Старение – это завершающая стадия реализации общей программы онтогенеза живого организма (информационная концепция старения)

Размещено на http://www.allbest.ru/

8

Статья по теме:

Старение - это завершающая стадия реализации общей программы онтогенеза живого организма (информационная концепция старения)

Калашников Юрий Яковлевич

Аннотация

Природа и причины старения живых организмов, так же как и причины их функционирования и развития до настоящего дня еще не получили удовлетворительного объяснения. И это несмотря на то, что уже давно известно, что хранящаяся в хромосомах наследственная информация является главной движущей силой функционального поведения, развития и воспроизведения любой живой клетки, каждого организма. При этом все сложные функциональные, биохимические, молекулярные и другие процессы управляются и регулируются информационными механизмами живой системы.

Оглавление

1. Объяснение жизни может базироваться только на общности материальных и информационных (нематериальных) закономерностей, которые присущи всем живым системам

2. Клетка, её структурные и программные элементы составляют материальную и информационную основу развития организмов

3. Хранилище наследственной информации (генетическая память)

4. Старение - это завершающая стадия реализации общей программы онтогенеза живого организма

5. Исчерпание программных ресурсов (лимитов) онтогенеза постепенно приводит к старению и смерти организма

6. Сегодня задача человека состоит не в том, чтобы продлить видовой срок жизни, а в том, чтобы не сокращать его

7. Причины, ведущие к болезням и сокращению видовых пределов жизни

7.1 И.И. Мечников о природе и причинах старения

7.2 Гипотеза накопления суммы повреждений

7.3 Гипотеза свободных радикалов

7.4 Теория соматических мутаций

7.5 Гипотеза о «катастрофе» ошибок

1. Объяснение жизни может базироваться только на общности материальных и информационных (нематериальных) закономерностей, которые присущи всем живым системам

Любая живая клетка представляет собой открытую обособленную информационную систему взаимосвязанных и взаимодействующих между собой молекулярных био-логических аппаратных средств, устройств и элементов, представляющих собой микроскопическую, непрерывно изменяющуюся сложную структурно-функциональную сеть, наполненную циркулирующей кодированной информацией. Поэтому основной функцией живой материи стала системная организация и интеграция в её структуре органического вещества, химической энергии и молекулярной биологической информации. Только эта триада составляющих, в виде их структурно-функционального единства («слияния»), оказалась приспособленной к обеспечению процессов движения и развития биологической формы материи. Многие исследователи уже давно полагают, что без информационной составляющей существование живого немыслимо.

Сейчас уже ясно, что в информационных процессах живых систем, при программировании биологических структур и их функций, наряду с использованием ковалентных химических связей (при кодировании линейных молекулярных цепей), широко применяются и нековалентные типы связывания: электростатические эффекты, ионные и водородные связи, Вандерваальсовы силы, гидрофобный эффект и т. д. (при организации трехмерных молекулярных структур, а так же при информационном взаимодействии биологических макромолекул друг с другом с помощью их кодовых стереохимических микроматриц) [1].

Любопытно, что возникновение кодирования молекулярной информации напрямую связано именно с этими лабильными микроскопическими физико-химическими силами, связями и эффектами. Сейчас в живых системах эти естественные силы и связи повсеместно используются для воплощения молекулярной информации. Кодированная информация, как главный атрибут живой материи, сначала способствовала возникновению живого, а затем явилась причиной самоорганизации, управления и регулирования её биохимических процессов.

Первоначально развитие кодированной информации шло бок обок с эволюцией живой материи. Далее кодированная информация, как отдельно существующая субстанция, стала важнейшей сущностью биосферы нашей планеты, а затем, и причиной возникновения сознания и разума, а впоследствии, и основой развития техносферы, ноосферы, инфоноосферы. Ясно, что косная материя не обладает столь мощными факторами управления и развития, какими являются кодированная информация и химическая энергия.

Следует отметить, что природная кодированная информация, как мера упорядоченности структур и функций, является естественной характеристикой не любой, а только живой материи! По представлениям сегодняшнего дня сам факт возникновения кодирования связан не только с информационными феноменами живой материи, но и с проблемами её эволюции и другими аспектами жизни. Чрезвычайно важная роль кодирования информации связана не только с зарождением жизни на Земле, но и с её эволюционным развитием, неуемной жаждой активности, размножения и распространения.

Очевидно, что только информация, из трех составляющих живой материи, наделена чрезвычайно активной способностью проявлять себя - кодироваться, накопляться, перемещаться (передаваться), размножаться (воспроизводиться), самообновляться, преобразовываться, распространяться, восприниматься, декодироваться и т. д. Ясно, что это может происходить только на основе энергии, органического вещества как своего носителя и системной организации, Однако, такими способностями сами по себе не обладают ни вещество и ни энергия. Значит, только информация в структуре биоорганического вещества придает живой материи те основные биологические свойства, которые наблюдают биологи.

При передаче информации сам код столь же важен, как и используемые в нем символы. Наличие кода в любой системе всегда свидетельствует об определенном смысловом значении сообщения (семантике). Очевидно, что первая закодированная информация появилась на Земле более 3,5 миллиардов лет тому назад! И это была «буквенно-символьная» информация биологических макромолекул. Причем, она обеспечила не только потенциальную вероятность зарождения живой материи, но и процессы информационного управления обменом энергии и веществ.

Заложенная в генах информация является основным фактором, обуславливающим как функциональное поведение, так и развитие любой живой системы. Поэтому в ходе реализации различных биохимических превращений и биологических функций речь должна идти, в первую очередь, об управляемых информацией процессах! Многочисленные исследования и публикации на эту тему показывают, что в живых системах имеются естественные природные механизмы и технологии кодирования, преобразования, передачи и реализации наследственной информации, которые обеспечивают в живых клетках не только прямую и обратную информационную связь, но и повышенную достоверность передачи сообщений, высокую помехоустойчивость молекулярных кодов и сообщений.

Между тем, нематериальность (виртуальность) кодированной информации показывает, что нельзя в настоящее время трактовать жизнь, как чисто материальное явление. Объяснение жизни может базироваться только на общности материальных и информационных (нематериальных) процессов, которые присущи всем живым системам. Более того, при изучении явлений жизни должно превалировать не материальное, физико-химическое представление, традиционно доминирующее в естествознании, а, прежде всего, нематериальное мировоззрение, основанное на информационном подходе к молекулярно-биологическим проблемам [1].

Очевидно, что здесь к нематериальной части живого мы можем отнести не ту мифическую «животворящую силу творца», которая декларативно заявляется приверженцами религии. А ту реально существующую информационную часть живого, которая заключена в программном обеспечении генома, в генетических информационных сообщениях, во всевозможных командах, данных, молекулярных кодовых сигналах и инструкциях макромолекул, разного назначения и различной структурной организации.

Ясно, что в основе организации всех живых систем лежат не только материальные (вещественные), но и виртуальные - информационные отношения. Отсюда становится очевидным, что жизнь - это бесценный дар не только материального мира нашей Вселенной, но и виртуального - нематериального мира, а сами мы: люди, животные, растения и даже микробы, являемся детьми этих двух миров.

Известно, что, точно так же, как наше тело состоит из отдельных типовых клеток, имеющих различную структурную организацию, так и все макромолекулы и клеточные структуры строятся на основе отдельных унифицированных био-логических элементов (нуклеотидов, аминокислот, простых сахаров, жирных кислот и других типовых мономеров). Этот универсальный набор представляет собой не что иное, как элементную базу живого, или общий молекулярный биологический алфавит, который служит не только для построения макромолекул и клеточных компонентов, но и для кодирования и программирования их молекулярных структур и биологических функций.

Мириады природных биохимических (био-логических) элементов (химических букв и символов) не могли бы программно (целенаправленно) соединяться в отдельные макромолекулы и работать в системе как единое целое, если бы в живой клетке не существовал информационный механизм их управления. В сложных механизмах управления любого организма имеется несколько уровней, но первым и основным из них является молекулярный уровень, который является в живых системах ключевым и фундаментальным. Поэтому живая материя управляется, регулируется, воспроизводится и идет по ступеням как индивидуального, так и эволюционного развития только благодаря наследственной информации и системной (клеточной) организации, которые и определяют циклическую непрерывность жизни из одного поколения в другое. Из всех составляющих компонентов живой материи, только молекулярная (наследственная) информация может претендовать на роль той движущей силы, которая определяет движение, развитие, поведение, воспроизведение, управление, регулирование, контроль и селекцию любых систем живой природы.

2. Клетка, её структурные и программные элементы составляют материальную и информационную основу развития организмов

Несмотря на различную индивидуальность живущих на Земле организмов, все они едины по своей биологической сути. Все они - смертны, а их жизнь это процесс чередования различных возрастных стадий. К примеру, за младенчеством человека приходит детство, его сменяет юность, затем наступает зрелость, за ней следует пожилой возраст, потом неизбежно - старость. И все это, как известно, результат развертывания во времени программной наследственной информации (общей программы развития целостного организма). Так почему же люди в наш просвещенный век постоянно ищут причины и природу процессов старения и факторы, приводящие к болезням и смерти, а некоторые из них даже отрицают неотвратимость данных событий?

Живая клетка - это ключевой уровень познания процессов, протекающих в организме. Разумеется, функции многоклеточного организма неизмеримо сложнее, чем жизнь отдельной клетки. И все же именно из работы отдельных клеток складывается удивительная по сложности функциональная деятельность различных органов и систем целостного организма. А от состояния клеток, в конечном счете, зависит и здоровье, и долголетие человека, поэтому большинство болезней, в том числе и таких тяжелых как рак, можно рассматривать как заболевания клеток.

Главные свойства любой живой системы всегда связаны с удивительными свойствами наследственной информации, а именно: с её способностью к преобразованию, самовоспроизведению, размножению, декодированию, управлению, регулированию и движению (передаче). Оказывается, что все эти загадочные свойства, в том числе и движение давно наблюдают исследователи-биологи. Причем движение материи (вещества) можно объяснить, только потому, что движение (то есть передача) информации всегда обеспечивается материальными носителями (переносчиками). Поэтому движения информации в живой клетке всегда тождественно объясняются движением биоорганического вещества и наоборот.

«Удивительная подвижность клетки и движение её компонентов порой производит впечатление бурного кипения. Движется, резко меняя скорость, иногда приостанавливаясь, цитоплазма. Пульсирует, то сжимаясь, то расширяясь, и вращается ядро. Впячивается, захватывая питательные вещества, воду, и выпячивается, выделяя отработанные вещества, наружная клеточная мембрана. Внешнему наблюдателю это явление напоминает внезапное извержение гряды вулканов, - настоящее «клеточное землетрясение». Очевидно, что движение молекулярной информации в живой клетке всегда можно отследить с помощью движения биоорганического вещества как своего носителя!

Движение биоорганического вещества, а, следовательно, и информации отражает не только жизнедеятельность клетки, но и непрерывно совершающиеся в ней процессы. Причем, мы должны помнить, что любая наблюдаемая нами клеточная деятельность независимо от природы обусловлена участием и работой многочисленной армии ферментов - своего рода молекулярных биологических автоматов с программной биохимической логикой управления. Ферменты и белки, благодаря информационным и управляющим органам и механизмам, самой природой приспособлены к самостоятельной автоматической деятельности.

В связи с этим, все белковые и другие функциональные макромолекулы клетки (как носители программной информации) представляют собой не только потоки биоорганического вещества, но они же, образуют и информационные потоки и сети, контролирующие различные биохимические и молекулярные функции живой клетки (организма). Программирование этих потоков и сетей обеспечивается экспрессией десятков и сотен различных генов, объединённых между собой скоординированными управляющими и регуляторными воздействиями. А если учесть, что различные ферментативные системы, состоящие порой из десятков и сотен ферментов, участвуют в организации множества различных последовательностей идущих друг за другом химических реакций, которые в совокупности составляют клеточный метаболизм, то можно констатировать, что управление химическими процессами и биологическими функциями клетки осуществляется молекулярными информационными потоками и сетями «автоматизированного» управления. Отсюда, как следствие, вытекает тот факт, что все клеточные процессы управляются, регулируются и взаимно координируются той программной информацией, которая (с помощью генетической информации и элементной базы) загружена в аппаратную систему клетки, то есть находится в функциональных биомолекулах и структурах клетки!

Структуры ферментов (белков) как молекулярных автоматов или манипуляторов обладают феноменальной способностью принимать самые разнообразные формы: белки при функционировании то набухают или пульсируют, то удлиняются или сокращаются, порой раскручиваются, иногда с ошеломляющей внезапностью и силой. Все это результат работы конформационных механизмов белковых макромолекул, действующих на основе информационных взаимодействий! [2]. Недаром же считается, что за каждой из тысяч химических реакций, протекающих в живых клетках, скрывается свой фермент (белок) - молекулярный биологический автомат с программной биохимической логикой управления. Таким образом, генетическая информация в клеточной среде программно перерабатывается при помощи молекулярных биопроцессорных систем транскрипции и трансляции, а функциональные программы затем реализуются при помощи программируемых молекулярных автоматов - белков и ферментов. Следовательно, программная информация в живой клетке реализуются в автоматическом режиме.

Очевидно, что «нельзя рассматривать генетические тексты как непосредственное зашифрованное описание порождаемых ими биологических структур». На самом деле это программы структурного построения и функционального поведения соответствующих молекулярных биологических автоматов (ферментов и белков), которые должны быть использованы для построения и функционального программирования всех остальных макромолекул, структур и компонентов живой клетки. Таким удивительным образом, управляющая клеточная система, строит и программирует все клеточные компоненты и структуры. «Этот способ объясняет, почему сравнительно небольшой длине генетического кода соответствует огромный массив информации, необходимый как для непосредственного описания морфологических структур, так и их развития» [3].

Гены служат только для хранения информации, поэтому её необходимо, сначала считывать, а затем определённым образом перерабатывать с тем, чтобы получить форму, приспособленную для непосредственного применения в различных биологических процессах. Вот для этой цели в клетке и применяются аппаратные средства транскрипции и трансляции, которые представляют собой не что иное, как молекулярные системы для микропрограммной переработки генетической информации. Поэтому фактически каждая живая клетка для микропрограммной обработки генетической информации применяет такие аппаратные устройства, которые с кибернетической точки зрения вполне эквивалентны молекулярным биологическим процессорам.

Известно, что ДНК и РНК живой клетки построены из типовых мономерных звеньев - нуклеотидов. Однако между этими двумя нуклеиновыми кислотами имеются существенные структурные и функциональные различия, которые и привели к появлению в живой клетке особой молекулярной биопроцессорной системы, которая предназначена для считывания информации с ДНК-матрицы и переноса её на структуру РНК. «Этот процесс носит название транскрипции (переписывания). При этом часть двойной спирали ДНК раскручивается, и вдоль одной из её цепей движется особый фермент, который выстраивает нуклеотидные мономеры РНК против их партнёров на цепи ДНК и соединяет эти мономеры друг с другом, так что образуется длинная цепь РНК. На ДНК-матрице образуется три типа РНК: информационная (иРНК), транспортная (тРНК) и рибосомная (рРНК)».

Вспомним, генетическая информация кодируется в виде последовательности нуклеотидов ДНК, - значит, все программы ДНК записаны и хранятся на линейном языке ДНК, а переписываются (транскрибируются) они на «линейную» последовательность нуклеиновых кислот РНК. Известно, что первичный транскрипт РНК в клетках эукариот - это точная копия гена, содержащая как экзоны (кодирующие последовательности транскрипта), так и интроны (некодирующие последовательности), которые должны быть удалены. Во время процессинга «последовательности интронов вырезаются из середины транскрипта РНК, в результате чего образуется молекула иРНК, непосредственно кодирующая белок. Поскольку кодирующие последовательности с обеих сторон интрона после его удаления соединяются друг с другом, эту реакцию назвали сплайсингом РНК. Сплайсинг РНК протекает в клеточном ядре вдали от рибосом, и РНК переносится в цитоплазму только после завершения этого процесса». Процесс вырезания интронов и сплайсинг РНК относится к малоисследованным информационным процессам.

Результатом работы транскрипционной процессорной системы является формирование транспортных и рибосомных РНК, и главное, - загрузка в оперативную память иРНК структурной и программной информации, которая необходима для выполнения различных биологических функций живой клетки. Поэтому основной смысл действия ядерных биопроцессорных систем транскрипции сводится к тому, чтобы передать программную информацию ДНК в оперативную память структуры РНК. Так происходит считывание генетической информации и передача её к другой биопроцессорной системе для трансляции.

В виде информационной РНК, которая в клеточной системе выполняет роль оперативной памяти, генетические программы по синтезу полипептидных цепей передаются к белоксинтезирующему аппарату клетки, то есть к рибосомам. Отметим, что все биопроцессорные системы трансляции генетической информации действуют по одному и тому же принципу, разница заключается в их различном программном обеспечении (при помощи иРНК).

Далее, в цитоплазме, программная информация переводится (транслируется) с оперативной памяти линейных цепей иРНК на полипептидные цепи белковых молекул. Этот этап характеризуется применением генетического кода и сменой молекулярного носителя информации, когда с помощью молекулярного аппарата трансляции и аминокислотной системы элементов строятся и программируются линейные структуры различных ферментов и других клеточных белков.

Хранящаяся в генах информация реализуется в ходе клеточного цикла в строго установленном порядке. Закономерные изменения структурно-функциональных характеристик клетки во времени (в процессе реализации генетических программ) составляют содержание её жизненного (клеточного) цикла. Клеточный цикл - это период существования клетки от момента её образования путем деления материнской клетки до собственного деления или смерти. Обязательным компонентом клеточного цикла является митотический (пролиферативный) цикл - комплекс взаимосвязанных и детерминированных хронологических событий, происходящих в процессе подготовки клетки к делению и на протяжении самого деления. Биологическое значение митотического цикла состоит в том, что он обеспечивает преемственность хромосом в ряду клеточных поколений, образование клеток, равноценных по объему и содержанию наследственной информации. Таким образом, цикл служит универсальным механизмом воспроизведения клеточной организации эукариотического типа.

Главные события митотического цикла заключаются в следующем:

редупликация (самоудвоение) наследственного материала материнской клетки;

равномерное распределение этого материала между дочерними клетками.

Хромосомы во взаимодействии с другими клеточными механизмами обеспечивают:

хранение наследственной информации;

использование этой информации для создания и поддержания клеточной организации;

регуляцию считывания наследственной информации;

самоудвоение генетического материала;

передачу его от материнской клетки дочерним клеткам.

3. Хранилище наследственной информации (генетическая память)

клетка онтогенез жизнь предел

Хранилищем и источником наследственной информации в каждой живой клетке является ДНК хромосом. Генетическая память, как долговременное запоминающее устройство, служит для длительного хранения данных и программ. Однако, естественно, всегда надо помнить, что генетическая память хромосом - это понятие несравненно более обширное и более грандиозное, чем, к примеру, память компьютерная. К этой многосложной молекулярной структуре, отождествляющей «спираль жизни», нельзя относиться без особого уважения и благоговения.

Генетическая память обладает феноменальными информационными возможностями. И, действительно, в последовательности оснований внутри двойной спирали ДНК закодирована вся необходимая информация для осуществления жизнедеятельности, развития и самовоспроизведения живой системы. Генетическая память имеет: операционную систему; полный набор программных средств для обслуживания ступенчатых процессов катаболизма и энергетического обеспечения; программные средства для обслуживания процессов биосинтеза молекул, систем репарации ДНК, аппаратных устройств ввода молекулярной информации питательных веществ и вывода конечных продуктов обмена веществ и т. д.

Генетическая память живой клетки имеет пакет программ, кодирующих и программирующих молекулярные средства и механизмы самовоспроизведения, которые начинают синтезироваться и действовать строго в соответствии с общей программой развития. А программирование самой генетической памяти осуществляется особым репликативным аппаратом живой клетки в S-период её развития, и дочерние клетки получают полный дубликат генетического материала. Этот аппарат является молекулярной биопроцессорной системой репликации. Программное обеспечение клетки - это важнейший проблемный вопрос молекулярной биологической информатики.

В генетической памяти хранится множество пакетов программ, обеспечивающих те или иные биологические функции и процессы. Поэтому «автоматизированное» управление процессами решения различных биологических задач в живой системе осуществляется на основе принципа программного управления. Для программной переработки генетической информации широко применяется принцип микропрограммного управления, когда выполнение одной биологической операции (например, в процессах репликации, транскрипции или трансляции), распадается на последовательность отдельных элементарных операций. А главной задачей программных средств, используемых в живых клетках, является обеспечение оперативного взаимодействия управляющей системы с молекулярными объектами управления (субстратами).

Причем, ключ к решению биологических задач, с помощью управляющей системы, лежит не в переборе вариантов при поиске решений. Программы, загруженные в структуру белковых и других биомолекул, реализуют стереохимические принципы узнавания и динамического взаимодействия, которые гарантируют точность матричного спаривания биологических молекул и проверку их на комплементарное соответствие друг другу. То есть в процессе взаимодействия биомолекул широко используются принципы обратной связи. Этим достигается не только повышенная помехоустойчивость при прохождении управляющей информации, но и высокая достоверность передачи сообщений.

В свете рассмотренных идей (молекулярной биохимической логики и информатики), становятся понятными и механизмы организации доступа к информации генетической памяти. Хромосомы ядра, благодаря присутствию в них структурных и регуляторных белков, а также «малых» двухцепочечных РНК, являются чрезвычайно активными динамическими компонентами клетки. Гибкость ДНК в составе хромосом позволяет регуляторным белкам и РНК информационно связываться с различными её участками и влиять на транскрипцию генов. При этом каждый из этих управляющих белков и «малых» РНК, благодаря загруженной в их структуру информации и своим стереохимическим кодовым компонентам, - четко знает свою функциональную роль.

Согласованность действия различных управляющих, а также регуляторных белков и «малых» РНК достигается за счет генетической информации, которая заранее была загружена в их структуру. А загруженные в их структуру программы являются составляющими того пакета программ, который предназначен как для организации автоматического доступа к генам ДНК, так и для управления и регуляции процессами транскрипции генетического материала.

В силу этих обстоятельств отдельные домены хроматина в хромосомах в процессе функционирования разворачиваются, а после окончания считывания информации с генов ДНК вновь упаковываются. Поэтому сами хромосомы представляют собой активные динамические структуры, в разных участках которых идут процессы считывания информации с ДНК. Доступ к генетической памяти основан на тех же правилах информационного стереохимического управления и тех же принципах динамического взаимодействия биологических молекул друг с другом, которые являются основой управляющих био-логических процессов в живой клетке [4]. Нам остаётся лишь научиться расшифровывать и понимать эту информацию.

В предыдущей статье рассматривалась наследственная информация как движущая сила биологической эволюции [1]. Очевидно, что накопление, обновление, движение и воспроизведение самих ресурсов наследственной информации разных видов, является главной движущей силой эволюционных биологических процессов. Мы выяснили, что жизнью движет непрекращающееся воспроизведение, движение и обновление наследственной информации как в онтогенезе, так и в эволюционных процессах.

Если рассматривать связь между размножением клеток и их созреванием, то все гены соматических клеток можно разделить на три большие группы:

Гены, управляющие размножением, или аутосинтетические гены (АС-гены);

Гены, регулирующие специфическую активность клеток (движение, выделение, раздражимость, переваривание инородных тел), или гетеросинтетические гены (ГС-гены);

Гены, несущие информацию для самосохранения (СС-гены), например гены, регулирующие дыхание клетки.

Эти названия указывают, что обмен веществ клеток АС-типа направлен только на воспроизведение себе подобных, а специализированная активность ГС-клеток направлена на поддержание всего организма. В молодых клетках прежде всего проявляется активность АС- и СС-генов, а ГС-гены находятся в «дремлющем» состоянии. Созревание всегда определяется каким-либо индуктором (фактором). В ходе дифференцировки понемногу активируются ГС-гены и начинается синтез специализированных белков. В клетках средней степени зрелости еще активны АС-гены и уже проявляется активность ГС-генов. Иными словами, для одновременного размножения и роста клеток необходима активность специфических веществ. В то же время в работу включается новый регулирующий ген (регулятор), который определяет синтез внутриклеточного ингибитора. Этот ингибитор связывается с АС-генами, блокируя их. Постепенно размножение, регулируемое АС-генами, прекращается, и зрелые тупиковые клетки более не способны к делению. [5].

Жизнь каждого высокоорганизованного существа начинается с оплодотворенной яйцеклетки. В ход пускается хорошо запрограммированный механизм. Из одной-единственной клетки за относительно короткий промежуток времени образуется 100 миллиардов клеток. Количественный рост, однако, лишь одно «чудо света». Другое состоит в том, что за это же время клетки становятся не похожими на исходные. Из дифференцированных клеток строятся ткани и органы. Так между клетками возникает истинное разделение труда. Интересно, что характер размножения клеток меняется по мере развития индивидуума. В определенный период, а именно на стадии «тутовой ягоды» (морулы), клетки быстро и синхронно делятся. С началом дифференцировки размножение клеток замедляется, становится асинхронным. Дифференцировка начинается по определенному сигналу, исходящему от индуктора. В ходе эмбрионального развития и регуляции клеточного деления включаются все новые и новые стимуляторы, и особенно ингибиторы. Заметим, что ингибиторы обладают тканевой специфичностью.

Как же происходит рост организма после рождения? Напомним, что так называемые статические клетки вскоре перестают делиться. Тем не менее, мозг и поперечно-полосатые мышцы продолжают увеличиваться в размерах, но лишь за счет увеличения размеров клеток, а не их размножения. Клетки других популяций и увеличиваются в размерах и размножаются. Размеры тела увеличиваются только до созревания, то есть достижения взрослого состояния. Гормон роста - это лишь один из многих регуляторов клеточной пролиферации. Гормоны и гормоноподобные вещества, представляют собой те малоизученные информационные сигналы в живой системе, которые после полового созревания обуславливают рост тканей и органов. Таким образом, исключительно наследственная информация обуславливает не только циклы и стадии развития отдельных клеток, но и все периоды жизни многоклеточных организмов.

4. Исчерпание программных ресурсов (лимитов) онтогенеза постепенно ведет к старению и смерти организма

Человеку, как и любому другому биологическому виду, живая природа «отмерила» свою определенную продолжительность жизни, называемую «видовой», - 80 - 95 лет. Различные виды имеют характерную продолжительность жизни. Для насекомых продолжительность жизни это несколько часов или суток, для мышей и крыс - два-три года. Соловей живет 12 - 18 лет, собака до 20 лет. Дельфин, кошка, лев, карась до 30 лет Максимальный срок жизни обезьяны до 40 лет, лошади до 55 лет, филина до 68 лет. Индийский слон может прожить до 70 лет, лебедь до 80 - 100 лет, а черепаха до 150 - 200 лет. Все эти сроки устанавливались в ходе эволюции, посредством естественного отбора, в пределах, наиболее благоприятных для выживания каждого вида. Они наследственно закреплены и практически не могут быть изменены без воздействия на интимную биологию организма. И то, что генетически определенные видовые пределы жизни существуют, сегодня уже никого не удивляют. А поскольку видовой предел обозначен, то следовательно, в нем отражены какие-то внутренние причины и движущие силы развития, созревания, старения и смерти [6].

В настоящее время, не представляет большого секрета, что этими движущими причинами и силами являются наследственные информационные ресурсы, которыми обеспечивается каждый живой организм, каждая особь, даже каждая клетка при их сотворении. В процессе индивидуального развития (онтогенеза) осуществляется реализация информации генов в конкретные признаки и свойства организма путем дифференциации клеток, тканей, органов. Сущность дифференциации заключается в том, что зигота дает морфофизиологически разные клетки. Различия, возникающие при дифференцировке клеток и передающиеся следующим клеточным поколениям, называют эпигенетическими. Такое наследование объясняется изменениями регуляторных механизмов генома. Морфофизиологическое отличие генотипических равноценных клеток может быть обусловлено только тем, что у них оказываются активизированными разные комплексы генов. В каждой клетке в конкретный момент онтогенеза реализуется только определенная часть наследственной информации. Все это обеспечивается поэтапной реализацией общей программы развития организма (онтогенеза). С точки зрения генетики онтогенез есть процесс постепенной реализации генотипа по частям, от момента зарождения организма до самой его смерти. Блокировка или активация генов зависит от условий окружающей среды, на которую, в свою очередь, влияют внутренние и внешние условия организма. Следовательно в процессе онтогенеза эпигенетической регуляцией последовательно охватываются все этапы жизни организма, в том числе и старение.

Естественно, что движение, использование и последовательное претворение в жизнь наследственных ресурсов особи и реализация информации в процессах функционирования определяет главную сущность онтогенеза на всех его стадиях, а исчерпывание этих информационных ресурсов, по мнению автора статьи, постепенно ведет к старению и смерти. Заметим, что ресурс наследственной информации (ДНК) всегда реализуется постепенно и небольшими частями. Вследствие чего, детство и юность неизбежно сменяются зрелостью, вслед за зрелостью приходит старость. Старость и смерть… Но почему организмы растут, созревают, стареют? Это один из фундаментальных вопросов биологии развития и непосредственно с ней смыкающейся биологии старения.

Экспериментальные исследования механизмов старения насчитывают многие десятилетия. Вначале это были попытки понять закономерности увядания на уровне целого организма. Потом внимание исследователей переключилось на изучение изолированных клеточных систем. Изучение клеточных культур позволило установить ряд принципиально важных фактов. Исследователями был выявлен твердо установленный факт - индивидуальные клетки стареют. Их продолжительности жизни при культивировании, ограниченна. Однако здесь следует оговориться о том, что старение относится не столько к отдельной клетке, сколько к длительности жизни и старению всей происходящей от неё клеточной линии. Иными словами изучается старение клона, то есть целой линии клеток, возникающих в результате повторных митотических делений.

Этот факт был установлен американским исследователем Л. Хейфликом в 1961году. Было обнаружено, что клетки соединительной ткани (фибробласты) человеческого зародыша, выделенные из организма и помещенные в плоские стеклянные флаконы для культивирования, после примерно 50 пересевов теряют способность к нормальным делениям. Позже в той же лаборатории было показано, что фибробласты, взятые от взрослого человека, могут поделиться в культуре всего 20 раз. Так родилось представление о том, что в основе старения лежит истощение способности клеток к делению. В случае некоторых простейших, говоря о старении, также обычно имеют в виду характеристики клона, а не особей. Однако неясным остаются два важных вопроса: первый - связь между старением всего организма и второй - причины конечной продолжительности клеток.

Тенденция к обновлению и реализации информации осуществляется не только параллельным и последовательным способами, но и различными путями: 1) во-первых, параллельная экспрессия различных генов собственных нужд клетки осуществляет обеспечение тех или иных её функциональных процессов; 2) последовательное переключение регуляторных генов в процессе реализации программы развития клетки ведет к экспрессии тех генов (а значит и той наследственной информации), которые обеспечивают (обслуживают) прохождение клеточного цикла; 3) во время дифференцировки клеток (во время эпигенетической регуляции) происходит последовательная активация новых генов, а новая информация дает жизнь новым (дифференцированным) клеткам.

Таким образом, реализация информационных ресурсов организма идет в различных формах и направлениях, во-первых, - в зависимости от клеточных целей и нужд, и, во-вторых, - в зависимости от нужд развития целостного организма. Причем, приоритеты направлений экспрессии генов часто меняются, к примеру, во время дифференцировки клеток, большая часть генов, программы развития самой клетки, оказывается заблокированной, то есть подчиненной общей программе развития целостного организма.

Несмотря на то, что на клеточном уровне исследуемый материал гораздо доступнее, однако искать природу и механизмы старения здесь весьма проблематично. Жизнь многих клеток заканчивается не в результате гибели и разрушения, а вследствие их деления. Однако информационные механизмы функционального поведения живой клетки и движения её по ступеням развития здесь наглядно видны. Главное, в чем можно убедиться на примере клеток, так это в том, что каждая клетка имеет свою собственную программу развития, которой подчиняется весь её жизненный цикл, а, следовательно, и все её жизненные процессы. Данные, полученные при изучении ритма размножения клеток многоклеточного организма, их созревания и продолжительности жизни позволили разделить их на три основные большие группы.

1) Клетки из обновляющейся популяции, которые интенсивно размножаются. Во время деления непрерывно образуются более зрелые формы и, в конце концов, начинают преобладать полностью созревшие (тупиковые) функционирующие клетки. Таковы кроветворные клетки или, например, клетки кишечного эпителия. Тупиковые клетки к дальнейшему делению уже не способны. Продолжительность жизни таких активно функционирующих клеток часто бывает невелика. В частности, эпителий кишечных ворсинок быстро изнашивается, и гибнут эритроциты, осуществив свою функцию по переносу кислорода, а лейкоциты погибают в борьбе с инородными телами, вирусами и бактериями. Однако вся популяция не исчезает, так как всегда имеется резерв из покоящихся клеток, которые обеспечивают постоянное пополнение клеточной популяции. 2) Клетки поперечнополосатых мышц, сердечной мышцы и особенно нервные клетки, называемые статичными, которые практически не обновляются. У зародышей деление этих клеток идет интенсивно, однако вскоре после рождения прекращается. Складывается такая ситуация, при которой возраст некоторых типов клеток соответствует возрасту организма в целом. Так, например, в специальной литературе приводятся данные, указывающие на то, что у человека этот возраст может достигать 100 лет, а у гигантской черепахи - 150. Следует, однако, заметить, что жизнь статических клеток иногда продолжается особенно долго благодаря не клеточному, а молекулярному обновлению (а это означает, что молекулярное (информационное) самообновление в течение жизни не прекращается). 3) Переходной группой между двумя упомянутыми выше является группа экспансивно растущих клеток, например печеночных. Они продолжают довольно хорошо размножаться у подростков, а у взрослых эти клетки размножаются редко, и они постепенно пополняют ряды погибших клеток [8, 10].

5. Старение - это завершающая стадия реализации общей программы онтогенеза живого организма

Старение свойственно всем многоклеточным организмам. Оно характеризуется нарушением функциональных способностей организма. Это становится заметным в конце периода воспроизведения, который постепенно переходит в период старения. Последний имеет важную отличительную черту - в этом периоде невозможно воспроизведение. Кроме того, уменьшается активность всех органов. Ряд изменений, происходящих на молекулярном и клеточном уровнях, приводит к нарушению функционирования органов и организма в целом. Одна из главных проблем, которые уже много лет волнуют биологов - это вопрос о том, почему старение вообще должно иметь место. «Поистине удивительно, что после кажущихся чудесными достижений морфогенеза сложные многоклеточные организмы не способны решить гораздо более простую задачу - просто сохранить то, что уже сформировалось». (Williams, 1957).

Длительность периода старения нельзя определить точно, так как неизвестно, в какой момент времени начинается нарушения функций. Если принять за критерий старения исчезновение способности к самовоспроизведению, то можно считать, что у женщин оно начинается в возрасте около 45 лет. Однако известно, что некоторые функции, например мышечная активность и дыхание, начинает нарушаться и у мужчин, и у женщин уже в возрасте около 30 лет.

Тот факт, что старение обусловлено информационными процессами, обеспечивающими различные этапы онтогенеза организма, хорошо просматривается как при нормальном развитии организма, так и при различных генетических заболеваниях, ускоряющих процессы эпигенетической регуляции. К примеру, известно редкие генетические заболевания человека - прогерия, при котором наблюдается замедление роста и атеросклероз всех крупных кровеносных сосудов, включая аорту и коронарную артерию, уже в 9-летнем возрасте, а также значительное отложение возрастного пигмента липофусцина в клетках многих органов. Картина преждевременного старения выражена столь ярко, что ребенок в возрасте 9 лет напоминает 70-летнего человека. Больные остаются бесплодными и умирают, не достигнув 20 лет.

Другое генетическое заболевание - синдром Вернера является сходным, но его симптомы развиваются позже; больные тоже имеют сниженную продолжительность жизни, в среднем около 47 лет. Основные симптомы: высокая частота злокачественных новообразований, ранняя потеря и поседение волос, малый рост, юношеская катаракта, склонность к диабету, ранний атеросклероз, кальцификация кровеносных сосудов и остеопороз. Понимание биохимической основы синдрома Вернера, вероятно, не приведет к пониманию процессов, контролирующих нормальный процесс старения, хотя некоторые черты сходства с нормальным старением здесь действительно есть [8,10]. Однако по этим примерам можно констатировать, что основной движущей силой, ведущей по этапам онтогенеза любого организма, является - эпигенетическая регуляция, от информационного обеспечения которой и зависит прохождение всех процессов.

Итак, периоды развития, воспроизведения и старения следуют один за другим. Время наступления, длительность и скорость старения зависят от репродуктивного периода, а свойства последнего определяются периодом развития. Все три периода взаимосвязаны. Следовательно, старение нельзя рассматривать как изолированный и независимый период жизни. Поэтому в настоящее время есть все основания думать, что процессы старения у всех организмов одинаковы, и закономерности проявления старения у разных организмов идентичны. В качестве примера можно указать на результаты обработки данных по смертности различных живых организмов и людей, которые приведены в специальной литературе. В разных случаях интенсивность смертности растет по одному и тому же закону. Это означает, что ни один биолог и демограф не способен отличить графическую «кривую» (график) приращения интенсивности смертности от возраста людей от аналогичной «кривой» для испытуемых лабораторных животных, если возраст в них приведен в «безразмерном» виде. Иначе говоря, такие «кривые» принципиально неразличимы, чего трудно было бы ожидать, если бы человек действительно старел и умирал «принципиально иначе, чем животное». Для обстоятельной проверки адекватности этого закона в 1979г. было обработано 285 кратных таблиц смертности людей по всем географическим районам мира: Африке, Америке, Азии, Европе, СССР, Австралии и Океании [8,10]. Все они подтвердили адекватность этих закономерностей.

Теорий старения, как известно, множество. Что ни геронтолог, то своя теория старения! Автору этой статьи ближе всего по пониманию процессов старения высказывание нашего биолога Льва Владимировича Комарова, который отметил, что «не разделяет воззрений многих биологов, предполагающих, что в основе старения лежит накопление каких-то повреждений или ненормальностей в клетках: мутаций, поперечных связей, ошибок синтеза, повреждений в генах. Старение - процесс, который неизбежен при нормальной работе генов и других элементов клетки. Обобщенно и упрощенно говоря, старение - это увеличение всегда имеющегося в клетке несоответствия между образованием ферментов, метаболитов, структурных и шлаковых веществ. Если рассмотреть ход изменений с возрастом подобных «несоответствий» для ферментов - дегидрогиназ в митохондриях печени крыс (до наступления зрелости и после нее), то отчетливо будет видно, как та «степень несоответствий», которая нужна, чтобы организм развился до стадии зрелости, с годами не только не сохраняется, но возрастает - все показатели как бы веерообразно расходятся [6].

Возрастной «феномен раскрытия веера» можно наблюдать и на других примерах. Это раскрытие и приводит, по-видимому, с возрастом к избытку или исчерпанию в организме ряда веществ (например, снижается содержание АТФ - аденозинтрифосфорной кислоты, а содержание некоторых веществ наоборот повышается). Это приводит к расстройству оптимальных соотношений между множеством различных параметров и характеристик. Если биохимия и биоэнергетика достигшего зрелости организма напоминает игру слаженного оркестра, то со временем «уставшие музыканты» все больше начинают играть «кто в лес, кто по дрова». Происходит как бы диссоциация жизненных процессов, постепенно ведущая к старости и, соответственно, к старческим болезням.

Сегодня, когда средняя продолжительность жизни в России практически ниже пенсионного возраста, сама мысль о том, что можно жить долго, не старея, кажется фантастической. И это мнение не лишено основания, так как старение в большинстве случаев связано не с материальными (физико-химическими) основами жизни, а только с её наследственной информационной составляющей, то есть со свойствами не самой материи, а со специфическими свойствами и характеристиками информации. Материя (вещество) в данном случае выступает лишь как носитель информации, поэтому биоорганическое вещество в живой системе ведет себя так, как указывает ей информация. Не биохимия и биофизика, а только молекулярная информатика и информационные закономерности могут объяснить прохождение сложных биохимических процессов живых организмов.

Какой вывод напрашивается из выше приведенных примеров? Видимо тот, что факторы и причины нормального старения организмов следует искать не в их материальных компонентах, а в их наследственном программном обеспечении. Однако в этом направлении исследователи еще, к сожалению, не работали, - не искали не только причин функционального поведения живой материи, но и причин и факторов её развития, воспроизведения и старения! И ведь, действительно, если программа развития живой клетки полностью обеспечивает функционирование и жизнь на всех её стадиях и циклах, то почему же тогда программа онтогенеза, последовательно обеспечивающая возникновение, развитие и созревание целостного организма, а также период его репродукции, не может обеспечить последнюю его завершающую стадию - старения и смерти?

Известно, что с возрастом стабилизация активности регулирующих (информационных) систем не наступает. Это и приводит к постепенному нарушению постоянства внутренней среды организма. С этой точки зрения старение - это болезнь или сумма болезней регуляции. В этом и заключается противоречие, скрытое в самом развитии, которое, продолжаясь после созревания, приводит к своему отрицанию. Иными словами, программа болезней старения, по существу, хотя и не закодирована в генетическом коде, но реализуется она с тем же постоянством, с каким осуществляется запрограммированный процесс развития организма!

Эта тема имеет и свое продолжение, о чем говорит, например, короткая заметка, опубликованная в газете «Советская Россия» [9]: «Продолжительность жизни запрограммирована в генетическом коде и передается от отца к сыну и от матери к дочери, утверждают ученые из университета Синсю в японском городе Мацумото. К этому заключению специалисты университета пришли в результате проведения двух параллельных исследований. Первое проводилось на излюбленных генетиками мухах-дрозофилах, отдельные виды которых имеют строго определенные сроки жизни - 35, 45 и 60 дней. В результате экспериментов было обнаружено, что на протяжении 20 поколений 99 процентов мушек, получивших в результате перекрестного скрещивания, идентичные гены, имели также и одинаковую продолжительность жизни.

Другая группа исследователей того же университета в течение 10 лет изучала генеалогию около 5000 жителей деревень в окрестностях города Мацумото. Итоги исследований показали, что 73,2 процента долгожителей-мужчин имели долгожителей-отцов. У женщин эта зависимость проявилась не так явно и выразилась цифрой 58,3 процента. Однако в 72 процентах случаев дочери наследовали недолгую продолжительность жизни матерей». Поэтому недаром в народе часто говорят, что «лучший способ обеспечить себе долгую жизнь - это выбрать себе родителей и дедушку с бабушкой из числа долгожителей».

Указанные выше примеры явно подтверждают мысль о том, что нет специальной программы старения, - есть общая программа онтогенеза, которая и определяет все этапы и сроки развития, созревания, воспроизведения и старения. А старение - это просто завершающая стадия реализации общей программы онтогенеза живого организма. Следовательно, старение, как и любые другие, но более сложные стадии развития организмов (в том числе и их эволюции) носит характер программных, а, следовательно, и регуляторных информационных процессов.

Поскольку все сложнейшие процессы индивидуального развития организмов обеспечиваются наследственной информацией, то естественно предположить, что и продолжительность их жизни лимитируется наследственными информационными ресурсами. И действительно, вариабельность по срокам жизни у разных видов организмов чрезвычайно обширна. Похоже, что длительность жизни отдельных организмов всецело зависит от того программного лимита (информационного ресурса), которым они обеспечиваются при рождении. У каждого организма есть свои наследственные информационные ресурсы, обеспечивающие прохождение всех процессов и периодов онтогенеза. Очевидно, что к последнему периоду онтогенеза - старению и смерти может привести только исчерпывание этих программных лимитов (информационных ресурсов).