Признаки старения индивидуумов
По мере того как люди становятся старше, происходят заметные изменения в их внешнем виде, а также в общем физическом состоянии. Часто можно довольно точно определить возраст человека по его внешнему виду, но иногда внешность может ввести в заблуждение. Так, например, возраст, в котором начинают седеть волосы или покрываться морщинами лицо, значительно варьирует у разных людей.
Какие же показатели являются лучшими показателями возраста? Чтобы измерить скорость старения недостаточно измерить какой-либо один показатель. Необходима, как выражаются ученые, «батарея тестов».
Одним из наиболее заметных признаков старения на организменном уровне является поседение волос. Исследования показывают, что не обнаружено никаких различий в скорости поседения мужчин и женщин и людей с разным цветом волос. Следует отметить, что поседение в популяции начинается в возрасте не менее 30 лет и неуклонно прогрессирует.
Следующим из наиболее очевидных признаков старения является изменение текстуры и внешнего вида кожи. Кожа истончается, теряет эластичность и покрывается морщинами.
Наряду с видимыми изменениями кожи и волос одним из наиболее обычных признаков старения является потеря мышечной силы.
Из других признаков старения надо отметить изменение осанки, выпадение зубов. Если в молодом возрасте органы растут, то в старости они подвергаются обратному развитию - инволюции (лат. involutia - изгиб). Уменьшаются размеры печени, почек, снижается функциональная способность всех систем. Кровеносные сосуды теряют эластичность, изменяется кровеносное давление. В костях уменьшается содержание оссеина, накапливаются неорганические соли, хрящи обызвествляются. Изменяется жизненная емкость легких, снижается невосприимчивость к инфекционным болезням, падает способность к регенерации и теплообразованию. Ухудшается слух, острота зрения, точность и быстрота ручных действий, сокращается время реакции в психологических жестах особенно после 40 лет, слабеет память, снижается работоспособность.
Одним из признаков старения является увеличение частоты разного рода заболеваний.
На клеточном уровне можно отметить, что содержание воды в цитоплазме уменьшается, изменяются свойства цитоплазмы. Отмечается снижение активности ферментов, вызванное, в первую очередь, изменением состава белков: уменьшение количества протеидов и протеинов, с которыми связаны процессы интенсивного обмена веществ. Вместо них преобладают альбуминоиды и протеиноиды, характеризующиеся низким уровнем метаболизма. В связи с этим ассимиляция уже полностью не восполняет потерь, связанных с диссимиляцией. Снижается митотическая активность клеток, интенсивность обновления ДНК, РНК, АТФ.
Каковы же причины старения?
Основные теории старения
Выдвинуто более 300 теорий о гипотез о старении, но большинство из них носит исторический интерес. Наиболее известны из них следующие.
Эндокринная теория. Французский физиолог Ш. Броун-Секар (1818-1894) еще в конце прошлого века развил учение о том, что в процессе старения главенствующая роль принадлежит половым железам. К такому выводу он пришел на основании экспериментов, показавших, что жизненный тонус стареющих организмов повышается после инъекции вытяжек из семенников.
Сторонники эндокринной теории в 20-х годах 20 века проводили даже специальные операции “омоложения”. С.А. Воронов пересаживал семенники от молодых животных старым; человеку он пересаживал семенники обезьян. Подобные операции только временно стимулировали жизнедеятельность организма, старческие признаки быстро появлялись. Старость - процесс необратимый, а половые гормоны, стимулируя жизнедеятельность постаревшего организма, нарушали его физиологические функции, заставляли выполнять непосильную нагрузку, что ухудшало условия существования организма и ускоряло наступление смерти.
Авторы других эндокринных теорий главной причиной старости считают падение секреторной деятельности то гипофиза, то надпочечников, то щитовидной железы. Однако эти теории не могут объяснить старение, т.к. старческие изменения происходят не только в эндокринных органах, но и во всем организме.
Теория “ортобиоза” И. И .Мечникова. Согласно микробиологической теории И. И. Мечникова старость можно подразделять на физиологическую и патологическую. И. И. Мечников сделал вывод, что старость у людей обычно наступает преждевременно, т.е. является патологической. По представлению И. И. Мечникова в организме прежде всего страдают нервные клетки под влиянием интоксикации. Главным источником интоксикации он считал толстый кишечник, в котором развиваются гнилостные процессы. Для прекращения этих процессов он предложил употреблять в пищу кислое молоко, которое создавало бы неблагоприятную среду для гнилостных бактерий, и они заменились бы полезной для организма бактериальной флорой кишечника. И. И. Мечников считал, что продолжительность жизни зависит от соблюдения ряда условий, которые он объединил в учение о нормальной жизни и назвал ортобиозом (греч. orthos - правильный, bios - жизнь ). В основе ортобироза лежит соблюдение правил гигиены, трудолюбивой умеренной жизни, чуждой излишеств.
Несмотря на ряд положительных сторон, теория И. И. Мечникова не раскрывала сущности явления старения, а выяснила лишь некоторые причины старения. Так более поздними исследователями было подтверждено, что систематическая интоксикация нервных клеток исходит не только от кишечника, но и вызывается продуктами азотистого обмена всего организма.
Теория жизненного темпа. Мысль о том, что высокий темп жизни сокращает ее длительность не лишена привлекательности. Но доказательств для такого заключения еще не достаточно, одни экспериментальные данные на животных указывают на то, что с повышением темпа жизни, например, при повышении температуры, при продолжительности нервного напряжения, повышается интенсивность обмена, которая обратно-пропорциональна продолжительности жизни.
И.П. Павлов в своих экспериментах на животных показал, что нервные нагрузки вызывают преждевременное старение. Он создал учение об охранительном торможении - нормальном физиологическом механизме. Теория И.П. Павлова о роли ЦНС получила широкое распространение в 30-е годы. Она имеет непосредственное отношение к проблеме старения и долголетия. Но эта теория до сих пор вызывает дискуссии и побуждает вновь проводить эксперименты на животных, так как другие опыты на животных это не подтверждают.
Теория соматических мутаций. В начале 1960-х годов появилась теория, которая породила больше экспериментальных исследований, чем какая-либо другая. Это теория соматических мутаций. Ее создатель английский генетик Сцилард (1959). Согласно этой теории для всех организмов существует одна первопричина старения. Она состоит в том, что старение обусловлено накоплением мутаций в обычных соматических клетках тела. В этой теории обращается внимание на то, что существенны в первую очередь мутации, происходящие в неделящихся, не обновляющихся клетках (нейроны, эритроциты, мышечные волокна). Менее важны мутации в клетках активно пролифирирующих тканей, таких, как эпидермис.
Теория соматических мутаций возникла из наблюдений, что воздействие ионизирующей радиации - это очень мощный мутагенный фактор и служит самым эффективным способом сокращения жизни подопытных животных. Но вопрос о точном соотношении между дозой облучения и степенью сокращения жизни не вполне ясен, поэтому теория соматических мутаций теперь уже не так популярна, как раньше.
Аутоиммунная теория старения. Суть этой теории заключается в том, что с возрастом наблюдается снижение эффективности иммунной системы. Предполагается, что с возрастом иммунная система становится неэффективной и возрастает вероятность взаимодействия иммунокомпетентных клеток с компонентами собственного организма. Самый важный факт - это повышение уровня антител к крови нормальных, здоровых людей при старении. Антител именно против своих тканей, а количество антител против наружной инфекции снижается.
Теория возрастных изменений соединительной ткани. Сформулирована в 30-е годы XX века А.А. Богомольцем (1881 – 1946). Автор этой теории считал, что физиологическую активность организма обеспечивает соединительная ткань (костная ткань, хрящевая, сухожилия, связки и волокнистая соединительная ткань), и что изменения коллоидного состояния клеток, потеря их тургора и т.д. определяют возрастные изменения организмов. Современные данные указывают на значение накопления кальция в соединительных тканях, т.к. он способствует потери ее упругости, а также уплотнению сосудов.
Теория свободных радикалов Хартман. Свободными радикалами называют химические частицы, имеющие неспаренные электроны на внешней орбите. Этот неспаренный электрон делает их чрезвычайно реакционными. Они образуются в качестве постоянных промежуточных продуктов нормального метаболизма, например, при окислительных процессах в митохондриях. Свободные радикалы могут вызывать значительные повреждения, т.к. они взаимодействуют с такими важными молекулами, как ДНК белки, липиды. Свободные радикалы могут взаимодействовать с белками и ДНК и создавать в них внутри- или межмолекулярные поперечные сшивки. Особенно чувствительны к свободно-радикальным повреждениям внутриклеточные мембраны, т.к. они содержат в большом количестве ненасыщенные жирные кислоты. Свободные радикалы вызывают пероксидацию последних, и это может влиять на функционирование мембран. Конечным продуктом повреждения мембран является липофусцин - вещество, которое не может полностью метаболизироваться клетками
Если возрастные повреждения связаны с повреждением мембран и других компонентов клетки свободными радикалами, то можно ожидать увеличения жизни клеток и животных под влиянием веществ, взаимодействующих с такими радикалами. Некоторые данные подтверждают это предположение. Так добавление витамина Е в корм мышей или дрозофилы в некоторых случаях приводило к продлению жизни.
Покер и Смит (1974) нашли, что добавление витамина Е к культуре фибробластов, которая прошла 45 генераций и в нормальных условиях погибает после 65 генераций, удлиняет ее жизнь до 100 и более генераций.
Таким образом, эти опыты действительно позволяют предположить, что определенную роль в гибели фибробластов играет повреждение мембран и, значит, свободно-радикальные реакции могут быть одной из причин старения клеток.
Гипотеза о катастрофе ошибок. В 1940 году А.В. Нагорный выдвинул теорию согласно которой старение - это результат затухающего самообновления белков.
В 1963 году Оргель также выдвинул мысль, что одним из факторов, способствующих старению клеток, может быть прогрессирующее снижение точности белкового синтеза. Он указал на неизбежность метаболических ошибок и на то, что в конце концов в клетке может накопиться так много дефектных молекул, что она уже не может нормально функционировать.
Проверка теории ошибок дала неоднозначные результаты.
Многие исследователи, включая самого Оргеля отдают сейчас предпочтение более обобщенным теориям о роли ошибок в старении. Погрешности при синтезе белка -это возможно, лишь частичный случай молекулярных повреждений, которые могут порождать дальнейшие ошибки. Мутации в ядерной или митохондриальной ДНК, повреждение мембран свободными радикалами, усиление связи ДНК клеток, образование поперечных сшивок в нуклеопротеидах и т.д. - все эти явления могут таким же образом приводить к катастрофическому накоплению ошибок и дефектов.
Теория апоптоза объясняет старение организмов запрограммированной гибелью клеток: гибелью клеток, выполняющих свою функцию, и клеток с поврежденным геномом. При апоптозе цитоплазма клеток уплотняется, конденсируется хроматин, фрагментируется ДНК. На заключительных этапах апоптоза клетки распадаются на части, фагоцитируемые макрофагами и гранулоцитами. Так активация при апоптозе Fas/Apa – 1 приводит к гибели лимфоидных клеток, экспрессирующих этот рецептор. В клетках с поврежденной ДНК апоптозу предшествует экспрессия протоонкогенов fas, myc и p53.
Известна также гипотеза, в соответствии с которой старение является результатом изменения митохондриального метаболизма с последующим нарушением функций ферментов.
Ряд исследователей придают большое значение освобождающимся после распада лизосом гидролазам, которые разрушают клетки.
Как видно из всего сказанного, относительно причины или причин старения единого мнения не существует. Есть много различных идей о том, как и почему организм стареет, но нет такой теории, которая могла бы объяснить все известные факты. И все же, хотя единой теории старения еще не создано, причина старения связана с возрастными изменениями в течение всей жизни на всех уровнях организации. Можно лишь предположить, что старение связано с накоплением повреждений и что на скорость этого накопления могут влиять как генетические факторы, так и факторы окружающей среды.
Согласно программным гипотезам старение определено генетически. Эти гипотезы основываются на том, что в организме функционируют своеобразные “часы”, в соответствии с которыми осуществляются своеобразные изменения, механизм которых не совсем ясен.
Механизмы старения
Используя все имеющиеся знания о старении можно предположить цепь событий, происходящих при этом процессе.
Современные представления о механизмах старения связаны со случайными повреждениями макромолекул клетки, то есть с мутациями.
На молекулярном уровне неизбежны при этом разного рода “происшествия”, например, образование поперечных сшивок в пределах одной молекулы и между молекулами, повреждение оснований ДНК, ошибки при транскрипции генетической информации.
Взаимодействие между молекулами таковы, что некоторые типы повреждений молекул могут индуцировать дефекты в других молекулах. Например, структурная “ошибка” в молекулах ДНК-полимераз могут нарушать нормальную репликацию ДНК, что приведет к замене оснований; дефекты в молекулах т-РНК могут приводить к образованию дефектных белков.
В результате молекулярных дефектов субклеточные функции будут осуществляться менее эффективно. Например, повреждения липидов мембран может отрицательно сказаться на функции митохондрий, дефекты в ферментах будут влиять на общий метаболизм клетки.
Накопление повреждений в макромолекулах вне клеток будет изменять окружающую клетку среду и структуру тканей. Например, изменения в межклеточном матриксе могут создавать барьеры для диффузии веществ.
Ухудшение функций на субклеточном уровне будет понижать эффективность работы всей клетки. Так дефекты в митохондриях, вероятно, отразятся на всех процессах, требующих затрат энергии.
В некоторых случаях уменьшение эффективности субклеточных функций будет приводить к гибели клетки, так как она не сможет поддерживать свое собственное существование.
В результате уменьшения эффективности работы клеток, их отмирания и изменения внеклеточного вещества будет ухудшаться работа тканей органов и их систем. Например, изменения в нервных клетках будут влиять на функцию мозга, изменения в лимфоцитах понизят эффективность иммунной системы.
Ухудшение работы органов и тканей приведет к уменьшению жизнеспособности организма. Например, вследствие понижения эффективности иммунной системы организм станет менее устойчив к инфекционным болезням.
Общее снижение жизнеспособности повышает вероятность смерти, а смерть - это завершающий этап онтогенеза. Таким образом, изменения при старении происходят на всех функционально-структурных уровнях: молекулярном, субклеточном, клеточном, тканевом, органном, организменном.
Но в организме есть и факторы, уменьшающие или компенсирующие действие повреждений. Это способность ДНК к репарации, вырожденность наследственного кода, механизм гомеостаза и наличие генов со средним и большим количеством повторов.
Но все же биологический смысл старения заключается в том, что оно делает неизбежным смерть. Без смерти не было бы смены поколений - одной из главных предпосылок эволюционного процесса.
Но надо помнить о том, что хотя процессы старения обусловлены внутренними причинами, т.е. генотипом организма, который влияет как на вероятность тех или иных повреждений, так и на степень их компенсации или репарации, старение и длительность жизни также зависит от факторов окружающей среды. Поэтому нужно стремиться к тому, чтобы в организме происходило нормальное физиологическое старение, а не преждевременное патологическое. Максимальная продолжительность жизни - видовой признак, у человека она может достигать 120-150 лет. Средняя продолжительность жизни - непостоянная величина и зависит не столько от биологических факторов, сколько социальных условий и поведения самого человека. У людей, к сожалению, жизнь часто обрывается преждевременно в результате болезней, несчастных случаев и других причин.
В увеличении продолжительности жизни большая роль принадлежит профилактической медицине и, следовательно, знания врача в этой области необходимы и ответственность его велика.
Рост — это увеличение общей массы в процессе развития, приводящее к постоянному увеличению размеров организма. Если бы организм не рос, он никогда бы не стал больше оплодотворенного яйца.
Рост обеспечивается следующими механизмами: 1) увеличением размера клеток, 2) увеличением числа клеток, 3) увеличением неклеточного вещества, продуктов жизнедеятельности клеток. В понятие роста входит также особый сдвиг обмена веществ, благоприятствующий процессам синтеза, поступлению воды и отложению межклеточного вещества. Рост происходит на клеточном, тканевом, органном и организменном уровнях. Увеличение массы в целом организме отражает рост составляющих его органов, тканей и клеток.
Различают два типа роста: ограниченный и неограниченный. Неограниченный рост продолжается на протяжении всего онтогенеза, вплоть до смерти. Таким ростом обладают, в частности, рыбы. Многие другие позвоночные характеризуются ограниченным ростом, т.е. достаточно быстро выходят на плато своей биомассы. Обобщенная кривая зависимости роста организма от времени при ограниченном росте имеет s-образную форму (рис. 8.18).
До начала развития организм имеет некоторые исходные размеры, которые в течение короткого времени практически не изменяются. Затем начинается медленное, а потом и быстрое возрастание массы. Некоторое время скорость роста может оставаться относительно постоянной и наклон кривой не меняется. Но вскоре происходит замедление роста, а потом увеличение размеров организма прекращается. После достижения этой стадии устанавливается равновесие между расходованием материала и синтезом новых материалов, обеспечивающих увеличение массы.
Важнейшей характеристикой роста является его дифференциальность. Это означает, что скорость роста неодинакова, во-первых, в различных участках организма и, во - вторых, на разных стадиях развития. Очевидно, что дифференциальный рост оказывает огромное влияние на морфогенез.
Не менее важной особенностью является такое свойство роста, как эквифинальность. Это означает, что, несмотря на возникающие факторы, особь стремится достичь типичного видового размера. Как дифференциальность, так и эквифинальность роста указывают на проявление целостности развивающегося организма.
Скорость общего роста человеческого организма зависит от стадии развития (рис. 8.19). Максимальная скорость роста характерна для первых четырех месяцев внутриутробного развития. Это объясняется тем, что клетки в это время продолжают делиться. По мере роста плода число митозов во всех тканях уменьшается, и принято считать, что после шести месяцев внутриутробного развития почти не происходит образования новых мышечных и нервных клеток, если не считать клеток нейроглии.
Дальнейшее развитие мышечных клеток заключается в том, что клетки становятся больше, изменяется их состав, исчезает межклеточное вещество. Этот же механизм действует в некоторых тканях и в постнатальном росте. Скорость роста организма в постнатальном онтогенезе постепенно снижается к четырехлетнему возрасту, затем некоторое время остается постоянной, а в определенном возрасте опять делает скачок, называемый пубертатным скачком роста. Это связано с периодом полового созревания.
Пубертатный скачок роста характеризует только человека и обезьян. Это позволяет оценивать его как этап в эволюции приматов. Он коррелирует с такой особенностью онтогенеза, как увеличение отрезка времени между окончанием вскармливания и половым созреванием. У большинства млекопитающих этот интервал мал и отсутствует пубертатный скачок роста.
Как уже говорилось выше, рост осуществляется за счет таких клеточных процессов, как увеличение размеров клеток и увеличение их количества. Выделяют несколько типов роста клеток.
Ауксентичный — рост, идущий путем увеличения размеров клеток. Это редкий тип роста, наблюдающийся у животных с постоянным количеством клеток, таких, как коловратки, круглые черви, личинки насекомых. Рост отдельных клеток нередко связан с полиплоидизацией ядер.
Пролиферационный — рост, протекающий путем размножения клеток. Он известен в двух формах: мультипликативный и аккреционный.
Мультипликативный рост характеризуется тем, что обе клетки, возникшие от деления родоначальной клетки, снова вступают в деление (рис. 8.22, А). Число клеток растет в геометрической прогрессии: если n — номер деления, то Nn = 2n. Мультипликативный рост очень эффективен и поэтому в чистом виде почти не встречается или очень быстро заканчивается (например, в эмбриональном периоде).
Аккреционный рост заключается в том, что после каждого последующего деления лишь одна из клеток снова делится, тогда как другая прекращает деление (заштрихована, рис. 8.22, Б). При этом число клеток растет линейно. Если п — номер деления, то Nn = 2n. Этот тип роста связан с разделением органа на камбиальную и дифференцированную зоны. Клетки переходят из первой зоны во вторую, сохраняя постоянные соотношения между размерами зон. Такой рост характерен для органов, где происходит обновление клеточного состава.
Пространственная организация роста сложна и закономерна. Именно с ней в значительной мере связана видовая специфичность формы. Это проявляется в виде аллометрического роста. Его биологический смысл состоит в том, что организму в ходе роста надо сохранить не геометрическое, а физическое подобие, т.е. не превышать определенных отношений между массой тела и размерами опорных и двигательных органов. Так как с ростом тела масса возрастает в третьей степени, а сечения костей во второй степени, то для того, чтобы организм не был раздавлен собственной тяжестью, кости должны расти в толщину непропорционально быстро.
Регуляция роста сложна и многообразна. Большое значение имеют генетическая конституция и факторы внешней среды. Почти у каждого вида есть генетические линии, характеризующиеся предельными размерами особей, такими, как карликовые или, наоборот, гигантские формы. Генетическая информация заключена в определенных генах, детерминирующих длину тела, а также в других генах, взаимодействующих между собой. Реализация всей информации в значительной мере обусловлена посредством действия гормонов. Наиболее важным из гормонов является соматотропин, выделяемый гипофизом с момента рождения до подросткового периода. Гормон щитовидной железы — тироксин — играет очень большую роль на протяжении всего периода роста. С подросткового возраста рост контролируется стероидными гормонами надпочечников и гонад. Из факторов среды наибольшее значение имеют питание, время года, психологические воздействия.
Интересной является зависимость способности к росту от возрастной стадии организма. Ткани, взятые на разных стадиях развития и культивируемые в питательной среде, характеризуются различной скоростью роста. Чем старше зародыш, тем медленнее растут его ткани в культуре. Ткани, взятые от взрослого организма, растут очень медленно.