Введение
Никто, никогда и нигде не сомневался, что проблема старения была и остается одной из наиболее актуальных в естествознании. Создание теоретических моделей изучаемого процесса - важнейший элемент познания, поэтому данному вопросу уделяется центральное внимание в любой современной области науки. Геронтология – пограничная область биологии и медицины, изучающая процесс старения. Она 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. Все так называемые теории старения, которых на настоящее время насчитывают более ста, 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 неверные 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 старые животные фактически отсутствуют в популяции и практически все животные умирают молодыми.
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.
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.
1. Основная часть
Старость или старение - неизбежный процесс, сущность которого сводится к появлению признаков усталости как отдельных органов и тканей, так и организма в целом. Старость – заключительный этап индивидуального развития организма в нашем мире. Началом её у человека условно считают возраст после 75 лет — это так называемая физиологическая старость. Но и при этом состоянии могут сохраняться умственные и физические силы, определенная работоспособность, общественная или социальная активность и интерес к окружающему миру. Процесс старения начинается в разных органах и тканях не одновременно и протекает с разной интенсивностью. Во многом интенсивность старения зависит от врожденных, генетически детерминированных свойств тканей.
Известны многие семьи, члены которых отличаются завидным долголетием, не проявляя признаков нарушения памяти, психики или физической активности до 80 — 90 и более лет. И наоборот, есть короткоживущие семьи, члены которых живут 35 — 55 лет.
Оказалось, что продолжительность жизни животных и человека напрямую зависит от врожденной активности фермента супероксиддисмутазы (СОД). К сожалению, активность этого фермента не поддаётся регулированию извне, поскольку генетически запрограммирована. Однако на долю СОД приходится только 70 % работы по обезвреживанию опасных кислородных радикалов.
Остальные 30 % приходятся на так называемые антиоксиданты, уровень содержания которых можно регулировать с помощью биологически активных препаратов. К ним относятся витамины Е, бета-каротин, микроэлементы цинк и селен и другие.
Добавляя эти компоненты в нашу пищу, мы можем контролировать активность 1/3 свободно-радикальных процессов, лимитирующих скорость старения нашего организма.
Очень важно понимание закономерностей старения. С современных позиций естествознания — это постепенное снижение приспособительных возможностей организма.
Нельзя точно диагностировать начало старения — оно начинается скрытно и затрагивает не все тело, а наиболее ранимый орган или систему.
И если вначале изменения, вызванные старением, практически не нарушают процесса приспособления организма к резко изменяющимся условиям жизни, то впоследствии, при более выраженных возрастных сдвигах, организм приспосабливается к таким испытаниям все труднее и труднее.
В первую очередь процесс старения отражается на сердечно-сосудистой и нервной системах. Отложение холестерина в сосудах в процессе старения приводит к постепенному угасанию полноценного кровоснабжения клеток различных органов и тканей питательными веществами и выводу отработанных метаболитов (шлаков) из клеток.
Работа органов нарушается. Печень хуже очищает кровь от водорастворимых токсинов, что приводит к обильному появлению пигментных старческих пятен на коже. Почки недостаточно эффективно фильтруют кровь, в результате чего в крови накапливается мочевая кислота, остаточный азот и другие промежуточные продукты обмена, повышенная концентрация которых начинает тормозить первичные обменные процессы и угнетать клеточное дыхание.
К накоплению шлаков в организме весьма чувствительна нервная система, которая потребляет больше всего энергии и нуждается в бесперебойном режиме поставки кислорода, глюкозы, кальция и других питательных веществ.
У старых людей, ввиду ухудшения активности нервных процессов, в той или иной степени снижаются инициативность, работоспособность, внимание, затрудняется способность переключаться с одного вида деятельности на другой, развивается эмоциональная нестойкость, нарушается сон.
Существенные сдвиги происходят в сфере психики. При старении отмечается ухудшение характера, появление депрессии, чувства одиночества и тревоги, преследуют мысли о никчемности и бессмысленности жизни, возникает страх перед будущим, часто люди становятся чрезвычайно скупыми или черствыми.
С возрастом меняются возможности защитных сил организма, падает активность иммунной системы, защищающей организм от инфекций, от раковых перерождений клеток, способствующей быстрому восстановлению поврежденных органов.
Если старение организма в настоящее время невозможно предотвратить, то время его появления и скорость охвата всего организма можно, в известных пределах, регулировать. Современные ученые задались целью - превратить старость не в мучительный, полный болезней и страданий, длительный 20-25 летний период, а в красивый отрезок нашего пути, полный жизненной мудрости, посвященный внукам и правнукам, семейным делам и пониманию глубин бытия.
Как происходит старение?
Внешняя сторона старения проявляется раньше, чем мы думаем.
Первый этап характеризуется изменениями характера человека. Окружающие начинают отмечать у него невнимательность, невозможность сосредоточиться, быструю утомляемость от монотонных действий, трудности с засыпанием, неожиданные эмоциональные спады и подъёмы, раздражительность, плаксивость и агрессивность, плохое настроение, депрессию, бессонницу, появление безотчетного страха, расстройства памяти.
Второй этап отражается уже на самой внешности человека. При этом изменяется структура кожи, волос, ногтей.
За счет уменьшения в клетках коллагена ухудшается эластичность кожи, появляется сухость и шелушение её, возникают морщины, пигментные пятна, раздражение. Кожа истончается, так как равновесие между новыми растущими клетками кожного эпителия и отмирающими старыми клетками нарушено в сторону замедления роста новых клеток и увеличения содержания отмирающих клеток кожи.
Подобный процесс происходит и в волосах. Из-за недостаточного поступления минералов и витаминов в организм волосы изменяют свою структуру, становятся ломкими, тонкими, тусклыми, меняют цвет — появляется седина. У мужчин часто отмечается облысение, у женщин — редкий рост волос, сечение волос.
Третий этап - старения связан с изменением фигуры. У многих людей появляется не характерная для них полнота, исчезает талия, увеличивается масса жировой ткани. И если бы оно сказывалось только на ухудшении фигуры. Ожирение даёт знак, что процесс старения набрал скорость.
При этом в организме происходит множество негативных изменений, нарушается деятельность абсолютно всех органов и систем, в том числе и в костной ткани, особенно в позвоночнике, который не может выдержать такого веса и начинает деформироваться.
С деформацией позвоночника нарушается правильная работа всего организма. Вот тогда-то и выступают на сцену все характерные болезни старости.
Но не думайте, что старость определяется паспортным возрастом, паспортные тридцать лет — всего лишь сигнал, что теперь необходимо на себя обратить особое внимание. Некоторые люди замечают признаки старения после двадцати пяти лет, а другие — после сорока пяти.
По мнению многих ученных основная причина старения (дегенерации организма) находится в глубине генетического материала клетки — ДНК. Суть этой теории состоит в том, что повреждения ДНК клеток, вызванные процессом окисления, с возрастом накапливаются. Это приводит к развитию дегенеративных болезней старения: рака, иммунных нарушений, сердечнососудистой патологии, дисфункции мозга и нервной системы, умственной деградации, приобретенного сахарного диабета, артрита.
2. Теоретические модели старения
Общая математическая модель старения Б. Гомперца
Первая осознанная четкая математическая модель старения была создана около 200 лет тому назад Б. Гомперцом (1825). Она до сих пор наиболее точно описывает смертность человека и, видимо, большинства других организмов. В основу ее было положено очень древнее представление о потере в течение жизни общей ЖИЗНЕСПОСОБНОСТИ организма - учение о "жизненной силе" ("энтелехии" Аристотеля), которая имеет тенденцию только растрачиваться со временем для любого родившегося организма.
Смертность, как количественную характеристику "неспособности противостоять разрушению", Гомперц рассматривал как величину, обратную жизнеспособности - способности противостоять всей совокупности разрушительных процессов. Он предположил, что во времени жизнеспособность снижается пропорционально ей самой в каждый момент, что для смертности соответствует экспоненциальному нарастанию с возрастом.
Гомперц отмечал сходство кривых изменения смертности и энтропии, а В.Перкс (1932) писал, что "неспособность противостоять разрушению имеет ту же природу, что и рассеяние энергии" (то есть, старение эквивалентно увеличению энтропии, которая служит мерой неупорядоченности любой системы). А.Комфорт в "Биологии старения" (1967) пишет о том, что "жизненность" на современном уровне понимания может быть сведена к достаточно конкретному, хотя и не вещественному субстрату - "в настоящее время представляется вполне вероятным, что информация, содержащаяся в клетках, и есть... "биологическая энергия".
Таким образом, содержательная интерпретация понятия "жизнеспособности" с самого начала сводилась и сводится в настоящее время не столько к вещественному наполнению ("энтелехия" древних), сколько к энергетическому и информационному содержанию.
До настоящего времени формула Гомперца. впоследствии модифицированая затем У. Мейкемом, остается наилучшей для описания смертности, связанной со старением, для самых различных видов, включая человека.
Для целей количественной геронтологии необходимо иметь возможность вычисления параметров уравнения Гомперца-Мейкема, что можно сделать методами нелинейной регрессии. Для вычисления "вручную" современные ученые Л.А. Гаврилов и Н.С. Гаврилова (1991) предлагают свой алгоритм, дающий вполне удовлетворительную точность. Полученная кривая изменения жизнеcпособности, однако, все же отличается от реальной в ее начальной и конечной части и отражает изменение уже сформировавшегося организма, прекратившего процессы роста и развития.
Регуляторная модель старения
Центральным для жизни как таковой является процесс постоянного самообновления всех составных частей организма, что, по существу, тождественно определению жизни как таковой. Вполне логично представить, что уровень самообновления определяет и уровень жизнеспособности. Однако, высокие скорости процессов самообновления для уровня биохимических процессов (мкСек) и даже для клеточных процессов (часы) однозначно указывают, что на этих уровнях самообновление должно стремиться, что на самом деле и имеет место, к стабилизации в каждый момент времени. Действительно, с точки зрения современных теорий самоорганизации и кибернетики биохимические процессы и клеточное самообновление - это саморегулирующиеся и самостабилизирующиеся системы. Для них нет никаких процессов, которые способны были бы во времени постоянно и однонаправленно изменять состояние всего организма в одном направлении - процессов развития и старения.
Для осуществления долговременных процессов развития организм использует специальные уже чисто регуляторные, механизмы, функционирующие на уровне целостного организма. В ряде случаев осуществление таких регуляторных программ может приводить к снижению самообновления, а, значит, и жизнеспособностии - к старению (Давыдовский, 1966, Донцов, Крутько, Подколзин, 1997, Подколзин, Донцов, 1997, Фролькис, 1975).
Рассмотрим следующую простую схему. Пусть уровень самообновления (например, уровень клеточного самообновления путем деления клеток в популяции, ограниченной и стабилизированной кейлонными и иными обратными связями) будет пропорционален некоторому веществу "С". Это можно обеспечить, например, за счет растормаживания вырабатывающих это вещество регуляторных "s" клеток. Реально такие процессы широко известны, например, для нейрогормональной регуляции и осуществляются за счет спонтанной высокой гибели клеток-ингибиторов "i" в регуляторных центрах вегетативного мозга (гипоталамуса).
Таким