Биологические основы старения и долголетия

Виленчик Михаил Маркович

Таким образом, способность к репарации повреждений ДНК, эффективность работы ферментов, обеспечивающих эту способность, — одна из биологических основ долголетия и, вероятно, устойчивости к некоторым тяжелым хроническим заболеваниям. Это заключение согласуется с многочисленными данными, рассмотренными нами в предыдущих главах и свидетельствовавшими о критической роли повреждений ДНК в развитии и преждевременного, и естественного старения, об их роли в развитии спонтанных и вызванных внешними воздействиями злокачественных опухолей, о том, что определенные системы репарации ДНК устраняют такие повреждения и тем самым защищают и от канцерогенных, и сеногенных (т. е. способствующих преждевременному старению) воздействий на организм.

Но устойчивость генетического аппарата к факторам, способным нарушить его целостность и функцию, примерно лишь наполовину определяется

системами, залечивающими повреждения ДНК. Как мы теперь знаем, эта устойчивость в значительной степени зависит от метаболизма, в частности от интенсивности образования в клетках и тканях активных форм кислорода, а также от эффективности защиты от них.

Если это так, то биологической основой долгожительства должен быть генетически запрограммированный и закрепленный тренировкой "экономный" биоэнергетический статус организма, при котором относительно невелик уровень активных форм кислорода и других, в частности, обусловленных этими формами генотоксических агентов. В простейшем случае это означает, что, чем меньше кислорода требуется "метаболизировать" организму для обеспечения высокоэнергетическими соединениями (синтезируемыми в процессе окисления кислородом различных субстратов) своих функций, тем, следовательно, менее уязвимо его генетическое вещество и тем должно быть больше долголетие организма. Сформулированное следствие из теории в основном и с определенными уточнениями подтверждается эмпирически выведенной закономерностью об обратной корреляции между продолжительностью жизни млекопитающих различных видов и интенсивностью их метаболизма. На существование такой закономерности еще в начале XX века обратил внимание немецкий биолог М. Рубнер. Получалось так, будто любой вид млекопитающих на протяжении жизни затрачивает одно и то же количество энергии в расчете на единицу массы тела и, исчерпав этот "энергетический жизненный потенциал" (определение, данное уже в 1984 году выдающимся американским биогеронтологом Рихардом Катлером), организм "должен" погибнуть. Общее количество энергии, затраченной на поддержание метаболизма (или эквивалентное ему количество поглощенного О₂) в расчете на 1 г массы тела для многих исследованных видов млекопитающих составляет согласно последним данным 220±73 ккал.

Однако из сформулированного правила можно найти исключения. Так, для многих приматов энергетический жизненный потенциал составляет 458±89 ккал, а для человека, обезьян капуцина и лемура еще больше — 781±37 ккал.

Другое замечание (уже практического характера) состоит в следующем. Хорошо известно, что интенсивность обмена веществ или скорость поглощения О₂ зависит от двигательной активности (частота дыхания бегущего человека значительно больше, чем находящегося в состоянии физического покоя). Не означает ли это, что, чем больше двигательная активность, тем за меньший промежуток времени истратится "энергетический жизненный потенциал"? Вероятно, так считали О. Бальзак, создавая "Шагреневую кожу" и, разумеется, ничего не зная о приведенных здесь величинах "энергетического жизненного потенциала".

Однако представления о том, что организм, подобно машине, тратит в течение жизни предопределенное количество энергетического фонда, неправильно. Мы уже говорили о том, что биоэнергетический статус организма определяется не только генотипом, но и тренировкой. Да, организм можно научить более экономно тратить "энергетический жизненный потенциал", и люди, вероятно, достигают этого посредством увеличения двигательной активности. Парадокс состоит в том, что для снижения скорости растрачивания потенциала необходимы его траты. Такое заключение подкрепляется результатами многолетних исследований лаборатории возрастной физиологии и патологии, руководимой выдающимся отечественным онтофизиологом и биогеронтологом И. А. Аршавским. На основании этих результатов И. А. Аршавский заключил, что, во-первых, двигательная активность в пределах физиологического стресса является фактором индукции избыточного анаболизма (усиления биосинтетических процессов) и, во-вторых, развитие организма "в условиях действия ограниченной двигательной активности или в условиях избыточного действия двигательных нагрузок, выходящих за пределы физиологического стресса", определяет преждевременное старение и снижение продолжительности жизни.

Таким образом, неодинаковая продолжительность жизни у разных видов млекопитающих может быть объяснена различием их "энергетических потенциалов" и известным правилом о благотворном влиянии на организм физических тренировок. Оказывается, что оба правила

соответствуют друг другу. Способность организма к адаптации на различных уровнях его организации (в том числе и молекулярно-клеточном) — вот то ключевое свойство, которое позволяет объяснить сформулированное здесь "противоречие" и многие другие биологические парадоксы. Поэтому-то среди млекопитающих с относительно большой естественной двигательной активностью величина основного обмена (или количество О₂, поглощаемого в состоянии покоя) может быть меньше, чем у животных с относительно небольшой естественной двигательной активностью.

Проведенный нами анализ биологических закономерностей позволяет считать низкую физическую активность фактором, отнюдь не способствующим долголетию. Но теперь нельзя согласиться и с теми, кто ратует за резкое увеличение двигательной активности. Это увеличение должно быть умеренным, тренирующим механизмы регуляции метаболизма в пределах адаптационных способностей организма (или в пределах физиологического стресса, по выражению И. А. Аршавского), а не только истощающим энергетический жизненный потенциал. Но адаптационная способность организма в существенной степени зависит от его генетической конституции. Таким образом, пределы благотворного действия и интенсивности двигательной активности должны быть для разных людей различными.

Вопрос о конкретных путях определения индивидуальных оптимальных физических нагрузок уже выходит за рамки проблем, обсуждаемых в этой книге. Наша задача состояла в том, чтобы найти молекулярные основы для поиска такого оптимума и для дополнительной количественной характеристики адаптационной способности организма. Одной из таких характеристик может служить величина отношения скорости образования кислородных радикалов, Н₂О₂, перекисей липидов к концентрации защитных ферментов (особенно супероксиддисмутазы) и низкомолекулярных антиоксидантов. Если в условиях достаточно полного энергетического обеспечения клеток и тканей это отношение мало, то можно говорить о высокой адаптационной способности.

Теперь мы можем дать хотя бы предположительное объяснение, почему энергетический жизненный потенциал у приматов в 2 раза больше, чем у остальных видов млекопитающих, а у человека он даже больше в 3,5 раза. В значительной степени потому, что эффективность защиты от активных форм кислорода и других рассмотренных нами ранее эндогенных токсических метаболитов у человека больше, чем у большинства других приматов, а у последних больше, чем у других видов млекопитающих. Долголетие, вероятно, определяется, в частности, эффективностью работы ферментативных систем защиты, прежде всего супероксиддимутазы, о которой речь шла в IV главе.

Эту мысль я обосновал в докладе, прочитанном на первом Международном совещании по проблеме надежности биологических систем, состоявшемся летом 1979 года в городе Каневе. Доклад так и назывался "Эволюционный анализ механизмов, определяющих видовую продолжительность жизни животных". Супероксиддисмутаза была названа тогда одним из наиболее эффективных факторов таких механизмов. Правда, привести экспериментальное доказательство этому положению в те годы еще было невозможно, и пришлось опираться на концепцию о роли супероксидных радикалов в старении, обоснованную мною десятилетием раньше (книга "Молекулярные механизмы старения").

Сегодня такое доказательство имеется, причем уже проведен ряд исследований связи, с одной стороны, между активностью супероксиддисмутазы, а с другой — долголетием или жизнестойкостью организмов (см. главу IV).

Но супероксиддисмутаза не единственный биологический фактор долголетия, обеспечивающий защиту генетического аппарата и других биоструктур от их повреждения активными формами кислорода и образуемыми при участии последних другими химически активными метаболитами. К числу таких факторов можно отнести каротиноиды. Если супероксиддисмутаза составляет одно из основных звеньев ферментативной защиты клетки от кислородного радикала, то среди неферментативных природных средств защиты от активных форм кислорода и вызванных ими реакций существенное значение имеют, вероятно, каротиноиды, особенно -каротин. Такое заключение вытекает, в частности, из закономерности, которую наглядно демонстрирует рис. 10. На нем представлены результаты определения содержания каротиноидов в крови млекопитающих 16 видов, различающихся по видовой продолжительности жизни. Данные о содержании этих веществ были приведены в двух различных энциклопедических биохимических справочниках (разумеется, без указания зависимостей от продолжительности жизни).