Gerontology Explorer
База знаний по геронтологии
Форум Рейтинг способов продления жизни Новые материалы Email-рассылка: информация о новых материалах на сайте RSS-канал: информация о новых материалах на сайте Поиск Указатель Экспорт, импорт

     
"Старение биологических структур", Е.В.Терёшина

 

«Законы природы разрешают только смерть». Этими словами И.Пригожин [1] выразил универсальность второго закона термодинамики, подразумевая при этом, что второй закон вполне приложим только к изолированным системам или к замкнутым системам, находящимся вблизи от состояния равновесия. В этих системах второй закон может быть выражен статистически в рамках теории вероятности через известную формулу Больцмана, в которой вводится понятие энтропии. Статистический закон не выполняется для открытых систем, находящихся вдали от состояния равновесия, но для них пока и не открыты всеобщие законы. Рассматривать жизнь и смерть открытых систем с позиций термодинамики пытались многие исследователи (М.Волькенштейн, Г.Гладышев, А.Зотин).

 

Для объяснения явления самоорганизации был введен малопонятный термин «негэнтропия». Однако с этих позиций невозможно объяснить существование стадий онтогенеза, таких как зародышевое развитие, рост, период стационарного состояния, старение и смерть, так как живой объект в этом случае выступает одновременно и как открытая и как замкнутая система.

 

Существование стационарного периода в индивидуальном развитии позволило А. Зотину [2] предложить свою теорию онто- и филогенеза, частично основанную на некоторых идеях И. Пригожина. Он проигнорировал отчетливые указания бельгийского ученого на то, что живые объекты относятся к системам, находящимся вдали от_систем с минимальным производством энтропии. Такие системы получают энергию извне, и она компенсирует внутреннюю энтропию. Смерть такой системы объясняется просто - это конечное состояние эволюции замкнутой системы, достижение ею термодинамического равновесия.

 

Старение системы происходит в течение всего стационарного периода, наступающего после периода становления, который завершается на стадии личинки или зародыша весом в 1 г. Любое отклонение от стационарного состояния приводит к возникновению сил, возвращающих систему вновь в стационарный режим. Графически такая ситуация изображается в виде желоба, который Уоддингтон назвал «креодом».

 

Вся деятельность А. Зотина была посвящена доказательству того, что онтогенез укладывается в рамки модели креода. Таким образом, отечественные исследователи остались верны второму закону термодинамики и отказывались принимать предложенную И. Пригожиным идею об особом статусе живых систем как систем, эволюция которых не зависит от конечного равновесия. Аттрактором, т.е. устойчивым состоянием, к которому эволюционирует система, является ее структура. В зависимости от природы связей между элементами структура может преобразоваться в изолированную систему, либо остаться открытой системой. В последнем случае она эволюционирует даже в стадии структуры, теряя устойчивость, пока не достигает точки бифуркации, где выбирает один -из двух путей возможного дальнейшего развития, т.е. приобретения новой устойчивой структуры. Причина непонимания, на наш взгляд, коренится в том, что внимание ученых было сфокусировано на разных аспектах живой материи. Пригожина больше интересовала «стрела времени», т.е необратимость эволюционного процесса в целом, тогда как Зотин прежде всего пытался разобраться с онтогенезом, т.е. объяснить временность существования отдельной особи.

 

Пригожин рассматривал планету как сильно неравновесную систему, а Зотин сохранил верность традиционным представлениям, согласно которым условия существования организмов на планете изменяются постепенно, и адаптогенез в замкнутой системе, какой является планета, становится движущей силой эволюции. Пригожин проповедовал универсальную нестабильность, а Зотин оставался приверженцем второго закона. Кто из них прав?

 

Разработанный к настоящему времени системный подход удовлетворяет только одному требованию - он позволяет представить систему как иерархию структур, обслуживая сложившееся представление об универсальности иерархического принципа в природе. Он объясняет существование функциональных систем с позиций теории автоматов, которая не может предложить приемлемого толкования эволюции и самоорганизации. Как соотносятся понятия «система» и «структура»? К чему можно отнести живой организм, к системе или к структуре? Пригожин предложил различать два вида природных структур - классическую и диссипативную.

 

В классической структуре расстояния между взаимодействующими элементами не превышают атомарного или молекулярного диаметра, а в диссипативной структуре элементы отстоят друг от друга на значительно большем расстоянии (до сантиметров). Классические структуры образуют изолированные и замкнутые системы, диссипативные - сильно неравновесные открытые системы. Зотин причисляет живой организм к классическим, а Пригожин - к диссипативным структурам. Структура - это система, которая в процессе эволюции приобретает определенную топологию, фиксируемую статическими связями между элементами. Каждый элемент системы - это структура другого, как правило, более низкого уровня. Мы предлагаем различать однородные и разнородные элементы. К однородным элементам относятся элементы, имеющие один и тот же тип структуры. Системный подход допускает существование систем, состоящих из разнородных элементов. По нашему мнению эволюционное значение имеют только системы, состоящие из однородных элементов.

 

Основным принципом структурообразования является принцип однородного элементного состава среды, в которой образуются системы. В природе существует четыре типа связей между элементами, все они основаны на донорно-акцепторных взаимодействиях. Три из них возникают как симметрия знаковых различий между элементами одной среды: первый тип - электрон-протонное взаимодействие, в которое вступают элементы, имеющие разную структуру, но принадлежащие одному полю; второй тип - анион-катионное взаимодействие. Такие типы связей характерны для классических структур.

 

Третий и четвертый типы связей Пригожин назвал «коммуникациями». Эти связи характерны для диссипативных структур. Они представляют собой донорно-акцепторную связь, осуществляемую либо при непосредственном контакте свободно мигрирующих элементов, либо на значительных расстояниях между ними посредством диффундирующих в среду медиаторов и ассоциированных рецепторов. Донор и акцептор при этом могут не иметь «знаковых» различий.

 

Живые организмы представляют собой рубежный этап, где общий характер связи претерпевает дихотомию, развиваясь в третий и четвертый тип. Третий тип - это различие полов (знаковая симметрия), четвертый - коммуникации между неразличимыми элементами, сигнальная связь (между нейронами, речевая коммуникация).

 

Третий тип связи является граничным , сочетая в себе признаки связей, характерных для классической и диссипативной структур. В истинно диссипативных структурах коммуникации приводят к когерентному поведению элементов. Топология этих структур может постоянно изменяться либо в ответ на воздействие извне, либо вслед за внутрисистемными потоками энергии. Вследствие этого диссипативные структуры могут непрерывно эволюционировать, повинуясь сигналам из окружающей среды или в соответствии с более эффективным перераспределением внутрисистемной энергии. Интерес представляют стационарные состояния диссипативных структур. Эволюцию таких структур можно рассматривать как непрерывную смену стационарных состояний, ни одно из которых не приближается к конечному равновесию. К строго диссипативным структурам Пригожин относил только социальные структуры и очень затруднялся по поводу биологических структур. Как видно, биологические структуры являются переходным типом структур от классических к диссипативным и, по-видимому, обладают свойствами тех и других. Согласно логике Пригожина диссипативные структуры должны быть бессмертными. Отсутствие в системном подходе четких дефиниций «системы» и «структуры» привело к тому, что этими терминами исследователи обозначают разные образования. Мы предлагаем называть структурой топологию системы, состоящей из однородных элементов, фиксированную межэлементыми связями и обособившуюся в сплошной однородной среде. Такой подход позволяет нам предположить существование в природе всего семи основных структур - устойчивые структуры однородного поля элементарных частиц ( протон и электрон), атомы, молекулы, полимеры, клетки (одноклеточные организмы), многоклеточный организм, социальные структуры (государство). Каждая структура состоит из элементов, которые являются структурами предыдущего уровня. К биологическим могут быть отнесены две структуры - одноклеточный организм (прокариота и эукариота) и многоклеточный организм. Все многообразие живого - всего лишь различные формы двух основных структур.

 

Являются эти структуры классическими или диссипативными? Что такое старение и смерть в приложении к классическим и диссипативным структурам? Старение классической структуры - это ее необратимое приближение к термодинамическому хаосу. Смерть диссипативной структуры - ее исчезновение в точке бифуркации, когда изменяется топология системы (или образуется новая система). Например, когда одноклеточные структуры дают начало многоклеточному организму. Классическая структура, распадаясь в момент гибели на элементы, может быть воссоздана в прежнем виде, так как ее топология жестко фиксирована однозначностью связей - в этом состоит смысл фазовых переходов. Клетка, рассыпавшаяся на элементы (полимеры), или многоклеточный организм, расчлененный на отдельные клетки, не могут воссоединиться спонтанно, восстановив прежнюю структуру. Однако однозначность связей в биологических структурах существует, она фиксируется в генетической программе, поэтому в принципе воссоздание структуры возможно - в этом состоит смысл воспроизводства. Генетическая программа является переходной формой между обратимостью фиксированных связей и необратимостью коммуникаций. Естественная история живой материи - это борьба обратимости и необратимости, которая у биологических объектов приобретает форму компромисса между этими двумя процессами. Биологические структуры приобретают свойство самовосстанавливаться за счет непрерывного воспроизводства.

 

Живые системы выработали два способа воспроизводства структур - за счет частичного и за счет одномоментного полного обновления элементов. Воспроизводство одноклеточных организмов идет по пути частичного обновления элементов - каждая дочерняя клетка имеет часть элементов, доставшихся ей от материнской клетки. Частичное обновление элементов возможно только при их непрерывном синтезе. Структуры, элементы которых непрерывно обновляются, не стареют. В случае одноклеточного организма уместно говорить не о старении клетки, а о старении клона, т.е. новой системы. Клон как эволюционирующая система постепенно структурируется в новую структуру - в многоклеточный организм. Структурирование происходит при постепенном совершенствовании процессов регуляции, которые выражаются в виде выработки механизма митоза. Однако до тех пор, пока клон не сформировался окончательно в структуру, обновление его элементной базы (полимеров) остается частичной. Каждая структура имеет свою форму, определенную границами, через которые осуществляется обмен с окружающей средой. В окончательном виде структура многоклеточного организма имеет строго определенную форму и может воспроизводиться только в рамках этой формы. Мы назвали это явление «феноменом структурной целостности». При достижении структурной целостности клетки, составляющие клон, перестают делиться. Для многоклеточных организмов элементами являются клетки, и их обновление должно происходить одномоментно, поэтому обновляется весь организм в целом. Старение и смерть - «привилегия» структуры многоклеточного организма и обусловлено «старением» необновляемой элементной базы клеток - полимеров, вследствие чего прежде всего стареют и отмирают клетки сомы. Фактически время существования многоклеточного организма должно совпадать со временем жизни неделящихся клеток сомы. Окончание роста является в то же время началом старения. Однако организм входит в стационарный режим, который замедляет процесс старения. Стационарный режим необходим для обеспечения воспроизводства. Продолжительность стационарного периода определяется особенностями источника энергии, с которым взаимодействует данная структура, его энергонасыщенностью. Источник энергии определяет стратегию выживания организма. Самоподдержание структуры в течение стационарного периода может быть обеспечена только одним способом - частичным восстановлением митоза соматических клеток. Должна существовать синхронизация между количеством отмерших и количеством вновь синтезированных клеток. Синхронизация приводит к появлению механизма апоптоза - запрограммированной гибели клеток. Апоптоз «работает» в унисон с деятельностью очагов митотического деления, стволовых клеток. Необратимость поступательной эволюции исключает приложение второго закона термодинамики. Между тем сформировавшиеся структуры становятся изолированными системами (полимеры) или замкнутыми системами, адаптированными к постоянному потоку энергии (эукариоты и многоклеточные организмы). К ним применим второй закон термодинамики. Неделящаяся одноклеточная эукариота и многоклеточный организм имеют стационарное состояние, характеризующееся минимумом производства энтропии, приближающееся к конечному равновесному состоянию, смерти. Таким образом, живая материя является переходным состоянием от мертвой материи к социальной, от классических к диссипативным структурам. Биологические структуры являются смертными и бессмертными одновременно. В онтогенезе многоклеточного организма до достижения структурной целостности организм бессмертен, после - смертен.

 

 

См. подраздел  Литература.

 

 Обсудить на форуме

 

Изменен: 27.01.10

Узлов всего: 3 914. Узлов на вкладке: 1 617. Узлов в узле: 1. Последнее обновление: 20.01.13 19:07

Gerontology Explorer ©, 2007 - 2013. Все права защищены. Для правообладателей Обратная связь

Хостинг от uCoz