III. Прекращение роста и старение у млекопитающих

Для млекопитающих, содержащихся в неволе при "оптимальных" условиях, можно установить видовые размеры и видовой возраст, которые широко варьируют у родственных видов и генетических рас одного и того же вида. Долгое время некоторые исследователи полагали, что механизм, определяющий видовые размеры у млекопитающих, управляет их развитием более активно и оказывает на их ткани более избирательное действие, чем механизм, вызывающий постепенное снижение роста у ряда рептилий и рыб. В соответствии с подобным взглядом затухающий характер кривой роста у этих животных (которая обычно является экспоненциальной, если рост выражают через вес тела) позволяет предполагать, что у них имеется гораздо более общий механизм ограничения размеров, влияющий на все ткани приблизительно одинаково и приводящий к фактическому ограничению размеров тела без больших изменений в физиологии животного. "У рыб и других холоднокровных позвоночных, как правило, рост идет асимптотически, а размеры тела не детерминированы, тогда как у теплокровных животных рост рано или поздно заканчивается. Однако характерная для животного форма тела в первом случае устанавливается раньше и менее подвержена изменениям (за исключением самых незначительных вариаций). У высших животных, в том числе и у человека, на протяжении всей жизни непрерывно происходит изменение и модификация формы" (Д'Арси Томпсон [1187]). Такая форма кривых роста и старения у млекопитающих, особенно у человека, часто интерпретировалась как доказательство наличия активного процесса с отрицательной обратной связью, который действует неравномерно и может вызвать относительно резкое прекращение роста на уровне, соответствующем видовым размерам, но который приводит в конце концов к "морфогенетическому" старению, зависящему в свою очередь от довольно ограниченного числа серьезных функциональных изменений.

Исходя из гипотетической зависимости между прекращением роста и старением, ряд исследователей в прошлом предпринимал попытки описать старческие изменения, основываясь на понятиях эндогенных "ингибиторов роста", рассматриваемых ими как вещества или как физико-химические состояния [53, 181, 1091]. Одна из таких ингибирующих систем была предложена Биддером [97] и упомянута выше (стр. 28). Природа факторов, определяющих размеры органов у млекопитающих, по сути дела, неизвестна. Некоторые из них, по-видимому, относятся к категории внеклеточных ингибиторов. В культурах водорослей, например диатомовых, рост может быть задержан в результате накопления продуктов обмена веществ [289]. Наиболее примитивный тип морфогенеза, такой, какой существует у гидроидов, зависит от возникновения у определенных зооидов способности задерживать развитие других [1142], хотя при этом заторможенные клетки сохраняют способность к росту. Известно также, что некоторые клетки "старых" тканей способны к неограниченному росту в культуре.

Предположения, содержащиеся в рассуждениях такого типа, весьма соблазнительны, однако следует соблюдать особую осторожность при всяких допущениях возможности простого "токсического" старения, обусловленного каким-то фактором задержки роста. Такой фактор трудно выявить. Некогда Биддер опрометчиво отвел эту роль эпифизу. Коцовский [638] предпринял успешную попытку задержать рост головастиков, скармливая им старческую сердечную мышцу (казалось бы, малопригодную для этих целей ткань), а Грим [439] получил сходные результаты со старческой плазмой. Пикадо [936] стимулировал рост молодых крыс, вводя им плазму взрослых животных. Имеются, однако, и более обоснованные данные.

Самые лучшие экспериментальные данные об ограничении роста получены, вероятно, при изучении печени млекопитающих. Хотя число митозов и двуядерных клеток в печени млекопитающих с возрастом уменьшается, регенерация после гепатэктомии имеет место и у старых крыс, причем восстановление числа клеток происходит, по-видимому, ненамного медленнее, чем у молодых взрослых особей, но значительно медленнее, чем у растущих животных [156]. Как отмечает Майнот [810], взрослые особи больше отличаются от детей, чем старые от взрослых. Промежуток времени между гепатэктомией и достижением максимума числа митозов увеличивается с возрастом [767]; это согласуется с различиями в характере роста (в культуре) тканей, взятых от молодых незрелых и молодых зрелых доноров [523], и подтверждает обнаруживаемые повсеместно данные о том, что с возрастом происходит не уменьшение способности к росту, а увеличение инерции в отношении к ростовым факторам; такая тенденция особенно отчетливо проявляется на тканевых эксплантатах [221, 790, 1145]. Однако в регенерирующей печени крыс в любом возрасте указанный промежуток времени уменьшается до величины, характерной для молодых животных [405]. У молодых, активно растущих крыс при восстановлении размеров печени после гепатэктомии наблюдается отчетливо выраженное явление "гиперреакция" печень за 7 дней достигает 145% первоначального веса [862]. Создается впечатление, что все основные особенности поведения тканей в процессе достижения видовых размеров установлены на печени. К ним относятся: 1) замедление видовой скорости роста; 2) сохранение способности, к росту после достижения предельных размеров, выявляемое или на эксплантатах или, как в данном случае, при частичном удалении органа; 3) увеличение инерции с возрастом; 4) усиление роста после задержки (гиперреакция). Как отметил Медавар [791], последняя особенность распространена удивительно широко и обнаружена в культуре тканей [1116], у личинок Amblystoma [155], рост которых задержан путем охлаждения, и у крыс и мышей после кратковременного ограничения в пище [212, 564, 884, 885].

Многое еще надлежит сделать в отношении изучения скорости заживления ран в разном возрасте, которую дю Нойи [866, 867] предложил использовать в качестве критерия старения [671]. Вся эта теория была основана на десятке непроверенных случаев, и ее нужно рассматривать как ушедшую в прошлое. (Ландел [671], приводя ее, по-видимому, согласен с тем, что лежащие в ее основе факты не верны. Но зато они дают такую красивую кривую!) Экспериментальные исследования позволяют предполагать, что хотя заживление кожных ран быстрее всего происходит в детстве, интенсивность клеточного деления у взрослых и старых животных почти одинакова, правда, лаг-период, предшествующий моменту достижения максимума частоты миотозов, с возрастом увеличивается [128, 533]; частота митозов, однако, возрастает. Замедление заживления кожных ран у старых людей клинически не доказано [325]. У самцов мышей кривая частоты митозов в клетках кожи in situ имеет два пика - в детстве и в среднем возрасте [160]. Количественные определения легко проводить на системе, регулирующей рост ногтей, которая характеризуется постепенным ослаблением функциональной активности на поздних этапах жизни [164, 474, 612].

На специфическом объекте (ткань печени) были предприняты попытки связать размеры органа с наличием ингибитора (или ингибиторов) митоза. При изучении плазмофереза [406] и парабиоза [157] после частичной гепатэктомии были получены данные, что гуморальный ингибитор, подобный описанному Каррелем и Эбелингом [181], после гепатэктомии исчезает из крови. Эти данные, хотя они и интересны, создают подозрительно простую картину динамики ограничения роста и, следовательно, старения.

При эксплантации ткани почки, взятой от старых и молодых крыс, латентный период до начала роста был больше, когда ткань брали от старых доноров [1327]; ткань же мозга и сердца от взрослых и старых крыс вообще не проявляла роста [1326].

Медавар [791] выдвинул точку зрения, противоположную той, которая принята гуморальной школой. Как у животных в целом, так и у отдельных органов и тканей скорость роста с возрастом падает. Как отмечает Медавар, вовсе не самоочевидно, что ослабление роста вызвано активным его подавлением. "Мы столь глубоко прониклись духом первого закона Ньютона, что во всех случаях падения скорости склонны предполагать наличие какого-то активно действующего начала. Это справедливо для скоростей движения, но это неприложимо к скоростям изменений того типа, который мы можем назвать "изменениями вероятностного состояния". Скорость теплопотери при охлаждении тела вначале высока, а затем понижается по мере приближения температуры тела к температуре окружающей среды. Подобным же образом скорость, с которой молекулы равномерно распределяются в замкнутой диффузионной системе, сначала велика, а затем становится все меньше и меньше. В этих и подобных им случаях мы имеем дело со скоростями, которые падают "самотеком", и с системами, которые стремятся к определенному наиболее вероятному состоянию со скоростью, зависящей от того, насколько далеки они от этого состояния. Тщетно мы искали бы ингибиторы и регуляторы - их здесь нет. Я не знаю, можно ли отнести к области статистической механики то, что я назвал "кинетической картиной" роста. Просто это образ, о котором мы должны помнить, когда думаем о процессе роста; иначе нам пришлось бы рассматривать доктрину о регулирующих рост факторах как самоочевидную, а это, конечно, не так".

Приведенные доводы не столько объясняют, сколько иллюстрируют, а использованную в них аналогию следует принимать с осторожностью. Ясно, что окончательные размеры органов соответствуют некоему равновесному состоянию, в процессе приближения к которому число клеток и энергия роста изменяются подобно тому, как изменяется потенциальная энергия в процессе ее перераспределения.

Однако, как следует из объяснения, силы, определяющие это равновесное состояние, зависят от среды, окружающей органы и клетки. Системы, формально сходные с данной, в которых действительно происходит потеря энергии, например за счет охлаждения, в сущности нельзя использовать для правильной аналогии, поскольку они связаны с процессами, не поддающимися дальнейшему анализу. Хотя морфогенез в конце концов, без сомнения, можно представить как перераспределение энергии, "врожденное" уменьшение скорости роста при приближении к наиболее вероятному состоянию служит объяснением только в одном-единственном плане: если "энергия роста" является некоей формой энергии в физическом смысле, аналогичной теплу в котле или электро-химической энергии в батарее, то это ограничивает число возможных причин лишь такими, которые допускают экспериментальное исследование. В том гипотетическом случае, если бы рост популяции клеток был ограничен запасом энергии в некотором особом источнике, используемом только для роста, но не для поддержания обмена веществ, аналогия с формально сходными физическими системами была бы применима и она позволила бы не только описывать, но и "объяснять" течение событий.

Ценность вероятностного подхода, как указывает Медавар, состоит в том, что он не дает нам пойти по самому легкому пути, предположив, что если скорость роста уменьшается, то это уменьшение должно быть вызвано действием какого-то специфического токсина или ингибитора. Сказанное, однако, не означает, что, имея дело со сложной биологической системой, можно избежать вопроса о том, что же именно уменьшается, так как уменьшение скорости предполагает реальные количественные и качественные изменения химических структур и исследование этих изменений вполне осуществимо. Вполне возможно, что возобновление активного роста у эксплантированных тканей действительно обусловлено удалением их из первоначальной среды. По крайней мере заслуживает обсуждения тот факт, что некоторая задержка размножения клеток, характерная для старых эксплантатов, вообще присуща клеткам. Симмс [1089, 1092] нашел, что продолжительность задержки деления клеток в эксплантатах аорты, взятых от старых кур, можно уменьшить с помощью ряда неспецифических процедур, таких, как переваривание папаином или промывание ультрафильтратом сыворотки. Подобная обработка может оказать даже чисто механическое воздействие. Для большинства целей, вероятно, желательно также рассматривать энергию роста не столько как "запас" (потому что, если сохранить аналогию, такой "запас" должен почти сразу же "пополняться" после гепатэктомии или эксплантации), сколько как "пространство" с границами, определяемыми непрерывно изменяющимися свойствами любой отдельной клетки в растущей ткани и непрерывно изменяющимися свойствами "окружающей среды", к которой относятся все прилежащие клетки той же ткани. Такая концепция и, по сути дела, любая концепция, рассматривающая процесс ограничения размеров как равновесный, должна, по-видимому, помимо всего прочего, допускать непрерывную замену всех утрачиваемых клеток. Основная слабость гуморальных теорий ограничения роста состоит в их готовности признать, что лимитирующие факторы, зависящие от среды, можно рассматривать изолированно (1) и что они неизбежно соответствуют веществам, а не физико-химическим состояниям или градиентам (2). Влияние прилежащих клеток не обязательно зависит от каких-то реальных гормонов, как убедительно показали работы Уайтейкера по взаимной ориентации яйцеклеток бурой водоросли Fucus в простом градиенте pH (см. [849]). Поиски гормональных веществ, которые можно выделить, вполне законны, но неудачи при этих поисках не должны ни удивлять, ни обескураживать. Имеется много данных (приводимых в сводке Стюарта и Кирка [1129]), позволяющих предполагать, что "ингибиторы", обнаруженные в старческой сыворотке Каррелем и его сотрудниками, были неспецифическими и, вероятно, содержали липопротеиды сыворотки. Это вовсе не означает, что такие вещества не вызывают торможения роста in vivo или что их действие не имеет физиологического значения. Однако имеется много работ, несомненно подтверждающих выводы Медавара [791], что во взрослой ткани нет экстрагируемого гормона, который непосредственно ограничивает рост клеток. "Перегиб" на кривой абсолютного роста (вес/время) иногда еще приводят как доказательство действия ингибиторов роста, но, как неоднократно было показано, такая трактовка ошибочна [792, 810, 1049, 1261].

Наиболее интересный аспект данной проблемы относится к старению, а не к морфогенезу. Он снова возвращает нас к предполагаемому факту отсутствия старческих изменений у некоторых рептилий и рыб, хотя рассуждения на эту тему бесплодны, поскольку мы не знаем, действительно ли такие изменения отсутствуют. Рост тела и отдельных органов у ряда подобных форм замедляется примерно по тому же типу, по какому, согласно Медавару, изменяется энергия роста изолированных тканей. Если рептилии, скорость роста которых понижается по этому типу, а гистологическая дифференцировка в любом случае близка к таковой млекопитающих, не подвержены старению, то этот общий тип замедления роста с возрастом, хотя и свойствен многим тканям млекопитающих, рассматриваемым по отдельности, не служит "причиной" старения млекопитающих. Равновесное состояние при прекращении роста подразумевает вероятность замены клеток в соотношении один к одному в тканях, которые способны к непрерывному делению. Таким образом, до тех пор пока не помещают какие-то другие процессы, организм, находящийся в равновесном состоянии, должен оставаться в нем неопределенно долгое время; это не распространяется лишь на те ткани, уровень дифференцпровки которых не допускает обновления за счет митоза. Сказанное вполне приложимо к долгоживущим холоднокровным позвоночным (по крайней мере против него, по-видимому, нет никаких веских данных), но оно совершенно неприложимо к млекопитающим.

Мы уже высказывали мысль, что хотя при полном отсутствии деления клеток можно надеяться обнаружить старение или одно из его проявлений как у животного в целом, так и в определенных органах, это не самоочевидно, ибо, для того чтобы избежать старения, животное должно было бы непрерывно увеличивать общее число своих клеток или общие размеры тела. Если бы такое увеличение имело место, следовало бы, вероятно, допустить не то, что рост предотвращает старение, а лишь то, что способность непрерывно расти отражает такой тип морфогенеза, который не сопровождается старением.

В таком случае вполне возможно, что у позвоночных прекращение роста может осуществляться двумя путями: некоторые холоднокровные позвоночные перестают расти, когда популяция клеток достигает определенной численности и состава, а затем остается по существу неизменной благодаря замещению всех клеток, за исключением незамещающихся нейронов; в то же время рост млекопитающих прекращается посредством более активного процесса (вероятно, дифференцировки, а не подавления митоза), воздействующего на небольшое число ключевых точек. Таким различием, если оно реально существует, очевидно, и объясняется менее катастрофическое влияние прекращения роста у тех рептилий, у которых действительно имеются видовые размеры, по сравнению с быстрым падением скорости роста, наблюдаемым у большинства млекопитающих после достижения зрелости. Знаменательно, что птицы остановились на полпути, так как в неволе, несомненно, все виды, по сути дела, подвержены старению, хотя и в значительно более позднем видовом возрасте, чем млекопитающие подобных размеров и активности. Тем не менее период роста у них относительно гораздо короче. Настоятельно необходимо провести серьезное исследование по филогении старения. Выдвинутая здесь гипотеза рассматривает старение (в той степени, в какой это касается млекопитающих) как следствие не общего прекращения роста, а лишь особого типа прекращения роста, возможно связанного с отсутствием восстановления некоторых важных структур и изменениями специфичности реакции других. Истинное морфогенетическое старение зависит от изменения реакций клеток и развилось в филогенезе позвоночных. Тип старения млекопитающих, если он отличается от типа старения других позвоночных, должен был бы развиться как коррелят (хотя и не обязательно как следствие) некоторых принципиально важных физиологических процессов - тепло-регуляции, развития сложной эндокринной регуляции, направляемой гипофизом, ограниченного роста, как у птиц и млекопитающих, который связан с этим развитием, и системы иммунологических реакций и тканевой специфичности, характерной для высших позвоночных. Возможная связь между ограничением размеров тела и теплорегуляцией представляет интерес ввиду обнаруженных у млекопитающих и амфибий различных соотношений между гормонами гипофиза и щитовидной железы в процессе регуляции роста [331, 1054, 1124]. На какой-то стадии эволюции позвоночных антагонизм, существующий между гормоном щитовидной железы и гормоном роста (гормоном, который вызывает гигантизм у получавших тиоурацил головастиков) уступает место синергизму, характерному для крыс и человека. К огорчению всякого, кто попытается построить любую филогенетическую теорию, рыбы в этом отношении весьма близки к млекопитающим [413]. Этот вопрос мы рассмотрим ниже.