodniki, które nie miały czasu na interakcję z enzymami przeciwutleniającymi, nieustannie prześlizgują się przez niego. Przyczyną tego problemu jest najwyraźniej druga zasada termodynamiki, która wyklucza stuprocentową sprawność procesów energetycznych. Po utworzeniu się w komórce rodniki uszkadzają jej struktury wewnętrzne, a także błony samych mitochondriów, co zwiększa wyciek. W rezultacie pojawia się coraz więcej reaktywnych form tlenu, które stopniowo niszczą komórkę. Dzieje się to, co nazywamy starzeniem się. System ochrony przed reaktywnymi formami tlenu działa dość niezawodnie, ale poszczególne rodniki, które nie miały czasu na interakcję z enzymami przeciwutleniającymi, nieustannie prześlizgują się przez niego. Przyczyną tego problemu jest najwyraźniej druga zasada termodynamiki, która wyklucza stuprocentową sprawność procesów energetycznych. Po utworzeniu się w komórce rodniki uszkadzają jej struktury wewnętrzne, a także błony samych mitochondriów, co zwiększa wyciek. W rezultacie pojawia się coraz więcej reaktywnych form tlenu, które stopniowo niszczą komórkę. Dzieje się to, co nazywamy starzeniem się. System ochrony przed reaktywnymi formami tlenu działa dość niezawodnie, ale poszczególne rodniki, które nie miały czasu na interakcję z enzymami przeciwutleniającymi, nieustannie prześlizgują się przez niego. Przyczyną tego problemu jest najwyraźniej druga zasada termodynamiki, która wyklucza stuprocentową sprawność procesów energetycznych. Po utworzeniu się w komórce rodniki uszkadzają jej struktury wewnętrzne, a także błony samych mitochondriów, co zwiększa wyciek. W rezultacie pojawia się coraz więcej reaktywnych form tlenu, które stopniowo niszczą komórkę. Dzieje się to, co nazywamy starzeniem się.druga zasada termodynamiki, która wyklucza stuprocentową sprawność procesów energetycznych. Po utworzeniu się w komórce rodniki uszkadzają jej struktury wewnętrzne, a także błony samych mitochondriów, co zwiększa wyciek. W rezultacie pojawia się coraz więcej reaktywnych form tlenu, które stopniowo niszczą komórkę. Dzieje się to, co nazywamy starzeniem się.druga zasada termodynamiki, która wyklucza stuprocentową sprawność procesów energetycznych. Po utworzeniu się w komórce rodniki uszkadzają jej struktury wewnętrzne, a także błony samych mitochondriów, co zwiększa wyciek. W rezultacie pojawia się coraz więcej reaktywnych form tlenu, które stopniowo niszczą komórkę. Dzieje się to, co nazywamy starzeniem się.
Szybkość „dostarczania” rodników do komórki również wzrasta w różnych narządach ssaków w miarę starzenia się organizmu. Liczba wolnych rodników powstających w komórce najwyraźniej im większa, tym wyższy poziom zużycia tlenu, czy też intensywność metabolizmu. Amerykański gerontolog R. Cutler i jego współpracownicy wykazali, że o długości życia zwierząt i ludzi decyduje stosunek aktywności dysmutazy ponadtlenkowej do tempa metabolizmu. Stało się jasne, dlaczego u niektórych gatunków o wysokim poziomie wydatkowania energii, w tym ludzi, długość życia nie pasuje do reguły energetycznej powierzchni Rubnera. Wysoki poziom aktywności dysmutazy ponadtlenkowej chroni ludzi i zwierzęta o intensywnym metabolizmie przed przedwczesnym starzeniem.
Odpowiedzi na pytania
Nowa teoria starzenia umożliwiła znalezienie wyjaśnienia niektórych faktów, które są dobrze znane gerontologom, ale pozostały niezrozumiałe. Na przykład, dlaczego zwierzęta karmione niskokaloryczną, ale zbilansowaną dietą żyją dłużej niż te karmione dostatecznie? Odpowiedź była oczywista - ponieważ ograniczone odżywianie zmniejsza intensywność metabolizmu, a tym samym spowalnia akumulację uszkodzeń w komórkach. Wyraźna jest również zależność tempa starzenia się od temperatury otoczenia u zwierząt niezdolnych do regulacji temperatury ciała. Wysoka temperatura utrzymuje ich metabolizm na wysokim poziomie. Tak więc muszka owocowa Drosophila wykluwa się z larwy w temperaturze 10 stopni i rozwija się w dorosłego owada, starzeje się i umiera w ciągu 177 dni, aw temperaturze 20 stopni - w ciągu 15 dni. U dżdżownicy, gdy temperatura jej ciała wzrasta z 15 do 30 stopni, zużycie tlenu wzrasta 2,5 razy. W tym samym czasie aktywność dysmutazy ponadtlenkowej wzrasta o 28 procent, ale żywotność robaka jest nadal krótsza.
Dłuższa oczekiwana długość życia kobiet w porównaniu z mężczyznami (średnio o 10 lat) wiązała się z niższym tempem przemiany materii w pięknej połowie ludzkości. Zjawisko długowieczności na obszarach górskich można również dobrze wyjaśnić niższym tempem metabolizmu u ludzi żyjących w rozrzedzonym powietrzu: zawartość tlenu jest tam mniejsza niż na równinie.
Okazało się, że komórki w tym samym ludzkim ciele mają również inny okres czasu: im więcej dysmutazy ponadtlenkowej w komórkach, tym mniejszy stopień uszkodzenia komórki przez reaktywne formy tlenu, tym dłużej komórki żyją. Dlatego niektóre krwinki żyją na przykład kilka godzin, a inne kilka lat.
Można było również wyjaśnić ciekawe zjawisko, które naukowcy odkryli dawno temu: zmiany zachodzące w organizmie podczas naturalnego starzenia są podobne do efektu promieniowania jonizującego. Przyczyna stała się oczywista: w końcu pod wpływem promieniowania woda rozkłada się z utworzeniem reaktywnych form tlenu, które zaczynają uszkadzać komórki.
Wszystko to umożliwiło wypracowanie strategii poszukiwania środków przeciwstarzeniowych. Na przykład dzięki wprowadzeniu do ich diety silnych przeciwutleniaczy udało się zwiększyć żywotność zwierząt laboratoryjnych o półtora raza. Szczególnie skuteczne powinny być przeciwutleniacze, takie jak dysmutaza ponadtlenkowa, które są enzymami. Wprowadzenie dysmutazy ponadtlenkowej do organizmu zwierząt ochroniło je przed toksycznym działaniem tlenu i wydłużyło ich żywotność. Daje to nadzieję, że przeciwutleniacze mogą być wykorzystywane w walce ze starzeniem się człowieka. Być może po jakimś czasie osoby starsze przyjmą je tak samo jak witaminy, by poprawić swoje samopoczucie i spowolnić proces starzenia.
