Предел продолжительности жизни и старение

Теперь мы попытаемся понять глубже связь между пределом продолжительности жизни и старением. Для этого полезно вспомнить закономерность распада радиоактивных ядер.

Продолжительность жизни радиоактивных ядер, как мы знаем, тоже ограничена. Так, если в определенное время где-то было 1 г радия, то через 1627 лет его останется 0,5 г, еще через 1627 лет - 0,25 г и т. д. Это значит, что, хотя каждое ядро в принципе является нестабильным, эта нестабильность, вероятность распада каждого оставшегося ядра остаются неизменными. И хотя мы не знаем, какое ядро распадается в данный момент, а какое нет, известно: в случае достаточно большого числа радиоактивных ядер за определенный промежуток времени количество нераспавшихся ядер уменьшается в определенное число раз. Иначе говоря, скорость их распада является величиной постоянной.

Иное дело - скорость естественной гибели организмов. У взрослых организмов с возрастом эта скорость резко увеличивается. В этом ускорении есть определенная закономерность, в чем можно убедиться, познакомившись с рис. 2.

Рис. 2. Зависимость от возраста коэффициента смертности людей (кривая 1, построенная на основании данных о смертности мужчин в США, 1960) и лабораторных мышей (кривая 2). Обе кривые были представлены в первом издании настоящей книги, но на отдельных рисунках. Здесь они совмещены

Показатель смертности жителей многих стран удваивается примерно каждые восемь лет. Аналогичная закономерность верна и для многих животных, хотя скорость увеличения показателя со временем зависит не только от вида животных, но и от того, к какой линии они принадлежат. Например, у одной из линий мышей показатель смертности удваивается за три месяца. Таким образом, в организме со временем происходят процессы, увеличивающие вероятность его гибели.

Наиболее частые и очевидные внешние (макроскопические) признаки старения у человека наблюдаются обычно после 50 лет. Это морщинистость кожи, пигментация, поседение волос, появление складок на верхнем веке, западение глазных яблок, впалость щек, появление "старческой дуги" на роговице. Эти признаки сами по себе не являются причиной смерти - ведь уязвимость организма к наиболее распространенным и тяжелым заболеваниям - раку, атеросклерозу и т. д. не зависит от внешних признаков старения. Однако вероятность развитиях этих признаков, например поседение волос (рис. 3), тоже закономерно увеличивается с возрастом. И как было сказано когда-то, "ведь подновляя плоть, непрочный слой румян не отодвинет час грозящего распада" (Миколай Сэмп Шажиньский, ок. 1550-1584, "О непрочности любви к делам мира сего").

Рис. 3. Зависимость от возраста вероятности частичного (кривая 1) или полного (кривая 2) поседения людей. Кривые построены на основании данных обследования мужчин и женщин Австралии, приведенных в работе Е. В. Кеогха и Р. Дж. Волша (1965)

Но молекулярные изменения в клетках и межклеточном веществе (а это два основных компонента, из которых состоит организм) имеют существенное значение и в повышении уязвимости организма к заболеваниям, и в появлении с возрастом внешних признаков старения.

Все дело в том, в каких именно органах клетки и межклеточное вещество подвергаются этим изменениям. Если это происходит в коже, то наблюдается ее сморщивание, если в стенке сосуда, то это способствует развитию атеросклероза, если в головном мозге, то может нарушиться регуляция многих функций, в том числе развиться гипертоническая болезнь. Наша задача состоит в том, чтобы отыскать среди возрастных изменений те, которые неуклонно уменьшают жизнеспособность организма, приводят к развитию в нем различных заболеваний и, как говорилось выше, увеличивают вероятность гибели.

Изменения клеток головного мозга можно считать определяющими течение процесса старения всего организма, а значит - и продолжительность его жизни. И не только потому, что даже небольшое нарушение функций нервных центров весьма существенно сказывается на жизнедеятельности организма. Дело в том, что специализированные нервные клетки (нейроны) являются неделящимися клетками. Если гибель части клеток, например кожи или печени, может быть восполнена делением оставшихся, то гибель нейронов, как правило, невосполнима - почти сразу же после рождения человека или животного их нейроны теряют способность к делению. И еще до того, как закончится развитие организма, когда о старении его, казалось бы, не может идти и речи, содержание нейронов в головном мозге и других отделах нервной системы начинает уменьшаться.

В старении животных имеют значение нарушение функции и гибель также других клеток, о чем будет рассказано далее. Сейчас же зададимся вопросом, который имеет прямое отношение к проблеме биологических основ старения и долголетия человека: происходит ли гибель нейронов при старении человека?

Этот вопрос непрост, и специалисты долго расходились в мнениях на этот счет. Однако в последнее время все больше данных говорит о том, что по мере старения человека в его головном мозге количество нейронов уменьшается. Более того, было установлено, что этот процесс в одних отделах мозга начинается позже, в других - раньше. В коре мозга, например, он начинается уже с 30 лет.

Вот некоторые результаты исследований, полученные в 80-е годы. Дж. М. Андерсон и Б. М. Хуббард (Англия) обнаружили, что после 70 лет суммарный объем коры головного мозга, занимаемого ее нейронами, уменьшается в среднем на 1,4% в год. В основном этот эффект объясняется гибелью нейронов, но 25% этого эффекта определяется уменьшением объема отдельных нейронов. Эти же авторы установили уменьшение объема, занимаемого нейронами, примерно на 20% в некоторых отделах головного мозга людей, страдающих болезнью Альцгеймера (сенильным, или старческим, психозом). Отметим, что данные последних лет подтвердили потерю нейронов при старении человека и обезьян лишь в мозжечке и коре больших полушарий. Твердого доказательства снижения числа нейронов в стволовых отделах их головного мозга (за исключением одного из центров) не получено.

Общая же закономерность старения головного мозга человека и других млекопитающих состоит в снижении в нем активности ферментов, участвующих в метаболизме медиаторов, а также концентрации последних. Тем не менее в стареющем мозге сохраняется способность восстанавливать поврежденные связи между нейронами путем разрастания нервных отростков определенного типа.

Можно полагать, что эта способность зависит от характера питания. Так, в опытах на крысах показано, что в мозжечке старых животных (так же, как и молодых, в возрасте 11 месяцев, но получающих с пищей недостаточное количество витамина Е) значительно снижено число связей (синапсов) между нервными отростками.

Дэвиу Манн с соавторами из отдела патологии Манчестерского университета (Великобритания) при гистологическом исследовании нервных клеток срезов мозга трупов людей обнаружили, что у людей в возрасте 90 лет, не имевших неврологических и психических заболеваний, число нейронов в определенном отделе мозга на 30% меньше, чем в тех же отделах мозга у молодых людей. Содержание цитоплазматической РНК и объема ядер в оставшихся "старых" нервных клетках было уменьшено на 20%. При болезни Альцгеймера, поражающей пожилых и старых людей, количество нейронов в головном мозге снижалось еще больше - на 60%.

Неожиданные данные были недавно получены Кеннетом О. Деванеем и Хортоном А. Джонсоном (США) при исследовании количества нейронов и глиальных клеток на единицу веса в гиппокампе 25 людей в возрасте 20-87 лет. Оказалось, что плотность нейронов в этот период не только не уменьшается, но даже возрастает. Ранее же, при Исследовании только серого вещества, такого возрастания не обнаруживали.

Противоречие между этими данными можно объяснить тем, что теперь исследовали плотность клеток во всем гиппокампе, т. е. в белом и сером его веществе, а известно, что с возрастом объем гиппокампа уменьшается прежде всего за счет уменьшения количества белого вещества. Приведенные данные также свидетельствуют о том, что гибель нейронов головного мозга человека в различных отделах происходит с различной скоростью, причем эта скорость в случае нейронов гиппокампа относительно мала по сравнению, например, со скоростью гибели нейронов зрительного отдела коры головного мозга.

Как известно, от количества нейронов (но, разумеется, не только от этого) зависят устойчивость, надежность организма. А в старости функция нервных центров снижается, поэтому не только резкие изменения внешней среды (ее температуры и т. д.), но и колебания внутренних, физиологических параметров организма (например, концентрация в крови водородных ионов, давление крови, отклонение от равновесных значений концентрации в клетках кислорода и т. д.) становятся опасными.

Чтобы понять, как это может происходить, давайте посмотрим на организм как на кибернетическую систему, состоящую из 30 трилл. элементов (клеток), согласованное функционирование которых происходит благодаря регулирующему воздействию центральных элементов (нейронов) головного мозга. Разумеется, в регуляции функций принимают участие и эндокринная система, и элементы периферической нервной системы и т. д. Однако твердо установлено, что главными элементами в регуляции являются центры головного мозга, составляющие их нейроны. Поэтому "мозг - это та повозка, на которой едет все" (Уорд Холстэд). Но это очень хрупкая "повозка". Уязвимость человеческого организма, прежде всего его мозга, по отношению к внешним воздействиям и даже к внутренним изменениям давно поняли не только биологи или врачи, но и просто мыслители. Паскаль называл человека мыслящим тростником, подчеркивая его хрупкость. А Стефан Цвейг писал: "Наш мозг - этот созданный из нежнейшего вещества механизм, этот тончайший точный прибор нашего познания так хрупок, так сложен, что достаточно задетого сосудика, одного потревоженного нерва, переутомленной, клетки, малейшего изменения какой-нибудь молекулы, чтобы нарушить высшую всеобъемлющую гармонию человеческого ума". Правда и то, что природа нашла все же способы увеличения надежности функционирования и самого мозга. Хорошо известно, что одним из основных путей увеличения надежности кибернетической системы является достаточная избыточность элементов, выполняющих одну и ту же функцию. Причем избыточность регулирующих элементов может обеспечить не только долговечность функционирования системы, но и ее эффективность.

В организме, как и в технической системе, кроме функционально значимых (полезных) сигналов, осуществляющих прямые и обратные связи между центральными (регулирующими) и регулируемыми элементами, возникают и так называемые шумы, т. е. сигналы, не несущие информации. Следовательно, с уменьшением числа нейронов в головном мозге должно уменьшаться отношение амплитуды сигнала к амплитуде шума. Это действительно наблюдается при старении человека, причем не только в головном мозге, но и в других органах и тканях. Например, содержание различных метаболитов (веществ, образующихся в процессе нормальной жизнедеятельности) в крови людей пожилого и старческого возраста значительно менее постоянно, чем в крови молодых людей.

Но для организма, по-видимому, страшнее другое: уменьшение числа нейронов и снижение эффективности функционирования оставшихся клеток приводит к тому, что устойчивость организма к этим шумам уменьшается.

Ведь "постоянство внутренней среды организма - условие свободной и независимой жизни". Эти слова, написанные Клодом Берналом в 1878 году, и сегодня вспоминают физиологи старшего поколения, читавшие труды своего знаменитого французского коллеги.

Особенно большой устойчивостью отличаются температура тела, содержание (соотношение) жизненно важных элементов и физико-химические свойства крови (рН, осмотическое давление). Однако это постоянство все же не абсолютно: как любые другие процессы в природе, биохимические и физиологические процессы подвержены спонтанным изменениям (флуктуациям). На эти "фоновые" колебания наслаиваются изменения, индуцируемые непрерывными раздражениями, которым подвергается организм человека или которым его подвергает сам. человек (изменение температуры, влажности и атмосферного давления воздуха, прием горячей ванны или холодного душа, "солнечные ванны"). Даже состав крови - этой постоянной внутренней среды организма неизбежно подвержен кратковременным, а иногда даже затяжным колебаниям. Все это становится причиной изменений биохимических или физиологических процессов.

Но изменение ведущих физиологических функций центральной нервной системы, кровообращения, дыхания индуцируется, как правило, лишь на относительно короткое время. В организме "заложены" многие средства, с помощью которых эти изменения с той или иной скоростью устраняются. Это физиологические средства охраны постоянства внутренней среды. Существуют и молекулярные механизмы поддержания относительного динамического постоянства (гомеостаза) физиологических функций и обмена веществ.

Гибель нейронов и других клеток, участвующих в нейрогуморальной регуляции, не только снижает эффективность этой регуляции, но и делает организм, как правило, более чувствительным к эндогенным (спонтанным) флуктуациям и индуцируемым внешними воздействиями изменениям внутренней среды.

Колебания физико-химических и физиологических параметров, которые для молодого организма были бы совершенно безвредны, в старости могут быть причиной развития патологических процессов и смерти. Это схематически изображено на рис. 4.

Рис. 4. Схема, демонстрирующая уменьшение надежности организма, 'запаса прочности' его функций после завершения развития. Ломаная линия между верхней и нижней прямыми обозначает колебания различных свойств организма вследствие спонтанных изменений (флуктуации) или вследствие резкого изменения условий существования: недоедание или переедание, охлаждение или перегревание организма и т. д