Исчерпание программных ресурсов (лимитов) онтогенеза постепенно ведет к старению и смерти организма

Человеку, как и любому другому биологическому виду, живая природа “отмерила” свою определенную продолжительность жизни, называемую “видовой”, – 80 – 95 лет. Различные виды имеют характерную продолжительность жизни. Для насекомых продолжительность жизни это несколько часов или суток, для мышей и крыс – два-три года. Соловей живет 12 – 18 лет, собака до 20 лет. Дельфин, кошка, лев, карась до 30 лет Максимальный срок жизни обезьяны до 40 лет, лошади до 55 лет, филина до 68 лет. Индийский слон может прожить до 70 лет, лебедь до 80 – 100 лет, а черепаха до 150 – 200 лет. Все эти сроки устанавливались в ходе эволюции, посредством естественного отбора, в пределах, наиболее благоприятных для выживания каждого вида. Они наследственно закреплены и практически не могут быть изменены без воздействия на интимную биологию организма. И то, что генетически определенные видовые пределы жизни существуют, сегодня уже никого не удивляют. А поскольку видовой предел обозначен, то следовательно, в нем отражены какие-то внутренние причины и движущие силы развития, созревания, старения и смерти.

В настоящее время, не представляет большого секрета, что этими движущими причинами и силами являются наследственные информационные ресурсы, которыми обеспечивается каждый живой организм, каждая особь, даже каждая клетка при их сотворении. В процессе индивидуального развития (онтогенеза) осуществляется реализация информации генов в конкретные признаки и свойства организма путем дифференциации клеток, тканей, органов. Сущность дифференциации заключается в том, что зигота дает морфофизиологически разные клетки. Различия, возникающие при дифференцировке клеток и передающиеся следующим клеточным поколениям, называют эпигенетическими. Такое наследование объясняется изменениями регуляторных механизмов генома. Морфофизиологическое отличие генотипических равноценных клеток может быть обусловлено только тем, что у них оказываются активизированными разные комплексы генов. В каждой клетке в конкретный момент онтогенеза реализуется только определенная часть наследственной информации. Все это обеспечивается поэтапной реализацией общей программы развития организма (онтогенеза). С точки зрения генетики онтогенез есть процесс постепенной реализации генотипа по частям, от момента зарождения организма до самой его смерти. Блокировка или активация генов зависит от условий окружающей среды, на которую, в свою очередь, влияют внутренние и внешние условия организма. Следовательно в процессе онтогенеза эпигенетической регуляцией последовательно охватываются все этапы жизни организма, в том числе и старение.

Естественно, что движение, использование и последовательное претворение в жизнь наследственных ресурсов особи и реализация информации в процессах функционирования определяет главную сущность онтогенеза на всех его стадиях, а исчерпывание этих информационных ресурсов, по мнению автора статьи, постепенно ведет к старению и смерти. Заметим, что ресурс наследственной информации (ДНК) всегда реализуется постепенно и небольшими частями. Вследствие чего, детство и юность неизбежно сменяются зрелостью, вслед за зрелостью приходит старость. Старость и смерть… Но почему организмы растут, созревают, стареют? Это один из фундаментальных вопросов биологии развития и непосредственно с ней смыкающейся биологии старения.

Экспериментальные исследования механизмов старения насчитывают многие десятилетия. Вначале это были попытки понять закономерности увядания на уровне целого организма. Потом внимание исследователей переключилось на изучение изолированных клеточных систем. Изучение клеточных культур позволило установить ряд принципиально важных фактов. Исследователями был выявлен твердо установленный факт – индивидуальные клетки стареют. Их продолжительности жизни при культивировании, ограниченна. Однако здесь следует оговориться о том, что старение относится не столько к отдельной клетке, сколько к длительности жизни и старению всей происходящей от неё клеточной линии. Иными словами изучается старение клона, то есть целой линии клеток, возникающих в результате повторных митотических делений.

Этот факт был установлен американским исследователем Л. Хейфликом в 1961году. Было обнаружено, что клетки соединительной ткани (фибробласты) человеческого зародыша, выделенные из организма и помещенные в плоские стеклянные флаконы для культивирования, после примерно 50 пересевов теряют способность к нормальным делениям. Позже в той же лаборатории было показано, что фибробласты, взятые от взрослого человека, могут поделиться в культуре всего 20 раз. Так родилось представление о том, что в основе старения лежит истощение способности клеток к делению. В случае некоторых простейших, говоря о старении, также обычно имеют в виду характеристики клона, а не особей. Однако неясным остаются два важных вопроса: первый – связь между старением всего организма и второй – причины конечной продолжительности клеток.

Тенденция к обновлению и реализации информации осуществляется не только параллельным и последовательным способами, но и различными путями: 1) во-первых, параллельная экспрессия различных генов собственных нужд клетки осуществляет обеспечение тех или иных её функциональных процессов; 2) последовательное переключение регуляторных генов в процессе реализации программы развития клетки ведет к экспрессии тех генов (а значит и той наследственной информации), которые обеспечивают (обслуживают) прохождение клеточного цикла; 3) во время дифференцировки клеток (во время эпигенетической регуляции) происходит последовательная активация новых генов, а новая информация дает жизнь новым (дифференцированным) клеткам.

Таким образом, реализация информационных ресурсов организма идет в различных формах и направлениях, во-первых, – в зависимости от клеточных целей и нужд, и, во-вторых, – в зависимости от нужд развития целостного организма. Причем, приоритеты направлений экспрессии генов часто меняются, к примеру, во время дифференцировки клеток, большая часть генов, программы развития самой клетки, оказывается заблокированной, то есть подчиненной общей программе развития целостного организма.

Несмотря на то, что на клеточном уровне исследуемый материал гораздо доступнее, однако искать природу и механизмы старения здесь весьма проблематично. Жизнь многих клеток заканчивается не в результате гибели и разрушения, а вследствие их деления. Однако информационные механизмы функционального поведения живой клетки и движения её по ступеням развития здесь наглядно видны. Главное, в чем можно убедиться на примере клеток, так это в том, что каждая клетка имеет свою собственную программу развития, которой подчиняется весь её жизненный цикл, а, следовательно, и все её жизненные процессы. Данные, полученные при изучении ритма размножения клеток многоклеточного организма, их созревания и продолжительности жизни позволили разделить их на три основные большие группы.

1) Клетки из обновляющейся популяции, которые интенсивно размножаются. Во время деления непрерывно образуются более зрелые формы и, в конце концов, начинают преобладать полностью созревшие (тупиковые) функционирующие клетки. Таковы кроветворные клетки или, например, клетки кишечного эпителия. Тупиковые клетки к дальнейшему делению уже не способны. Продолжительность жизни таких активно функционирующих клеток часто бывает невелика. В частности, эпителий кишечных ворсинок быстро изнашивается, и гибнут эритроциты, осуществив свою функцию по переносу кислорода, а лейкоциты погибают в борьбе с инородными телами, вирусами и бактериями. Однако вся популяция не исчезает, так как всегда имеется резерв из покоящихся клеток, которые обеспечивают постоянное пополнение клеточной популяции. 2) Клетки поперечнополосатых мышц, сердечной мышцы и особенно нервные клетки, называемые статичными, которые практически не обновляются. У зародышей деление этих клеток идет интенсивно, однако вскоре после рождения прекращается. Складывается такая ситуация, при которой возраст некоторых типов клеток соответствует возрасту организма в целом. Так, например, в специальной литературе приводятся данные, указывающие на то, что у человека этот возраст может достигать 100 лет, а у гигантской черепахи – 150. Следует, однако, заметить, что жизнь статических клеток иногда продолжается особенно долго благодаря не клеточному, а молекулярному обновлению (а это означает, что молекулярное (информационное) самообновление в течение жизни не прекращается). 3) Переходной группой между двумя упомянутыми выше является группа экспансивно растущих клеток, например печеночных. Они продолжают довольно хорошо размножаться у подростков, а у взрослых эти клетки размножаются редко, и они постепенно пополняют ряды погибших клеток.