Чернилевский В. Е.
“Геронтология и гериатрия”, Альманах, Вып.1. М. :НИИ геронтологии МЗ РФ. 2001. С.21-24.
Рассмотрение старения и самообновления с общебиологических позиций позволяет изучать общие закономности этих процессов в природе. Эти закономерности сводятся к следующему. Происхождение старения в эволюции связано с появлением эукариотов, полового процесса и жизненных циклов (ЖЦ). Старение универсально для ЖЦ эукариотов; в ЖЦ старение проявляется у половых особей. Репродуктивные (тотипотентные) клетки дают начало половым и стволовым клеткам (СК); другие соматические клетки вступают на путь дифференцировки, заканчивают деления в терминальной фазе для выполнения своих функций и затем гибнут. СК обеспечивают полное самообновление организма до полового созревания (ПС), необходимого для созревания половых клеток; старение начинается с момента ПС и связано с переключением СК на репродуктивную функцию организма; далее вступают в действие механизмы старения, различные у разных систематических групп.
Изложенный подход позволяет указать способы радикального продления жизни организмов, воздействуя на причины старения. Способы основаны на задержке развития, бесполого размножения и ПС с помощью: понижения температуры тела, голодания, изменения в среде концентрации О2 и СО2, удаления гонад и половых продуктов, воздействия на отделы головного мозга, ответственные за ПС.
Ключевые слова: общебиологический подход, старение, радикальное продление жизни
К настоящему времени предложены всевозможные идеи и гипотезы старения. Обычно выдвигается постулат и приводятся доказательства связи его с причиной старения. Однако при воздействии на эти причины не удается существенно замедлить старение. Выдвигается новая гипотеза и т.д. Выход состоит в применении научной методологии к выбору самого подхода к изучению природы старения. Ясно, что старение – проявление живого, снижение жизнеспособности. Поэтому старение следует выводить из определения жизнь. Согласно теоретической биологии, определения сущности жизни нет, оно может быть получено переводом философской формулы (Ф.Энгельса, 1878) на биологический язык [4]. Согласно этому определению, жизнь есть способ существования белковых тел, который по существу состоит в их самообновлении и осуществляется через такой обмен, когда они ими же создаются и разрушаются; управлять жизненными процессами (самообновлением и старением) необходимо через обмен веществ. Белковые тела в современном смысле – это система носителей жизни, состоящая из 4-х уровней организации: молекулярно -генетический, онтогенетический, видовой и биоценотический. Центральным звеном жизни являются организмы, способные к самообновлению. Они объединяют в себе 4 уровня, которые обеспечивают бессмертие жизни на Земле.
Задача состоит в изучении причин старения и самообновления в природе или с чем эти причины связаны. Для изучения этих явлений мы применяем общебиологический подход: нахождение наиболее общей закономерности явления путем обобщения и анализа фактов и отсечения избыточной информации; затем, сравнением наличия или отсутствия этой закономерности у разных организмов выясняется различие, причина, старения или нестарения, или с чем она связана; далее анализируются возможности воздействия на причину. Критерием замедления старения является увеличение максимальной продолжительности жизни (ПЖ). Этот подход не требует никаких гипотез, используются данные сравнительной геронтологии, общей биологии и биологии старения организмов всех систематических групп. Для упрощения задачи не учитываются: факторы, влияющие на темп старения; механизмы старения, которые отличаются у разных видов; смертность от внешних причин; заболевания и отклонения в развитии.
Происхождение старения в эволюции
Старение одноклеточных проявляется на уровне клона. После определенного числа агамных делений они дифференцируются на гаметоциты. В период образования половых особей (гамонтов) в среде появляются т.н. ”половые вещества” – пептиды с мМ 11-12кДа [13], наступает ПС клона и темп деления клеток замедляется, происходят изменения в ядерном аппарате, жизнеспособность их угнетается, клон стареет и вырождается. Показано, что у разных видов инфузорий между периодом ПС и ПЖ клона наблюдается линейная зависимость[16].
Среди колоний наиболее изучены вольвоксовые. Низшие из них Gonium, Pandorina, Eudarina имеют 4,8,16 клеток, которые сначала делятся и образуют бесполые колонии, затем происходит ПС колоний, все клетки становятся гаметами и колониальный организм распадается [3], хотя старения клеток здесь нет. У 32-клеточных Eudorina и Pleudorina наблюдается дифференцировка на 4 соматических и 28 репродуктивных клеток. Последние образуют сначала бесполые, а затем половые колонии, в которых в результате половой дифференцировки из репродуктивных клеток образуются гаметы, они увеличиваются в размерах за счет соматических клеток, которые теряют жизнеспособность и гибнут, колония распадается. Здесь впервые наблюдается старение соматических клеток. Обычно колонии с 32 и более клетками устойчивы и у них впервые образуется передне-задняя ось, как у многоклеточных. Репродуктивные клетки находятся в задней части. Предполагается, что у многих вольвоксов репродуктивные клетки обособляются от соматических вследствие наличия т.н. зародышевой плазмы (см. ниже) в задней части колонии [15]. Volvox carteri имеет 2000 мелких соматических клеток и 16 крупных репродуктивных. Дифференцировка на эти типы клеток происходит на стадии 16-32 клеток. Установлено, что эти типы клеток синтезируют различные виды полипептидов [12]. В период половой дифференцировки колонии возникают изменения в синтезе этих пептидов, репродуктивные клетки делятся очередной раз и превращаются в 32 гаметы, а соматические клетки дегенерируют, в них снижается число рибосом и клеточное дыхание, появляются липидные тела, происходит сдвиг метаболических путей и колония распадается. Установлено, что половая дифференцировка у вольвоксов происходит под влиянием гликопротеидов с Мм 25-30кДа [14].
Анализ биологии многоклеточных организмов показывает, что старение у них наблюдается в ЖЦ у половых поколений после ПС. По скорости старения все виды можно разделить на 2 группы: с однократным и многократным половым размножением. Организмы с однократным размножением после ПС и размножения быстро стареют и умирают. Это наблюдается у многих видов почти всех систематических групп: гидр (тип кишечнополостные), обелии (гидрозои), червей (в классах волосатиков, коловраток, нематод, полихет, олигохет), однолетних моллюсков, мшанок (тип щупальцевые), боченочников (хордовые), ракообразных, многоножек, паукообразных, насекомых, рыб (лососи, угри, гольяны и др.) и млекопитающих (сумчатые мыши). Быстрое старение организмов происходит после ПС в период размножения и находится под контролем головного мозга и нейрогормонов (по данным общей эндокринологии). Старение монокарпических растений наступает сразу после цветения и плодоношения.
Старение организмов с многократным половым размножением, как правило, зависит от длительности ПС. Проведенный нами анализ данных по ПЖ и периоду ПС у 200 видов из 14 отрядов млекопитающих, у некоторых членистоногих и рыб показал, что между этими параметрами имеется линейная зависимость. Обработка многочисленных таблиц и кривых смертности людей, лошадей, овец, крыс, мышей, рыб, дрозофил и коловраток указывает на то, что минимум смертности у этих видов наблюдается в возрасте ПС, затем происходит старение.
Причины старения организма
Период ПС начинается с отделения половых клеток от соматических и дальнейшее развитие сомы происходит независимо от наличия или отсутствия половых клеток. В процессе морфогенеза соматические клетки дифференцируются и гибнут, однако старения организма до ПС не наблюдается. Следовательно старение организма связано с особенностью сомы не стареть до ПС и стареть после ПС. Важно определить первичные факторы, вызывающие эту особенность. В последние годы получили подтверждение идеи Т.Моргана (1937) об ооплазматической сегрегации - наличии в разных зонах цитоплазмы яйца и зиготы специфических морфогенов или факторов, которые при делении зиготы попадают в разные бластомеры и детерминируют развитие различных типов СК. В частности, у всех изученных видов было доказано наличие в цитоплазме яйца и зиготы т.н. зародышевой плазмы (ЗП) – совокупности цитоплазматических факторов, определяющих обособление и развитие половых клеток [1]. Природа этих факторов изучается. Имеются данные о времени обособления первичных половых клеток (ППК) от соматических у всех типов многоклеточных. У организмов с половым размножением, например у млекопитающих, это обособление происходит в эмбриональном периоде [1]. При делении зиготы одно ядро попадает в зону ЗП. Бластомеры с таким ядром являются тотипотентными стволовыми клетками (СК). ППК образуются на стадии гаструлы при делении этих клеток и содержат ЗП. Другие СК лишаются ЗП, однако в них присутствуют факторы, детерминирующие их развитие в определенный тип СК и способность к неограниченной пролиферации. Потомки этих СК вступают на путь соматической дифференцировки и в процессе морфогенеза гибнут (как и при старении), однако организм до ПС не стареет, а самообновляется за счет СК и его жизнеспособность повышается. Снижение самообновления (начало старения) после ПС можно объяснить тем, что СК начинают активно участвовать в репродуктивной функции организма, снижая функции обновления других тканей. Особеннно это выражено у всех организмов с однократным половым размножением. В ЖЦ с чередованием поколений у бесполых животных полное обновление (нестарение) осуществляется за счет полипотентных СК. При переходе взрослых бесполых особей в половое (последнее) поколение из части СК, содержащих ЗП, образуются ППК, другие СК активно участвуют в ПС организма и гаметогенезе, а роль их в обновлении других тканей снижается [1,9]. При этом, у губок обнаружены деструктивные процессы в зоне гаметогенеза с разрушением соматических клеток. В определенных условиях у некоторых животных (гидр, олигохет, полихет) возможен обратный переход от полового (стареющего) организма к бесполому [2,9]. При этом состояние ПС подавляется, гаметы лизируются, а СК полностью обновляют организм. В этих условиях можно продлевать жизнь организма неограниченно долго [2,5]. Причина снижения самообновления связана с изменением функции СК после ПС. За последние 30 лет получено много данных о наличии в тканях млекопитающих и человека несколько сот типов СК. За счет СК значительно обновляются многие ткани: эпителиальная система, желудочно-кишечный тракт, печень, почки и др. В настоящее время исследуются механизмы ”пробуждения” СК к пролиферации. Установлено, что клоны СК могут увеличиваться, уменьшаться, исчезать, переходить в резерв и вновь появляться после периода покоя. Таким образом, небольшое число (5-20) самоподдерживающихся СК могут обеспечить обновление всего клона клеток. Интенсивно изучаются молекулярно-генетические механизмы самоподдержания и дифференцировки СК, а также гуморальные факторы регуляции микроокружения и деления СК. Нами изучается роль упаковки клеток в процессах морфогенеза, самообновления и старения. Модельные эксперименты показывают, что деление СК можно активизировать уменьшением плотности упаковки окружающих их клеток. Во многих опытах на беспозвоночных было показано, что с помощью голодания, снижения температуры тела или повышения в среде концентрации СО2 удается снизить обмен веществ, задержать ПС и старение организма [2,5]. При этом происходит редукция тела, рассасывание старых тканей и разблокировка СК. При отмене воздействия организм обновляется за счет СК. Такое воздействие позволяет увеличить ПЖ животных в десятки раз [5]. У зимоспящих млекопитающих в состоянии гипобиоза также происходит редукция всех органов и тканей, в т.ч. скелета, резко снижается обмен веществ и процесс старения независимо от его причин и механизмов. Весной рост органов возобновляется за счет СК с признаками омоложения организма.
Выводы. Происхождение старения в эволюции связано с появлением эукариотов, полового процесса и ЖЦ-ов. Старение универсально для ЖЦ эукариотов. В ЖЦ старение проявляется у половых особей, а бесполые организмы не стареют. Разделение соматических и репродуктивных клеток происходит у организмов с числом клеток 32 и более. Репродуктивные клетки, содержащие ЗП, дают начало половым клеткам. СК получают от зиготы факторы, детерминирующие их развитие в определенный тип СК. Другие соматические клетки вступают на путь дифференцировки и затем гибнут в процессе морфогенеза и старения. СК обеспечивают полное самообновление организма до ПС, необходимого для созревания половых клеток. Старение начинается с момента ПС. Снижение самообновления связано с переключением СК на репродуктивную функцию организма. Далее вступают в действие механизмы старения, различные у разных систематических групп (млекопитающие, насекомые, растения и т.д.). Жизнеспособность организма до окончания жизни определяется согласованной работой органов и систем и способностью их сохранятся за счет самообновления.
Пути продления жизни
Изложенный подход позволяет указать способы существенного продления жизни организмов, воздействуя на причины старения. Способы основаны на задержке развития, бесполого размножения и ПС с помощью: понижения температуры тела, голодания, изменения в среде концентрации О2 и СО2, удаления гонад и половых продуктов, воздействия на отделы головного мозга, ответственные за ПС. Во многих опытах на беспозвоночных эти способы позволили в десятки раз увеличить ПЖ одноклеточных, гидр, планарий, олигохет, полихет, насекомых и др.[2,5]. Установлено, что у Paramecium caudatum состояние незрелости молодых делящихся клеток контролируется цитоплазматическим пептидом с Мм 10 кДа, названным имматурин (незрелый) [11]. Способность к конъюгации начинается после 150 делений, далее их активность снижается и начинается старение. Микроинъекции имматурина от незрелых клеток (50-60 делений) в цитоплазму старых восстанавливало их способность вновь делиться и вступать в конъюгацию. У губок обнаружены пептидные факторы, ответственные за гаметогенез. На стадии ПС этот процесс и старение удавалось блокировать, восстановить бесполое состояние и самообновление. Гидры Hydra fusca и H.pirardi при температуре 190С неограниченно долго почкуются (наблюдение 14 лет), а при 80С все полипы вступают на путь гаметогенеза, происходит их быстрое старение и гибель [2]. Если стареющих гидр вновь перенести в среду с 190, то гаметогенез немедленно прекращается, начинается гистолиз гамет и возобновляется почкование. В опытах на планариях Dugesia tigrina, сдерживая бесполое размножение и ПС с помощью голодания, удавалось продлить им жизнь в 25 раз и более [5]. Жизнь лососей после кастрации продлевалась в 4 раза. Отрезание цветков и удаление плодовых тел у монокарпических растений в несколько (иногда в десятки) раз увеличивает их ПЖ. Показано, что удаление у сверчков прилежащих тел, вырабатывающих ювенильный гормон, ответственный за ПС, а также изменение половой дифференцировки у крыс кастрацией их в молодом возрасте, приводило к двукратному увеличению ПЖ животных [10]. Проведенный нами анализ известных способов продления жизни млекопитающих показал, что эффективными из них являются ограничение питания, снижение температуры тела и энтеросорбция. Однако более эффективный способ демонстрируют многие млекопитающие. Существенные различия наблюдаются у незимоспящих мелких грызунов (полевки, мыши и др.). Для популяций этих видов характерно чередование весенних и осенних поколений. Животные, родившиеся весной, имеют очень высокий уровень обмена, быстро растут и созревают и после размножения умирают с признаками старости в возрасте 4-6 мес. Поколения, родившиеся к осени, переживают зиму в активном состоянии, впадая в оцепенение во время многократных периодов сна в течение суток. Зимой у них замедляется рост тела и большинства органов, в гипобиозе снижается температура тела и обмен веществ и резко замедляется старение, а весной возобновляется рост органов (в том числе и тимуса), происходит самоактивация организма с признаками омоложения. Осенние бурозубки живут до 12 мес, то есть в 2-3 раза дольше, сохраняя молодость до 10-11 мес. Некоторые полевки могут пережить вторую зиму и прожить в 6 раз дольше весенних. Проведенный нами анализ состояния гипобиоза показал, что снижение температуры тела, голодание, энтеросорбция, повышенная концентрация СО2 в среде, сон, расслабление мускулатуры и антиоксиданты являются компонентами гипобиоза и действуют они как синергисты. В результате происходит резкое снижение обмена веществ и процесса старения. Нами проведены опыты по продлению жизни на животных, не впадающих в гипобиоз (мыши линии CD2 F1). Способ основан на периодическом создании искусственного гипобиоза с помощью фармакологических средств, газовых сред с повышенным содержанием СО2 и пониженным О2 и комбинации этих воздействий [7].
В настоящее время нами изучаются возможности применения гипобиоза для продления жизни человека [6].
ЛИТЕРАТУРА
1. Айзенштадт Т.Б. Цитология оогенеза. - М. : Наука, 1984. 248 с.
2. Вольф Э. Происхождение и развитие половых клеток в онтогенезе позвоночных и некоторых беспозвоночных. - Л. : Медицина. 1968. 350 с.
3. Горбунова Н.П. Альгология. - М. :Высш. шк., 1991. 256 с.
4. Заренков Н.А. Теоретическая биология. - М. :МГУ, 1988. 216 с.
5. Токин Б.П., Борисова Т.П. Формообразовательные процессы у голодающих планарий // Вестник ЛГУ, 1975, №21. С.24-28.
6. Чернилевский В.Е. Искусственный гипобиоз как способ продления жизни // Профилактика старения. 2001. Вып. 4. С.34-48.
7. Чернилевский В.Е. Особенности создания гипобиоза при продлении жизни гомойотермных животных и человека // Доклады МОИП. Общая биология :Изд-во МОИП. М., 1999. Деп. в ВИНИТИ, № 2338-В99. С.64-68.
8. Эйген М., Шустер П. Гиперцикл. - М. : Мир, 1982. 218 с.
9. Bell G. The masterpiece of nature. The evolution and genetic of sexuality. N.-Y. -1982. 635p.
10. Dorner G., Hinz G. Androgen dependent brain differentiation and life span // Endocri nol., 1975. V.65. P. 378-380.
11. Haga N., Karino S. Microinjection of immaturin rejuvenates sexual activity of old Paramecium // J. cell. sci. 1986. V.86. P. 263-271.
12. Hagen G., Kochert G. Protein synthesis in a new system for the study of senescence // Exp. cell. res. 1980. V.127, №2. P. 452-457.
13. Kitamura A. Mating-tipe substances // Paramecium. Ed. by Gortz H. - Berlin. 1988. P.85-96.
14. Kirk D.L. Heat shock elicits production of sexual inducer in Volvox // Science. 1986. V.231. P. 51-54.
15. Kochert G., Yates I. UV-labile morphogenetic substance in Volvox carteri //Develop. biol. -1970. V. 23. P. 128-135.
16. Smith-Sonneborn J. Genetic and aging in protozoa // Intern.review of cytology. 1981. V.2, № 3. P. 319-354.
Примечание автора. Многие работы автора по общебиологическому подходу к изучению старения, самообновления и продления жизни публикуются с 1980 по 2008 гг. Одна из них: Чернилевский В.Е. Общебиологический подход к изучению причины старения //Биологические проблемы старения и увеличения продолжительности жизни. М. :Наука. 1988. С.21-32.