Zwycięstwo nad starzeniem się to od dawna marzenie człowieka. Jednak naukowcy, pomimo licznych badań, wciąż nie do końca rozumieją, dlaczego wraz z wiekiem funkcje organizmu są stopniowo zakłócane, a narządy zawodzą. „Lenta.ru” opowiada o nowej pracy, która wyjaśnia niemożliwość wiecznej młodości we współczesnej rzeczywistości.
Jedno z najważniejszych odkryć w biologii starzenia się człowieka nastąpiło ponad 50 lat temu. W 1961 r. Profesor anatomii na Uniwersytecie Kalifornijskim, Leonard Hayflick, odkrył, że komórki ludzkie obumierają po około 50 podziałach i gdy zbliżają się do tego punktu, wykazują oznaki starzenia. Zjawisko to wiąże się ze skracaniem telomerów - końców chromosomów, które chronią istotną część DNA przed uszkodzeniem. Kiedy telomery całkowicie znikną, komórka uruchamia mechanizm samozniszczenia.
Chociaż niektórzy aktywiści przeciwdziałający starzeniu się nadal uważają, że skracanie telomerów jest główną przyczyną powolnego upadku i późniejszej śmierci, naukowcy zaproponowali inne teorie. Na przykład stopniowe gromadzenie się mutacji w DNA, programowanie ewolucyjne lub wpływ wolnych rodników. Pomimo faktu, że od odkrycia granicy Hayflicka minęło prawie pół wieku, nadal nie ma pełnego zrozumienia, co dokładnie powoduje, że żywe organizmy się starzeją.
Gerontolog Brett Augsburger z Auburn University w Stanach Zjednoczonych opracował nowe podejście do wyjaśnienia przyczyn starzenia się. W swoim artykule, którego wstępny wydruk został opublikowany w repozytorium bioRxiv.org, zasugerował, że kluczem do rozwiązania problemu może być termodynamika nierównowagowa, która opisuje układy, które nie są w równowadze termodynamicznej. Według naukowca oczekiwana długość życia zależy od tempa niszczenia cząsteczek biologicznych i nieuchronnej utraty informacji. Staje się jasne, dlaczego zwycięstwo nad starzeniem się jest niemożliwe w najbliższej przyszłości: podstawowe prawa fizyczne sprawiają, że zużycie ciała jest nieuniknione.
Nowe podejście wyjaśnia niektóre z paradoksów, które pojawiają się w innych modelach starzenia się, a także ujawnia fundamentalne wady teorii jednorazowego suma, którą zaproponował w 1977 roku angielski biolog Thomas Kirkwood.
Teoria somy jednorazowego użytku zakłada, że organizm musi mieć pewną ilość energii, aby utrzymać metabolizm, rozmnażanie, regenerację i inne funkcje. Ponieważ ilość jedzenia jest zawsze ograniczona, musisz iść na kompromis. Ponieważ mechanizmy odpowiedzialne za regenerację nie otrzymują wystarczającej ilości energii, organizm zaczyna się starzeć. Niektórzy eksperci uważają, że ograniczającym zasobem jest czas, a nie energia. Z tego punktu widzenia dla każdego organizmu istnieje optymalny czas trwania ciąży, kiedy potomstwo będzie najbardziej żywotne. Jednak ogranicza to ilość czasu, jaki możesz poświęcić na wzrost i rozwój. Zatem na tempo rozwoju i okres ciąży wpływa dobór naturalny. Przyspieszenie ciąży ogranicza czasprzeznaczone do naprawy uszkodzeń komórkowych. To z kolei prowadzi do kumulacji wad i skrócenia oczekiwanej długości życia w porównaniu z organizmami o długim okresie ciąży.
Chromosomy z telomerami
Film promocyjny:
Zdjęcie: Program Genomu Człowieka Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych
Druga zasada termodynamiki zakłada, że każda forma energii ma tendencję do przechodzenia w stan mniej uporządkowany - innymi słowy, do rozpraszania się w przestrzeni. Każdy układ nierównowagowy, w tym organizmy żywe, będzie przekształcał energię w ten sposób, aż do osiągnięcia punktu równowagi - w tym przypadku stanu śmierci. Wiele stworzeń jest w stanie oprzeć się przejściu do stanu równowagi wystarczająco długo, aby się rozwijać i rozmnażać. W przypadku różnych gatunków czas ten trwa od kilku godzin do dziesięcioleci.
Granica Hayflicka, ograniczająca podział komórek somatycznych
W żywym organizmie, z dala od stanu równowagi termodynamicznej, energia swobodna jest skoncentrowana w wiązaniach chemicznych dużych biomolekuł. Umożliwia to przebieg różnych procesów, od rozwijania białek i rozplątywania DNA po hydrolizę, utlenianie i metylację. Auxburger stworzył model systemu, który wykazał, że biomolekuły muszą nieuchronnie ulegać degradacji, powodując rozpraszanie energii. Ponadto wszelkie procesy zachodzące w organizmie przyczyniają się do zbliżenia się do stanu równowagi, w tym do generowania impulsów elektrycznych.
Autor pracy doszedł do wniosku, że mechanizmy odbudowy cząsteczek nie gwarantują, że informacja zawarta w DNA zostanie zachowana w poszczególnych komórkach, dlatego nieuchronnie musi się ona zmniejszać. W rezultacie zmniejsza się również witalność organizmu. Jeśli weźmiemy pod uwagę, że komórki podlegają pewnego rodzaju selekcji naturalnej, to na skutek mutacji w DNA może dojść do sytuacji, w której pojedyncze komórki (dzielące się w wyniku mitozy) zyskują przewagę nad innymi komórkami, co niekoniecznie jest korzystne dla całej osoby. Usunięcie ich może opóźnić negatywne skutki, ale z czasem coraz więcej komórek będzie uszkodzonych. Dlatego, jeśli organizm żyje wystarczająco długo, nie tylko nieuchronnie się starzeje, ale wcześniej czy później zostaje dotknięty rakiem.
Nagie kretoszczury, podobnie jak wiele zwierząt, mają raka.
Zdjęcie: Roman Klementschitz / Wikipedia
Uważa się, że niektóre gatunki zwierząt, takie jak nagi kret (Heterocephalus glaber), nie mają raka. Jednak ta opinia jest błędna, ponieważ pojawienie się złośliwego guza wymaga czasu. Niedawno opublikowano artykuł, w którym naukowcy opisali pierwszy przypadek raka u H.glaber.
Poszukiwanie genów długowieczności jest bezużyteczne w tym sensie, że edycja ich metodami inżynierii genetycznej nie przedłuży znacząco życia tak złożonych organizmów, jak ludzie. Ponadto takie manipulacje mogą być szkodliwe, dlatego autor radzi odejść od podejścia, które koncentruje się na ustalaniu powiązań między genami a określonymi oznakami starzenia. W najlepszym przypadku geny reprezentują niekompletny zestaw czynników wpływających na długowieczność.
Jaki może być sposób na pokonanie starzenia? Bardzo złożone i przekraczające możliwości współczesnej biotechnologii. Ponieważ procesy starzenia są konsekwencją podstawowych praw, nadal nierealne jest wyeliminowanie przyczyn leżących u podstaw starzenia. Skutecznym podejściem w tym przypadku może być stworzenie bibliotek DNA, które przechowują informacje o nienaruszonych genach. Na ich podstawie można zsyntetyzować młode komórki macierzyste do przeszczepienia do starego organizmu. Według Auxburgera takie metody są bardziej efektywne niż dotychczasowe.
Alexander Enikeev
