УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2010, том 130, № 1, с. 3-19
УДК 612.017.1 + 612.014.1-064
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СТАРЕНИЯ: НОВАЯ ИММУНО-РЕГУЛЯТОРНАЯ ТЕОРИЯ СТАРЕНИЯ
© 2010 г. В. И. Донцов1, В. Н. Крутько2
1Московский государственный медико-стоматологический университет, Научно-исследовательский медико-стоматологический институт 2Институт системного анализа РАН, Москва
Установлено, что глобальная причина старения отвечает закону нарастания энтропии в отдельных не полностью открытых системах и проявляется в живом организме в виде совокупности основных механизмов старения: системное "загрязнение" организма, потеря не обновляемых элементов, накопление повреждений и деформаций, неблагоприятные изменения процессов регуляции. С помощью исследования моделей показано, что только один из них, регуляторный, описывает наблюдающуюся у млекопитающих форму динамики моделируемых показателей на всем возрастном диапазоне. Исходя из теоретического рассмотрения, математических моделей и известных биологических фактов, сделан вывод, что регуляция клеточного роста и деления в целостном организме, представляет собой центральный механизм роста, развития и старения организма. Морфологическим субстратом главного механизма старения могут являться регуляторные центры гипоталамуса. Установлено, что случайная по своей природе скорость гибели стимулирующих клеточных популяций в регуляторных центрах может определять темпы старения путем истощения регуля-торных стимулирующих факторов для самообновляющихся митозами тканей. Отмечено, что повышение устойчивости таких нервных регуляторных клеток к гибели и влияние на всю физиологическую цепочку осуществления таких эффектов на периферии представляет собой основное направление противодействия старению.
ОСОБЕННОСТИ И ЗНАЧИМОСТЬ СУЩНОСТНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СТАРЕНИЯ
Несмотря на длительную историю изучения старения, до настоящего времени остаются не полностью осознанными сущность и главная причина старения как всеобщего явления в природе. Представляется достаточно ясным, что единая, общая, естественная теория старения должна вытекать из общих принципов появления, существования и развития природы вообще и живых существ в частности [1, 6, 11-17, 26, 30].
Создание теоретических моделей изучаемого процесса - важнейший элемент познания, поэтому данному вопросу уделяется центральное внимание в любой современной области науки. Геронтология в этом отношении переживает кризис, связанный с тем, что старые принципы создания концептуальных моделей старения, сводившиеся по существу к абсолютизации отдельных наблюдаемых явлений и частных механизмов старения, потерпели крах. Большинство так называемых теорий старения, которых на настоящее время
насчитывают более двухсот, оказались несостоятельными и во многом представляют только исторический интерес. С другой стороны, ряд чисто математических подходов к моделированию старения не встречают интереса и признания среди биологов, так как даже при самом поверхностном изучении видны биологически не обоснованные и фактически не верные изначальные предпосылки. Так, например, модные экологические и эволюционные математические теории старения, основанные на представлении о "целесообразности старения" как механизма ускоренного обновления вида, игнорируют очевидный факт высокой естественной смертности в дикой природе, когда практически все животные умирают молодыми, старые животные фактически отсутствуют в популяции и не могут быть предметом естественного отбора.
В то же время существует настоятельная необходимость в четком общем взгляде на явление старения в целом и в моделях, позволяющих количественно и содержательно интерпретировать старение организмов. При этом можно видеть, что многие элементы таких моделей уже существуют в различных областях биологии.
Таким образом, в настоящее время важнейшим представляется достаточно подробная разработка сущностных моделей старения, отражающих само существо этого общего для всего живого явления и являющихся биологически обоснованными и биологически содержательными. Сущностные модели должны отвечать следующим требованиям [11-17]:
- иметь четкое представление о биологическом содержании каждого моделируемого элемента;
- содержать четкое представление о биологической значимости получаемых при моделировании результатов;
- иметь четкое представление о значении модели как части более общего процесса или системы;
- иметь четкое понимание о наиболее значимых процессах, принципиально влияющих на моделируемый процесс;
- иметь доказательство того, что моделируемый процесс реально существует в природе.
СУЩНОСТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕРМИНА СТАРЕНИЯ
Методология рассмотрения общих вопросов была известна еще в глубокой древности и четко определена в настоящее время. Ведущий философ-методолог А.Ф. Лосев прямо говорит, что "...сущность (чего-либо) трактуется как принцип структуры..." [19]. Таким образом, ясно, что сущность или причина старения может быть выражена только на языке абстракции высокого уровня как объективная закономерность жизни, бытия, как принцип, но вовсе не как процесс, тем более не как конкретный специальный механизм в организме. Сведение принципов к механизмам -главная методологическая ошибка, в том числе в геронтологии, связанная с современной узкой специализацией ученых, что прямо отражается и на их типе мышления. Исходя из выше сказанного достаточно ясно, что при определении термина, сущности и причины старения необходимым и достаточным оказывается определение принципа старения как явления.
Сущностное определение глобального явления старения было известно с глубокой древности - как "снижение жизненной силы с возрастом"; современное общее определение старения как "снижение общей жизнеспособности с возрастом" фактически никак от него не отличается. Этого определения оказывается необходимо и достаточно для количественного описания старения и выяснения причины и главных механизмов
процесса старения организмов, органов и систем. В наиболее общем виде жизнеспособность - это поддержание структуры и функции - т.е. сохранение идентичности (информации) сложной системы (организма) во времени. Самопроизвольное направление изменения информации со временем тесно связано в глобальном смысле с наиболее общим законом Бытия - законом нарастания энтропии, где энтропия и информация связаны между собой следующей формулой:
Е = A 1п W + B, (1)
где Е - энтропия, W - вероятность события, А и В - коэффициенты.
То есть "естественная" вероятность направления (био)химических (и любых!) событий во времени ведет к достижению хаоса как наиболее вероятного события (уже не изменяемого), что известно как 2-й закон термодинамики. Механизм такого пути (глобальный механизм действия энтропии) - случайные процессы. Известно, что противостоять хаосу можно лишь внешним потоком энергии. Этот поток энергии - метаболизм, составляет глубинную основу жизни как биологической формы существования материи. Связь старения с энтропией - случайными процессами, можно вывести также и формально - из феноменологических формул, предложенных для описания старения, прежде всего формулы Гомперца.
ОСНОВНАЯ ФОРМУЛА ОПИСАНИЯ СТАРЕНИЯ
В качестве первых результатов, полученных в области количественной геронтологии, следует упомянуть таблицы продолжительности жизни (ПЖ) жителей Лондона, построенные в 1662 г. Д. Граунтом. Основываясь на этих данных, выдающийся голландский физик Х. Гюйгенс в середине 17-го века рассчитал впервые среднюю продолжительность жизни (СПЖ) и предложил использовать такие таблицы для расчета вероятности дожития до определенного возраста. Наиболее надежные данные для подобных таблиц впервые получил немецкий математик В. Лейбниц. На основе этих данных английский астроном Э. Галлей построил первые надежные таблицы ПЖ. Метод Галлея был дополнен швейцарским математиком Л. Эйлером ("Общие исследования о смертности и размножении рода человеческого"). Великий французский ученый П. Лаплас развил вероятностную интерпретацию таблиц ПЖ, а его ученик - астроном, математик и статистик А. Кетле в своей "Антропологии" распространил эти методы и на оценку ПЖ животных.
Первая математическая модель старения была создана около 200 лет тому назад Гомперцом [27]. Она до сих пор наиболее точно описывает возрастную динамику смертности человека и, видимо, большинства других организмов. Являясь специалистом по страхованию жизни, Гомперц теоретически вывел практически необходимую для его профессии формулу повышения интенсивности смертности с возрастом, которая до настоящего времени является наиболее общим количественным описанием старения как такового.
Смертность, как "количественную характеристику неспособности противостоять разрушению", Гомперц рассматривал как величину, обратную жизнеспособности - способности противостоять всей совокупности разрушительных процессов. Он предположил, что жизнеспособность во времени снижается пропорционально ей самой в каждый момент, что для смертности соответствует экспоненциальному нарастанию с возрастом
аяаг = -кх, (2)
где к - коэффициент, Х - жизнеспособность, t -время.
Такое неспецифическое повышение уязвимости организма ко всем воздействиям с возрастом и носит название старения как такового.
Сам подход к написанию формулы в настоящее время теоретически понятен: это элементарное дифференциальное уравнение, описывающее, например, радиоактивный распад в физике и иные простые вероятностные процессы. Сущность явления заключается в том, что в каждый момент времени изменение состояния не зависит от предыстории, а только от настоящего состояния системы. Понятны и общие механизмы таких процессов - это принципиально вероятностные закономерности, связанные с конечной устойчивостью любых отграниченных от внешней среды элементов; тогда сложный организм, состоящий из таких элементарных единиц, может со временем их только утрачивать. Главным вопросом является в таком случае природа таких "элементарных единиц жизни".
Еще Гомперц отмечал сходство кривых изменения смертности и энтропии, а Перкс (1932) прямо писал [31], что "неспособность противостоять разрушени
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.