О биологическом времени

Время — фундаментальное понятие физики, философии, эволюции, истории. Оно лежит в основе осознания человеком себя и окружающего мира. Прежде всего, это совокупность и последовательность причинно-следственных связей, обеспечивающих необратимость процессов и явлений. В этом смысле развитие и старение являются формами проявления времени в биологии. По крайней мере, мне не известны достоверные факты превращения взрослого многоклеточного организма обратно в эмбрион и зиготу.

Изолированную термодинамическую систему невозможно вернуть в исходное состояние без затрат энергии извне. Однако термодинамическая система под названием «организм человека» является открытой. Она каждое мгновение обменивается веществом, энергией и информацией с окружающей ее средой. Зная как устроены «молодые» структуры и процессы на разных уровнях организации, а также имея детальное представление, чем они отличаются от «старых», можно будет задуматься о том, как научиться осознанно управлять процессом старения. Для этого предстоит вернуть «на место» как отдельные биомолекулы, так и клетки и процессы жизнедеятельности. Если рассматривать старение как системное заболевание, то по выражению датского геронтолога С. Раттана, невозможно омолодиться, не поменяв всю многоуровневую биосистему в целом.

Если данный взгляд на проблему единственно верный, нам предстоит очень долгий путь. Для начала придется пройти весь этап накопления и упорядоченья наших знаний о биологии и генетике человека, его развитии и старении. Что само представляет собой грандиозную задачу. Но и это еще не все, вероятнее всего, понадобится преобразовать эти знания в компьютерную модель человеческого организма, предварительно сконструировав технику, способную ее обслуживать. В настоящее время данную задачу пытаются реализовать международные проекты под общим названием «Физиом» (Physiome). Если модель заработает, нужно будет рассчитать наиболее вероятные точки приложения вмешательств, способных задержать превращение зрелого организма в старика. Далее следует разработать сами вмешательства и средства их доставки (например, нанороботов, которые тоже еще предстоит изобрести). Потом надо апробировать эти вмешательства по отдельности и в комплексе, провести клинические испытания. Но все это окажется малоэффективным, если одновременно не разработать четкую систему биомаркеров биологического возраста человека, чтобы понять подействовало ли вмешательство или нет, ведь если оценивать лишь по продолжительности жизни, то эксперимент затянется на многие десятилетия. На все нужно время…

Вселяет оптимизм, что эволюция не тратила времени впустую. Она уже предусмотрела целый ряд механизмов, обеспечивающих «починку» или замену износившихся «деталей» нашего тела. Осталось лишь получить знания о причине их выхода из строя с возрастом и наладить собственные системы починки.

Одно из ключевых свойств, характеризующих жизнь как явление, представляет собой дискретность. Она проявляется в существовании относительно независимых уровней организации жизни, многие из которых упомянуты выше. Есть еще надорганизменные уровни — популяция, вид, биоценоз, биосфера. Гибель функционального элемента на любом уровне организации и его замещение новым элементом является главным следствием дискретности. Во-первых, дискретность делает системы более устойчивыми, поскольку они состоят из взаимозаменяющихся и взаимодополняющих элементов. Действительно, разрушение макромолекул и гибель клеток тела с последующей их заменой являются необходимым условием нашего существования, роста и развития, обеспечивая морфогенез в целом и более частные вещи, такие как защита от опухолей. Однако с возрастом баланс процессов удаления и замены нарушается, и в конечном итоге элиминирует из популяции уже сам старый организм. Во-вторых, дискретность делает системы более пластичными, поскольку процессы в них идут параллельно, что ускоряет эволюцию системы. По А. П. Акифьеву, значение старения для эволюции состоит именно в обеспечении дискретности вида.

В результате подобного «дробления» жизни возникает асинхронность, выражающаяся в отличиях скорости развития и старения, сроках жизни. Внутри одного биологического вида длительность жизни варьирует от особи к особи. Даже генетически сходные или идентичные индивидуумы могут иметь различное время жизни (например, рабочие особи и матки общественных насекомых). Различия в долгожительстве между разными видами составляют несколько порядков: более 1000000 — между всеми таксонами (от дрожжей до антарктической губки Scolymastra joubini) и до 100 — внутри одного класса (если сравнить бурозубок и гренландского кита, почвенных и паразитических круглых червей). Возрастные изменения могут быть медленными (у некоторых губок, глубоководных рыб, черепах), постепенными (у человека) или внезапными (у тихоокеанских лососей). Анализ изменения функций при старении (плодовитости, подвижности, памяти) у видов с постепенным старением демонстрирует, что различные органы и ткани одного и того же организма подвергаются возрастзависимым нарушениям с разной скоростью. Согласно В. В. Фролькису, это так называемая «гетерохронность» — различие во времени наступления выраженных проявлений старения. Например, атрофия вилочковой железы у человека начинается в период полового созревания, а некоторые функции гипофиза сохраняются до глубокой старости. Имеет место и «гетеротопность» — неодинаковая выраженность процесса старения в различных структурах организма и «гетерокинетичность» — разная скорость протекания сенильных процессов в различных органах, тканях и клетках.

Существуют практически нестареющие виды (морской окунь Sebastes aleutianus, смертность которого не растет с возрастом) и виды с «отрицательным» старением (когда плодовитость и размеры с возрастом увеличиваются, например у некоторых морских гастропод). Важно узнать, как и почему это происходит.
Если межвидовое варьирование продолжительности жизни может свидетельствовать в защиту генетических основ долгожительства, то внутривидовые различия часто рассматривают как стохастические. Однако не все так просто. Во-первых, многие гены долгожительства в популяции присутствуют в различных вариантах, что может отчасти объяснять различную устойчивость к стрессам и варьирование продолжительности жизни. Во-вторых, даже когда речь идет о сравнении генетически идентичных особей в одинаковых лабораторных условиях, индивидуальное варьирование внешних микроусловий может различным образом влиять на генетическую программу стрессоустойчивости, противостоящую старению, а значит и на скорость самого старения.

Поскольку ткани стареют с разной скоростью, а болезни варьируют от индивидуума к индивидууму, люди с возрастом все больше различаются, даже монозиготные близнецы. В результате хронологический возраст («по паспорту») не способен быть точным индикатором процесса старения. Чтобы обойти эти проблемы, исследователями был предложен альтернативный показатель — биологический («физиологический», «функциональный») возраст. Биологический возраст позволил бы сравнивать функциональный статус одного индивидуума с другим, того же хронологического возраста, и в результате такого сопоставления делать выводы о различии в скорости старения. Как предполагают, биологический возраст имеет выраженный генетический компонент (30–60%). Однако для его точной оценки необходимо разработать общепринятую систему биомаркеров старения, что на данный момент не сделано.
На наш взгляд, система маркеров биологического возраста должна состоять из целой группы независимых показателей (молекулярно-генетических, биохимических, физиологических), характеризующих 1) появление отклонений от гомеостатической нормы (функциональное состояние организма), 2) стрессоустойчивость (способность противостоять причинам одряхления) и 3) наличие возраст-зависимых патологий. В первой группе маркеров фиксируется наличие отклонения от основных гомеостатических значений, являющихся усредненной нормой для данного возраста, исходя из предположения, что старение сопряжено с увеличением амплитуды отклонений от гомеостаза. Во второй группе отмечается амплитуда отклонений от гомеостаза на фоне провокационных воздействий стресс-факторами (физическая нагрузка, тепловой или холодовой шок), как для клеток, взятых у индивида, так и для функциональных систем на уровне организма в целом. Наконец, в третьем случае выявляются возрастзависимые патологии, которые сопоставляются для данного хронологического возраста со средним возрастом их проявления в данной популяции.

Разработка маркеров биологического возраста является крайне важной задачей. Они позволят прогнозировать оставшееся время жизни, а также служить отправной точкой при оценке эффективности вмешательств, потенциально способных продлить время жизни индивида.

Если старение — это форма проявления биологического времени, то есть и часы, отмеряющие срок нашей жизни?