Теория катастроф ошибок старения

Содержание компаса

• Организменный уровень интеграции.
• Теория изнашивания
• Теория катастрофы ошибок
• Теория стрессового повреждения
• Теория аутоинтоксикации
• Эволюционная теория Уильямса
• Старение как спонтанная потеря и изменение информации
• В заключение
• Похожие компасы

Теории старения на организменном уровне интеграции

Компас посвящен теориям, которые рассматривают процесс старения на уровне целостного организма

Организменный уровень интеграции.

Жизни как природному явлению присуща своя иерархия уровней организации, определенная упорядоченность, соподчиненность этих уровней. Открытие клетки как элемента живых структур и представление о системности, цельности этих структур стали основой последующего построения иерархии живого.

Концепция структурных уровней живого включает представление об иерархической соподчиненности структурных уровней, системности и органической целостности живых организмов. В соответствии с этой концепцией структурные уровни различаются не только сложностью, но и закономерностями функционирования. Вследствие иерархической соподчиненности каждый из уровней организации живой материи должен изучаться с учетом характера ниже и вышестоящего уровней в их функциональном взаимодействии.

Система совместно функционирующих органов образует организм. В отличие от нижележащих уровней на организменном уровне проявляется большое разнообразие живых систем.Растения (хламидомонада, хлорелла) и животные (амеба, инфузория и т. д.), тела которых состоят из одной клетки, представляют собой самостоятельный организм). А отдельная особь многоклеточных организмов считается как отдельный организм. В каждом отдельном организме происходят все жизненные процессы, характерные для всех живых организмов, — питание, дыхание, обмен веществ, раздражимость, размножение и т. д. Каждый самостоятельный организм оставляет после себя потомство. У многоклеточных организмов клетки, ткани, органы и системы органов не являются отдельным организмом. Только целостная система органов, специализированно выполняющих различные функции, образует отдельный самостоятельный организм. Развитие организма, начиная с оплодотворения и до конца жизни, занимает определенный промежуток времени. Такое индивидуальное развитие каждого организма называется онтогенезом. Организм может существовать только в тесной взаимосвязи с окружающей средой. Организменный уровень именуют также онтогенетическим.

Теория изнашивания

История теорий изнашивания началась с работ Маупаса (C.Maupas) (1888) и Гертвига (R.Hertwig) (1914), которые считали, что «организм изнашивается как машина». Современные ученые пытаются заглянуть глубже.
Полагают, что прекращение жизнедеятельности происходит исключительно потому, что структурные компоненты, особенно те из них, которые не обновляются, приходят в негодность. Организм — это механизм, а все механизмы ухудшаются и портятся вследствие самой деятельности. Теории изнашивания не только в принципе объясняют старение организма ухудшением функционирования тех или иных систем, но и практически пытаются выявить конкретные структуры, которые <ломаются> в первую очередь. Особое внимание обращается на изнашивание коллоидных структур (гистерезис). Считается, что с возрастом в молекулах коллагена нарастают межмолекулярные водородные и другие, более <рыхлые>, связи, что приводит к уменьшению свободной энергии молекул и приближению всей коллоидной системы к наиболее вероятному термодинамическому состоянию. Обращалось внимание и на генетический материал. Ряд ученых полагает, что длительное пребывание ДНК в клетках организма, не сопровождаемое ее делением, приводит к утрате активности отдельных участков, нарушению репродукции РНК и белков в стареющих клетках. Широкое распространение имеет теория иммунологического старения организма, базирующаяся еще на идеях И.И. Мечникова. Предполагается, что у организма данного вида подавлена возможность синтеза антител на свои белки. С возрастом происходит ослабление этого <репрессирования>, и антитела начинают постепенно разрушать клетки собственного организма.

Исходя из теорий изнашивания, с целью увеличения продолжительности жизни нужно проявлять максимальную заботу о своем организме при его эксплуатации, и, в принципе, эксплуатировать его как можно меньше и реже.
Известным сторонником этой точки зрения был Ганс Селье, знаменитый канадский физиолог, основоположник учения о стрессе, который считал, что адаптационные ресурсы организма строго детерминированы, они только тратятся и не восстанавливаются.

Вывод: живые системы стареют под влиянием интенсивных жизненных процессов, а старение ускоряется или замедляется по законам физики в зависимости от динамики процессов на уровне клетки, тканей, целого организма. Сторонники теорий изнашивания доказывали, что все индивиды в популяции имеют приблизительно одинаковую продолжительность жизни, но ее фактическая граница определяется темпом изнашивания, при этом продолжительность жизни зависит от средней величины израсходованной энергии на килограмм веса индивида.

Автором современного вида теории изнашивания считается Захер (Sacher), который в 1966 году опубликовал статью по этому вопросу. Сейчас данная теория имеет лишь историческое значение.

Теория катастрофы ошибок

В соответствии с вышеизложенным в 1963 Л. Оргелем (L.Orgel) была сформулирована теория ошибок, которую он описал в статье «Поддержание правильного синтеза белка и связь с процессом старения». Она основывается на предположении, что основной причиной старения является накопление с возрастом генетических повреждений в результате мутаций, которые могут быть как случайными (спонтанными), так и вызванными различными повреждающими факторами (ионизирующая радиация, стрессы, ультрафиолетовые лучи, вирусы, накопление в организме побочных продуктов химических реакций и другие).
Гены, таким образом, могут просто терять способность правильно
регулировать те или иные активности в связи с накоплением повреждений ДНК. 
В то же время существует специальная система репарации, обеспечивающая относительную прочность структуры ДНК и надежность всистеме передачи наследственной информации. В опытах на нескольких видах животных показана связь между активностью систем репарации ДНК и продолжительностью жизни. Предполагается ее возрастное ослабление при старении. Роль репарации отчетливо выступает во многих случаях преждевременного старения и резкого укорочения длительности жизни. Это относится, прежде всего, к наследственным болезням репарации (прогерии, синдром Тернера, некоторые формы болезни Дауна и другие). В то же время имеются новые данные о многочисленных репарациях ДНК, которые используются как аргумент против гипотез ошибок. В статье под названием <Наука отрицает старость> французский исследователь Р. Россьон (1995) полагает, что в свете этих фактов теория накопления ошибок в нуклеотидных последовательностях. требует пересмотра. Все же репарация, видимо, не приводит к 100% исправлению повреждений.

В нашей стране эту теорию поддерживал профессор Ж. Медведев, президент международного общества геронтологов. Жорес Медведев — известный российский и британский биохимик, геронтолог и историк, — опубликовал более 15 книг по проблемам биохимии и биологии, а также по истории науки и истории СССР, среди них книги о ядерной катастрофе 1957 года на Урале и об аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году. Его труды переводились на разные языки и издавались во многих странах Европы и в Японии. Он придерживается идеи, что старение это процесс накопления ошибок в процессах транскрипции и трансляции и возникновении ферментов с дефектным функционированием. При этом механизмы репарации не могут справится со все возрастающим количеством дефектов.

Частично эта теория пересекается со свободнорадикальной теорией, т.к. большая часть повреждений ДНК происходит именно в результате действия активных форм кислорода. А также с теорией гликозилирования белков, т.к. именно таким способом могут повреждаться феременты, осуществляющие биологические процессы. Другими словами, теория накопления ошибок является неким обобщением различных теорий на уровне целого организма.

Теория стрессового повреждения

Сутью этой теории является то, что старение- это результат стресса. Автором ее является великий канадский физиолог и эндокринолог Ганс Селье, которого мы упоминали выше. В 1970 году он опубликовал статью «Стресс и старение».
 На основе клинических и экспериментальных исследований инфекционных болезней выдвинул гипотезу общего адаптационного синдрома, согласно которой болезнетворный фактор запускает выработанные в процессе эволюции механизмы адаптации к раздражителю. Позже эта гипотеза была конкретезирована применительно к человеческому организму, что что дало основание для выработки и развития понятия «психологический стресс». Селье не считал что сам по себе стресс вреден, он рассматривал его как реакцию, помогающую человеку выжить.
 Как писал сам Селье: <я впервые «наткнулся» на идею стресса и общего адаптационного синдрома в 1925 году>. Каждую составляющую своего определения Селье пояснил так: Общий — потому что к стрессу приводят факторы, которые, воздействуя на разные области организма, в итоге способны вызвать общую системную защиту; Адаптационный — потому что это явление как бы закрепляется, приобретает характер привычки; Синдром — потому что его отдельные проявления частично взаимозависимы. (Дербенёва Л. М. — 1999 г.). Позже (в1931-1932 г.) он назвал стресс неспецифической реакцией организма на любые раздражители. Представление о стрессе касается всех людей, больных и здоровых, преуспевающих и неудачливых, и всех сторон жизни. <Удалось показать, что стресс представляет собой скорость изнашивания человеческого организма, сопровождает любую жизнедеятельность и соответствует в определённом смысле интенсивности жизни. Он увеличивается при нервном напряжении, телесных повреждениях, инфекциях, мышечной работе или любой другой напряженной деятельности и связан с неспецифическим защитным механизмом, увеличивающим сопротивляемость к стрессовым факторам, или «стрессорам». Важной частью этого защитного механизма является повышенное выделение гипофизом так называемого адренокортикотропного гормона (АКТГ), который, в свою очередь, стимулирует выработку кортикоидов корой надпочечников. Весь синдром стресса, или, иначе, общий адаптационный синдром (ОАС), проходит три стадии:

1) «реакция тревоги», во время которой мобилизуются защитные силы; (Невольно возникает вопрос: какая же это защитная реакция организма, если нарушено столько его важнейших функций, причем на глубинном биохимическом уровне? Однако поверьте: это именно защитная реакция, и никакая другая! И ее биологический смысл вот в чем: организм в кратчайшие сроки должен получить дополнительную, «аварийную» энергию для того, чтобы максимально обеспечить условия для быстрого спасения от грозящей беды или даже гибели. Да, для организма это, безусловно, реакция энергозатратная — что для него в перспективе, конечно, плохо, — но иного выхода в данный момент нет. Ведь речь идет о спасении в целом.).

2) «стадия устойчивости» отражающая полную адаптацию к стрессору; (Крайне важно и то, что на этой стадии общие энергозатраты организма становятся меньше, чем на первой стадии: организм частично уже приспособился жить под давлением стрессирующего фактора — как бы отследил его. И тем не менее: Если стрессирующий фактор действует сильно и длительно, то постепенно развивается следующая, третья стадия).

3) «стадия истощения», которая неумолимо наступает, если стрессор оказывается достаточно силён и действует достаточно долгое время, поскольку «адаптационная энергия», или приспособляемость живого вещества всегда конечна>. (цит. по С.71-72 Селье Г. — 1987 г.). (И вот результат: устойчивость организма к внешним воздействиям резко снижается. То есть база для возможного развития патологии на клиническом уровне уже создана).

По мере формирования устойчивой адаптации нарушения гомеостаза, составляющие стимул стресс-симптома постепенно исчезают, как и сам стресс-симптом, сыграв свою важную роль в становлении адаптации. Это состояние между стрессом (агрессией) и адаптацией служит доказательством того, что стресс сложился в процессе эволюции как необходимое неспецифическое звено более сложного целостного механизма адаптации. Полная свобода от стресса, как считал Селье, означала бы смерть. В 1982 году Селье определил стресс как совокупность стереотипных филогенетических запрограммированных реакций организма, которые вызываются любыми сильными, сверхсильными, экстремальными воздействиями и сопровождаются перестройкой адаптивных сил организма. (Никонов В. В. — 2002 г.).

По признанию самого Г. Селье — он заимствовал у И. П. Павлова очень многое. То, что Павлов трактовал с точки зрения нервной системы, он перевел на язык и термины гуморальной (эндокринной) системы. Заслуга Павлова — в восприятии организма как целого, в объяснении того, каким образом это целое непрерывно адаптируется к окружающей среде. Именно эту идею целостности и адаптации он — Селье — почерпнул у Павлова, и именно она стала рычагом всей его экспериментальной работы и самой теории стресса. То, что внешние воздействия приводят только к расходу и исчерпанию адаптационных возможностей, в течение многих лет было убеждением Г. Селье, которое он лаконично формулировал как . Это убеждение основывалось на том, что он использовал преимущественно сильные патогенные воздействия. («Концепции о существовании генетически предопределённого потенциала роста берут начало от А. Вейсмана, который считал, что зигота обладает способностью осуществлять определённое и ограниченное число делений клеток, после чего развивающийся организма обрекается на старение и смерть. Немецкий физиолог и гигиенист Макс Рубнер (М. Rubner) (1854-1932) в связи с представлениями Вейсмана обосновал понятие о генетически предопределённом энергетическом фонде, который у всех видов млекопитающих, за исключением человека почти одинаков. Концепцию Рубнера и вытекающее из неё представление об онтогенезе, как о раскручивании пружины в заведенных часах, и развил <Селье в учении о стрессе и о предопределённом фонде «адаптивной энергии», сравнивая его с банковым вложением, которое можно расходовать, но нельзя увеличивать>. Во всех этих теориях речь идет о постепенном исчерпании некоего исходного потенциала (жизненной субстанции), приводящих живые организмы к состоянию равновесия. Развивая эти представления Ричард Перл пришел к мысли, что старение и смерть — расплата за преимущества какие дают специализация и дифференциация клеток у многоклеточных организмов, в отличие от практически бессмертных одноклеточных этими качествами не обладающими. (цит. по С.15. Аршавский И. А. 1982., С. 95 Аршавский И. А.- 1986 г.).

<Стресс есть неспецифический ответ организма на любое предъявление ему требования. : С точки зрения стрессовой реакции не имеет значения, приятна или неприятна ситуация, с которой мы столкнулись. Имеет значение лишь интенсивность потребности в перестройке или в адаптации.>

Книга Г. Селье «Стресс жизни».

Таким образом, теория стрессового повреждения перекликается с эволюционной теорией (т.к. адаптация приобретена в процессе эволюции и является промежуточным звеном для перехода к другому уровню), теорией изнашивания (т.к. адаптация приводит к изнашиванию организма) и эндокринной и элевационной теориями (т.к. адаптация достигается через каскад гормональных сигналов).

Теория аутоинтоксикации

Великий русский биолог, патолог, физиолог Илья Ильич Мечников говорил о том, что  «… кишечная аутоинтоксикация — главное препятствие в достижении долголетия.» Он полагал, что застой каловых масс в кишечнике ведет к возникновению ряда заболеваний. Однако было доказано, что количество бактерий в испражнениях при запорах уменьшается, а ядовитость их значительно ниже, чем при поносах или при нормальной деятельности кишечника. В настоящее время установлено, что нормальная кишечная флора, обитающая в строго определенных отрезках кишечника, для здорового человека непатогенна. Однако при изменении локализации кишечной флоры или при изменении нормального состояния кишечной стенки могут проявиться вредные влияния ее на организм. Утрачивая свои важные биологические функции вследствие изменения локализации, нормальная кишечная микрофлора может стать источником аутоинтоксикации и аутоинфекции.
Вредное влияние кишечной флоры сказывается в образовании раздражающих продуктов при разложении бактериями белковых веществ, особенно если они поступают в кишечник в избыточном количестве. Помимо Мечникова, теории аутоинтоксикации придерживались Бетц, Сенатор, Бушар, Роже (Betz, Senator, Bouchard, Roger).
Всасывание ядов, образовавшихся в кишечнике, усиливается в результате местного их действия на кишечную стенку. Она при этом становится проницаемой как для токсинов, так и для бактерий, которые вне мест своего постоянного обитания становятся особо патогенными. Так, например, кишечная палочка способна вызвать тяжелое поражение мочевых путей и септицемию. Повышению проницаемости кишечной стенки способствует застой каловых масс в кишечнике. Уплотненные каловые массы могут вызвать и механическое повреждение слизистой оболочки кишки.
Болезни недостаточного питания и авитаминозы, понижая устойчивость организма к инфекции, зачастую приводят к тому, что нормальная флора кишечника становится для него патогенной. Развитие атрофических процессов при этих состояниях, особенно при недостатке в организме витамина А, а также нарушение окислительного дезаминирования при дефиците витамина С и переаминирования при гиповитаминозе В-комплекса благоприятствуют процессам аутоинтоксикации и аутоинфекции.

Действительно, и это подчеркивал еще И.И. Мечников, в микробном «оркестре» толстой кишки у старых лиц часто отсутствует энтерококк, снижается содержание молочнокислых бактерий, появляются гнилостные формы типа клостридий (по мнению Ильи Ильича, в последние годы жизни он сам страдал от продуктов Clostridium butyricum). Сейчас известно, что в нормальном кишечнике взрослого человека обитает около 1014 бактерий. В единицах массы это количество измеряется многими сотнями граммов, обычно превышающими один килограмм. Понятно, что Мечников, а позднее и Давыдовский, не могли совсем не замечать возрастные сдвиги в таком «океане аутофлоры». Кроме того, было издавна известно, что у долгожителей, особенно из высокогорных регионов, потребляющих много молочных и кисломолочных продуктов, таких изменений нет. Все это даже дало повод Мечникову придти к следующему заключению : «Моя относительная долговечность зависит не от семейного предрасположения (мой отец умер на 68-м году, мать на 66-м году, старшая сестра на 65-м, старший брат в 45 лет, второй брат в 50 лет, третий брат на 57-м году). Я никогда не знал моих дедов. То, что я дожил до 70 лет в сравнительно удовлетворительном состоянии, я приписываю своей гигиене : более 18 лет я не ем ничего сырого, по возможности засеваю кишки молочнокислыми бактериями. Когда макробиотика сделается более совершенной, когда хорошая кишечная флора будет засеваться, начиная со времени отнятия детей от груди, то нормальный срок жизни значительно продлится.»
Мечниковская теория «интестинальной аутоинтоксикации» была поддержана в большом количестве зарубежных работ, опубликованных в первой половине 20-го века. Однако Давыдовский был одним из первых, кто подверг её критике. Он считал, что в этой теории центр тяжести переносится только на обменные процессы, создающие геронтогенные токсины. По мнению Ипполита Васильевича, попытки «нормализации» кишечной микрофлоры принесли скромные результаты. Он также полагал, что дисбактериозы толстой кишки даже в сочетании с запорами не препятствуют долголетию. Отсюда делался вывод, что старческие «сдвиги» в микрофлоре толстой кишки являются производными возрастной дисфункции (дискинезии) этой части пищеварительной системы. Кроме того, Давыдовский считал, что взгляды Мечникова предопределили возникновение более поздней «химической теории старости», в которой в качестве основы выдвигались макромолекулярные деформации белков и мукополисахаридов. Здесь нет возможности рассмотреть эту более позднюю концепцию. Важнее подчеркнуть её инициирующую роль в развитии целого ряда современных позиций.

Выраженная интоксикация возникает при условиях:
 — малоподвижный образ жизни
 — питание рафинированной, преимущественно масляной пищей с резкой недостаточностью в ней овощей, зелени и фруктов (клетчатки);
 — нервно-эмоциональные перегрузки, частые стрессы.

Сейчас теория «кишечной аутоинтоксикации» имеет лишь историческое значение, хотя многие ученые связывают с ней возникновение различных заболеваний, например, псориаза. Как говорилось выше, эта теория уступила место интоксикации, вызванной повреждением белков и углеводов.

Эволюционная теория Уильямса

Эволюционная природа старения владела умами ученых с того момента, как Дарвин опубликовал свои изыскания. Эта теория зародилась когда Рассел Уоллес(Russell Wallace), знаменитый эволюционист, работавший с Дарвином, выдвинул идею о том, что долголетие, превышающее возраст потомства невыгодно для видов. Дети и родители конкурируют за ресурсы. Это может свидетельствовать в пользу идеи о генетически программируемом старении. Дополнительным аргументом является программируемое кортикостероид-опосредованное саморазрушение лосося после нереста. Но как заметил биолог Герман Медавар (Herman Medawar), если бы не было старения, то не было бы необходимости в размножении.

В 1950-х гг. Дж. Уильямс из Университета штата Нью-йорк в Стони-Брук предположил, что аллели, которые в каком-то возрасте действуют разрушительно, могут сохраняться, если они в чем-то улучшают приспособленность организма в более ранний период его жизни; эта двойственность называется антагонистической плейотропией. Такую переменную роль вполне могут играть гены, определяющие синтез репродуктивных гормонов.
Как полагает С. Остад (Ostad) из Гарвардского университета, примером этого является увеличение с возрастом заболеваемости раком молочной железы : длительное существование в женском организме определенного уровня эстрогенов, необходимого для процесса оплодотворения, предрасполагает ткань молочной железы к злокачественному перерождению (статья).
Аналогично, К. Финч (Finch) из Университета Южной Калифорнии обнаружил, что некоторые нормальные гормоны и другие регуляторные вещества способны причинять вред клеткам и тканям, на которые они влияют. Так, у грызунов гипоталамус и гипофиз, которые управляют функционированием яичников, вносят, по-видимому, вклад и в их старение. В свою очередь яичники, посылающие сигналы в гипоталамус и гипофиз, способствуют, судя по всему, старению этих органов. Финч рассматривает эти плейотропные свойства как свидетельство того, что старение в некоторой степени проистекает из активности и взаимодействия нервной и эндокринной систем. (статья)

Эволюционная теория Ульямса пересекается с эндокринной и элевационной теориями, т.к. придает важную роль дисрегуляции гипоталамо-гипофизарной системе.

Можно предположить, что старение возникает в популяции в том случае, когда находящиеся под генетическим контролем системы обеспечения жизнедеятельности достаточно эффективны для того, чтобы особи успевали размножаться и тем самым продолжалось существование популяции, но не способны вечно поддерживать существование отдельного организма.

Открытие системы апоптоза дало новый импульс идее о том, что старение это средство поддержания прогрессивной эволюции популяции.

(Материал с сайта www.humbio.ru)

Теория Уильямса является главной эволюционной теорией на сегодняшний день. Подробнее о современных исследованиях в этой области можно прочитать в компасе «Эволюция старения».

Старение как спонтанная потеря и изменение информации

Суть этой теории сводится к тому,что старение проиходит из-за постоянных изменений информации в организме (системе), например, генетической информации в виде ДНК, и потерь информации в ходе этих изменений.

Существуют еще минимум два механизма старения, вносящие свой вклад в старение целостного организма.
Это, во-первых, изменение при старении обмена веществ (а также энергии и информации) с внешней средой и, во-вторых, повышение степени разнообразия для самых разных структурных элементов и связей в организме — «разрегулирование» целостной системы организма.

Оба механизма являются конкретизацией процесса спонтанной утраты информации в системе, за которым следует ее материальная и энергетическая деградация. Действительно, положим, что некоторая система (организм) получает извне поток вещества (Р1), энергии (W1) и информации (I1). Сохранение самое себя системой означает поддерживание постоянства материальной структуры системы (p2), энергетических потоков и взаимосвязей (w2) и тождества во времени информации о себе (i2); заметим также, что, так как организм только часть большего его некоторого целого — биосферы, например, то (P1, W1, I1) >>> (p2, w2, i2).

Кроме того, сохранение системы во времени означает тождество суммарных потоков, поступающих из внешней среды, выводящейся из системы и сохраняющегося динамически потока внутри системы. Не трудно видеть, что центральным при таком рассмотрении оказывается процесс сохранения информации в системе, т.к. вещественная и энергетическая организация являются только «материальными носителями» этой информации и, фактически, следуют качественно и количественно за изменением информации, которая выступает как регулирующий, управляющий и (само)-организующий фактор.

В общем виде информация в системе может изменяться благодаря следующим процессам:
 — поступлению информации (и энтропии) извне (например, «ремонт» силами извне или эволюционное давление при формировании новых признаков и т.п.);
 — появление новой информации (и энтропии) внутри системы за счет взаимодействия в ней вещества и энергии в ходе сложнейших взаимопревращений и взаимосвязей (метаболизм, рост и развитие, механизмы саморегуляции и самоорганизации и т.п.);
 — изменение и потеря информации в системе (развертывание программ роста и развития; «мутации» материальных носителей информации — ДНК, белков и иерархически других структурных уровней материальных носителей информации; спонтанный распад информации — производство энтропии и т.п.).
Учитывая, что нами поставлена задача рассмотреть возможность сохранения уже полностью сформировавшейся системы (организм после достижения взрослого состояния), нас будет интересовать только возможность сохранения уже имеющейся информации, т.е., вновь производимая информация должна быть идентична имеющейся и компенсировать потерю информации в ходе случайных «мутаций» ее.

Процесс утраты информации аналогичен ее изменению — «мутациям», причем он носит вероятностный характер и, по существу, сводится или к ошибкам в ходе процесса воспроизводства информации в ходе самокопирования материальных носителей информации, или к спотанному вероятностному «мутированию» невоспроизводящейся информации (например, повреждения свободными радикалами неделящейся ДНК и т.п.). Заметим, что во многих случаях «мутировавшая» информация способна к воспроизводству (например, большинство мутаций клеток не приводят к прекращению их деления) и часто сохраняется возможность функционирования воспроизводящихся на ее основе структур, которые, таким образом, вступают в конкуренцию с имеющимися ранее структурами организма.

Исходя из выше сказанного, можно свести главные процессы воспроизводства и изменения информации (и ее материально-энергетических носителей) в организме к следующим уравнениям. Для точного воспроизведения информации (I) используется механизм самокопирования, который сопровождается ошибками с воспроизведением измененной (Im) и некоторой необратимой потерей информации (анаболизм, распад и полная деградация структур с выведением вещества и энергии их из организма и рассеиванием их информации): dI/dt = k1 I — k2 Im — k3 I

Соответственно, «мутировавшая» информация может также воспроизводиться сама, пополняться за счет мутаций неизменившейся информации и рассеиваться (обратная мутация в исходную форму крайне мало вероятна и очень мала): dIm/dt = k4 Im + k2 Im — k5 Im

Для того, чтобы учесть требуемое сохранение постоянства вещества, энергии и информации после прекращения развития у взрослого организма, введем в формулы ограничение количества информации (I+Im=const), получив известную из кибернетики формулу самовоспроизводящейся системы с обратными положительными и отрицательными связями: dI/dt = k1 I / k4 (I + Im) — k2 Im — k3 I; dIm/dt = k5 Im / k4 (I + Im) + k2 Im — k6Im

Численная модель рассеивания начальной информации в стабилизировавшейся системе представлена на рисунке ниже.

При анализе модели учтено, что мутировавшие клетки обычно менее жизнеспособны и, кроме того, подвергаются иммунному надзору и гибнут поэтому быстрее, а также по тем же причинам с меньшей скоростью самообновляются. Соответственно коэффициенты для модели подобраны в случае графика: k1=0,3, k5=0,2, k4=0,1, k2=0,03, k3=0,05, k6=0,07.

На модели можно видеть, что со временем соотношение мутантных и неизмененных единиц информации стабилизируется, но в течение некоторого периода будет иметь место нарастание числа мутаци, что будет вести к нарастанию смертности. Вид кривой смертности, однако, не экспоненциальный, а линейный, а логарифм смертности — выпуклый, что значительно отличается от реальной картины. Это не удивительно, так как время установления равновесия I и Im невелико — фактически, например, время клеточного деления для клеток слизистой и кожи — дни и часы, поэтому на фоне многих лет жизни напрямую этот механизм вряд ли вносит существенный вклад в процесс старения. Накопление мутаций скорее отражает другие процессы — резкое (регуляторное) снижение скорости клеточного самообновления и снижение эффективности иммунного надзора с возрастом. Мутации важны и в случае повышения с возрастом риска возникновения опухолей, что вносит значительный вклад в причины смертности для млекопитающих вообще и человека в особенности.
На рисунке спонтанное рассеивание информации в сложных обновляющихся и мутирующих системах. По вертикали — значения параметров в условных единицах, по горизонтали — время в условных единицах.
I — количество начальной информации, Im — количество измененной информации, M — смертность, LgM — логарифм смертности. Коэффициенты подобраны для удоства отображения графика.

Так как мутации возможны самые разнообразные, то фактически за счет этого же механизма мы имеем и второе характерное для старения следствие: увеличение разнообразия исходно однородных структур. Увеличение разнообразия структур — появление большого количества «чужой» информации перегружает системы организма, ответственные за распознавание и удаление ее, причем, т.к. фактически, новые структуры лишь немного отличаются от старых и сохраняют во многих случаях практически на прежнем уровне функциональную способность и, соответственно, реальную ценность для организма, то чрезмерная реакция против «чужого» даже вредна.

Это известно на примере повышения уровня аутоантител против собственных структур организма с возрастом (результат реакции иммунной системы на «изменившееся свое») и снижении длительности жизни при слишком высоких уровнях таких антител. Фактически, организм со временем выходит на разумный баланс между аутоиммунным саморазрушением и неконтролируемым, в том числе опухолевым, ростом и разнообразием, причем оба процесса в конечном счете разрушительны.

Кроме того, так как информация контролирует потоки вещества и энергии, входящие в систему и выходящие из нее, то изменение баланса I/Im фактически означает снижение возможности отбора «нужной» вещественной и энергетической основы для строительства своей структуры и снижение распознавания и вывода «чужого» вещества и энергии — то-есть, отражает известный механизм старения — «накопления шлаков»: ( d(I/Im)/dt = d(p2,w2/P1,W1)/dt ).

Полные математические выкладки для иллюстрации выше сказанного достаточно трудоемки, однако, не трудно видеть, что в общем виде оба процесса старения, как впрочем и уже описанные выше, это только частные проявления процесса нарастания энтропии, рассматриваемые с различных «точек зрения» — с точки зрения различных свойств живого вещества, живых систем. Действительно, и спонтанная потеря жизнеспособности в целом, и регуляторное снижение самообновления, и снижение структурной однородности и «загрязнение» организма не выведшимися и отложившимися «балластом» веществами — все это в глобальном плане есть отражение действия единственной причины — дискретности организма, действия законов термодинамики на частично открытую систему, не способную, после окончания развития, к эффективной дальнейшей эволюции. Авторы теории считают, что старение не есть «выработавшийся в эволюции феномен», нужной для исключения неэффективных форм жизни и смены новыми, старение отражает более глобальные закономерности Бытия вообще.

Использован материал с сайта www.longevity-library.narod.ru

Но некоторые ученые, занимающиеся исследованиями в рамках этой теории, например, Хамалайнен (Hamalainen) из Queen’s University, Kingston, считают, что можно отказаться от роли эволюции в старении.  В своей статье «Термодинамика и информация в процессе старения» он пишет, что эти основополагающие принципы биологии в отношении старения остаются спорными. Если брать во внимание термодинамику и информацию в эволюционном аспекте, то они приводят к старению, как уже говорилось выше. Жизнь использует хранение информации для того,чтобы не находится в термодинамическом равновесиию. Т.к. любой процесс не может проходить со 100%-ной эффективностью, то силы отбора должны поддерживать «информационную жизнеспособность». Естественный отбор действует на уровне популяций, организм в отдельности не может осуществить аналогичный селективный процесс. Автор признает, что в этой теории старения есть еще много неясного, прежде всего спорная (по мнению многих ученых) роль эволюции.

В заключение

Теории старения, рассматривающие процесс на организменном уровне, это некие обобщения теорий на нижележащих уровнях организации. Они тесно переплетены между собой, хотя некоторые из них в настоящее время представляют собой чисто исторический интерес, но на их основе выросли современные теории старения…

18 ноября 2008 года

From Wikipedia, the free encyclopedia

Error catastrophe refers to the cumulative loss of genetic information in a lineage of organisms due to high mutation rates. The mutation rate above which error catastrophe occurs is called the error threshold. Both terms were coined by Manfred Eigen in his mathematical evolutionary theory of the quasispecies.^[1]

The term is most widely used to refer to mutation accumulation to the point of inviability of the organism or virus, where it cannot produce enough viable offspring to maintain a population. This use of Eigen’s term was adopted by Lawrence Loeb and colleagues to describe the strategy of lethal mutagenesis to cure HIV by using mutagenic ribonucleoside analogs.^[2][3]

There was an earlier use of the term introduced in 1963 by Leslie Orgel in a theory for cellular aging, in which errors in the translation of proteins involved in protein translation would amplify the errors until the cell was inviable.^[4] This theory has not received empirical support.^[5]

Error catastrophe is predicted in certain mathematical models of evolution and has also been observed empirically.^[6]

Like every organism, viruses ‘make mistakes’ (or mutate) during replication. The resulting mutations increase biodiversity among the population and help subvert the ability of a host’s immune system to recognise it in a subsequent infection. The more mutations the virus makes during replication, the more likely it is to avoid recognition by the immune system and the more diverse its population will be (see the article on biodiversity for an explanation of the selective advantages of this). However, if it makes too many mutations, it may lose some of its biological features which have evolved to its advantage, including its ability to reproduce at all.

The question arises: how many mutations can be made during each replication before the population of viruses begins to lose self-identity?

Basic mathematical model[edit]

Consider a virus which has a genetic identity modeled by a string of ones and zeros (e.g. 11010001011101….). Suppose that the string has fixed length L and that during replication the virus copies each digit one by one, making a mistake with probability q independently of all other digits.

Due to the mutations resulting from erroneous replication, there exist up to 2^L distinct strains derived from the parent virus. Let x_i denote the concentration of strain i; let a_i denote the rate at which strain i reproduces; and let Q_ij denote the probability of a virus of strain i mutating to strain j.

Then the rate of change of concentration x_j is given by

At this point, we make a mathematical idealisation: we pick the fittest strain (the one with the greatest reproduction rate a_j) and assume that it is unique (i.e. that the chosen a_j satisfies a_j > a_i for all i); and we then group the remaining strains into a single group. Let the concentrations of the two groups be x , y with reproduction rates a>b, respectively; let Q be the probability of a virus in the first group (x) mutating to a member of the second group (y) and let R be the probability of a member of the second group returning to the first (via an unlikely and very specific mutation). The equations governing the development of the populations are:

We are particularly interested in the case where L is very large, so we may safely neglect R and instead consider:

Then setting z = x/y we have

.

Assuming z achieves a steady concentration over time, z settles down to satisfy

(which is deduced by setting the derivative of z with respect to time to zero).

So the important question is under what parameter values does the original population persist (continue to exist)? The population persists if and only if the steady state value of z is strictly positive. i.e. if and only if:

This result is more popularly expressed in terms of the ratio of a:b and the error rate q of individual digits: set b/a = (1-s), then the condition becomes

Taking a logarithm on both sides and approximating for small q and s one gets

reducing the condition to:

RNA viruses which replicate close to the error threshold have a genome size of order 10⁴ (10000) base pairs. Human DNA is about 3.3 billion (10⁹) base units long. This means that the replication mechanism for human DNA must be orders of magnitude more accurate than for the RNA of RNA viruses.

Information-theory based presentation[edit]

To avoid error catastrophe, the amount of information lost through mutation must be less than the amount gained through natural selection. This fact can be used to arrive at essentially the same equations as the more common differential presentation.^[7]

The information lost can be quantified as the genome length L times the replication error rate q. The probability of survival, S, determines the amount of information contributed by natural selection— and information is the negative log of probability. Therefore, a genome can only survive unchanged when

For example, the very simple genome where L = 1 and q = 1 is a genome with one bit which always mutates. Since Lq is then 1, it follows that S has to be ½ or less. This corresponds to half the offspring surviving; namely the half with the correct genome.

Applications[edit]

Some viruses such as polio or hepatitis C operate very close to the critical mutation rate (i.e. the largest q that L will allow). Drugs have been created to increase the mutation rate of the viruses in order to push them over the critical boundary so that they lose self-identity. However, given the criticism of the basic assumption of the mathematical model, this approach is problematic.^[8]

The result introduces a Catch-22 mystery for biologists, Eigen’s paradox: in general, large genomes are required for accurate replication (high replication rates are achieved by the help of enzymes), but a large genome requires a high accuracy rate q to persist. Which comes first and how does it happen? An illustration of the difficulty involved is L can only be 100 if q’ is 0.99 — a very small string length in terms of genes.^{[citation needed]}

See also[edit]

• Error threshold
• Extinction vortex
• Mutational meltdown

References[edit]

External links[edit]

• Error catastrophe and antiviral strategy
• Examining the theory of error catastrophe

 Бурное развитие биологии в XIX и XX веках затронуло и биогеронтологию. На смену гигиеническим и диетическим рекомендациям и цитированию античных авторов пришли смелые гипотезы и научные эксперименты. Каждое успешное направление в биологии «примерялось» к проблеме старения и долголетия. Выдающиеся эволюционисты, микробиологи, биохимики, эмбриологи предлагали собственные теории старения, опираясь на имеющийся опыт из своих научных дисциплин.
Формулирование законов демографического старения английским актуарием Бенджамином Гомперцом (1799—1865) и математиком Уильямом Мэтью Мейкхемом (1823-1891) позволило достоверно обобщать демографические данные и положило начало широкому применению математических методов для описания процесса старения.
Открытие Чарльзом Дарвином (1809-1882) и Альфредом Расселом Уоллесом (1823–1913) законов биологической эволюции привлекло к идее естественного отбора огромное внимание. В 1881 году известный немецкий зоолог и эволюционист Август Вейсман (1834-1914) в труде «Очерки о наследственности» предложил первую эволюционную теорию старения.
http://www.esp.org/books/weismann/essays/facsimile/contents.htm
Смерть от старения у многоклеточных он объяснял естественным отбором, способствующим удалению старых индивидуумов, утративших ценность для популяции. Согласно Вейсману, возрастзависимая гибель высвобождает место и ресурсы для новых поколений. Злые языки поговаривают, что созданию данной теории способствовала раздражавшая его система найма профессоров в немецкие университеты, когда новый кандидат должен был дожидаться смерти старого профессора. Механизм старения Вейсман видел в ограниченности способности к делениям соматических клеток многоклеточных живых существ, в отличие от потенциально бессмертных половых клеток. В книге 1892 года «Над жизнью и смертью» он постулировал, «что продолжительность жизни связана с количеством генераций соматических клеток, которые следуют одна за другой в течение жизни индивидуума, и что это количество … уже детерминировано в эмбриональной клетке», здесь он имеет в виду зиготу.
Эволюционная идея Вейсмана получила развитие в концепции феноптоза, выдвинутой в 90-ых годах ХХ века академиком В. П. Скулачевым. Она предполагает специальную генетическую программу суицида целого организма. Основным механизмом феноптоза постулируется апоптоз (программируемая гибель клетки), в свою очередь, запускаемый митоптозом – самоликвидацией митохондрий. Эволюционным механизмом такого суицида может быть родственный отбор (когда организмы стареют и гибнут для пользы родственников), либо групповой отбор (гибель для пользы организмов, не связанных родственными узами). Теоретически, старение может обусловливать стабилизацию численности популяции при перенаселении, усиление генетического разнообразия, укорочение эффективного цикла генерации и ускорение адаптации. Аргументы в пользу данной теории – это существование нескольких быстро стареющих видов (тихоокеанский лосось, бамбук) и наличие программы апоптоза у одноклеточных (дрожжей).
Тем не менее эволюционные взгляды Вейсмана о запрограммированности старения не получили широкой поддержки. В 1929 году в книге «Естественный отбор, наследственность и евгеника» эволюционный биолог сэр Рональд Эйлмер Фишер (1890-1962) выдвинул в качестве главной причины возникновения старения снижение силы отбора с возрастом.
Если вредные мутации, проявляющиеся в молодости, встречают жесткое сопротивление отбора из-за отрицательного вклада в приспособленность (носители таких мутаций реже оставляют потомство), то аналогичные мутации, проявляющиеся поздно, относительно нейтральны, поскольку их носители уже передали гены будущему поколению. Питер Медавар (1915-1987), основываясь на данном предположении, в своих книгах «Старость и естественная смерть» (1946) и «Нерешенная проблема биологии» (1952) предложил теорию «накопления мутаций». Ее смысл заключается в следующем: поскольку гены с вредными эффектами, проявляющимися на поздних стадиях онтогенеза, практически не встречают сопротивления естественного отбора, то такие мутации накапливаются и обусловливают старение.
Американский эволюционист Джордж Кристофер Вильямс (1926-2010) в 1957 году предположил, что аллели, способствующие увеличению выживаемости или репродукции на ранних этапах жизненного цикла, но при этом снижающие их на поздних этапах, могут накапливаться в популяциях, поскольку благоприятные эффекты, проявляющиеся в раннем возрасте, перевешивают поздний ущерб. Эта теория старения получила название «антагонистическая плейотропия».
Предложенная в 1977 году Томом Кирквудом теория «отработанной сомы» (disposable soma) – особый случай антагонистической плейотропии. В ней постулируется существование генов, которые контролируют перераспределение энергетических ресурсов от поддержания функций тела к функции воспроизводства потомства. Согласно этой теории, репарация соматических повреждений, требующая затрат энергии, конкурирует за потребности в энергии с репродукцией. С эволюционной точки зрения бесполезно расходовать слишком много энергии на поддержание сомы, если в результате постоянного давления на популяцию неблагоприятных условий среды шансы прожить долго невелики. В такой ситуации более адекватным решением является быстрое размножение, чтобы успеть оставить потомство до своей гибели. Когда жизненные условия вида улучшаются (например, осуществляется выход в новую экологическую нишу, заселение новых местообитаний), и соответственно возрастает шанс более длительного существования, полезно будет переключить баланс в пользу поддержания жизнеспособности, поскольку в таком случае репродуктивная жизнь увеличится.
В 1903 году на французском языке выходит в свет книга Ильи Ильича Мечникова (1845-1916) «Этюды о природе человека», в которой был впервые введен термин «геронтология» и заложены ее основы как научной дисциплины о биологии старения. Как профессиональный зоолог, Мечников считал необходимым изучать долговечность человека на модели долгоживущих животных (кошках, собаках, попугаях, черепахах), то есть осуществлять эволюционный анализ онтогенеза. В книге «Этюды оптимизма» он пишет о необходимости исследований старения как главной причины возрастных патологий: «Болезнь — это не более как эпизод. Недостаточно заниматься одним только выдумыванием способов лечения; нужно взяться за изучение общего вопроса о судьбе человеческой: почему человек неуклонно стареет и в конце концов умирает, когда в нем еще так велико желание жить?».
http://www.4tivo.com/chelovek_health_sport/17863-i.i.-mechnikov.-jetjudy-optimizma..html
Являясь выдающимся микробиологом, Мечников обосновал собственную теорию старения – аутоинтоксикацию, то есть самоотравление организма гнилостными бактериями, паразитирующими в толстом кишечнике. В поисках противоядия он побывал в Болгарии, в местечке, славящимся большим числом столетних долгожителей. Он узнал, что здесь питаются главным образом кислым молоком. Он изучил бактерию, окисляющую молоко и создал болгарскую палочку, ставшую основой современных йогуртов. «Этот микроб с помощью вырабатываемой им молочной кислоты изгоняет диких ядовитых бактерий из нашего кишечника», — считал Мечников. Это предположение так и не получило серьезного научного подтверждения. Несмотря на регулярное употребление созданного им продукта, Илья Ильич прожил лишь 71 год.
Немецкий физиолог Макс Рубнер (1854—1932) в 1908 году сформулировал «энергетическое правило поверхности». Согласно его идее природа предоставила всем млекопитающим одинаковое количество энергии – 200 килокалорий на грамм массы тела. Поскольку животные малых размеров расходуют энергию неэкономно (у них гораздо больше поверхности приходится на единицу массы и идут большие теплопотери), то они исчерпывают свой энергетический фонд и умирают быстрее: мышь живет 2.5 года, белка – 12, собака — 20 лет, лошадь — 57, слон — 65 лет. Несмотря на общепризнанность правила Рубнера, из него существует немало исключений, например человек (122), дикобраз (28), летучие мыши (40) и голый землекоп (30). Суммарная затрата энергии у человека очень высокая, а продолжительность жизни в четыре раза больше, чем должна бы быть при таком обмене согласно «энергетическому правилу поверхности».
Идеи Рубнера подхватил в 20-х годах XX века американский биолог Раймонд Пирл (1879–1940). Он сформулировал теорию «интенсивности жизнедеятельности» (rate-of-living), основывающуюся на прямой корреляции между размером тела и продолжительностью жизни, и обратной – между продолжительностью жизни и темпом метаболизма. Для Пирла был неясен точный механизм, связывающий метаболизм и старение. Он предполагал, что некие клеточные элементы расходуются пропорционально общему темпу метаболизма. Когда эти неизвестные жизненные элементы истощаются, наступает гибель.
Механизм, который мог бы лежать в основе теории интенсивности жизнедеятельности, предложил в 1956 году Денхам Харман (родился в 1916 году) . Он сформулировал  «свободнорадикальную теорию» старения. Эта теория в целом соответствовала ранним представлениям, предполагающим корреляцию между темпом метаболизма и продолжительностью жизни. Новизна ее состояла в том, что старение и ассоциированные с ним дегенеративные заболевания возникают благодаря повреждающему действию свободных радикалов на различные компоненты клетки. Концепция Хармана вызывала ожесточенное противодействие, пока Маккорд и Фридович не открыли фермент супероксиддисмутазу. Существование внутриклеточного фермента, очищающего от радикала супероксида, явилось важным свидетельством в пользу того, что клетка постоянно вырабатывает свободные радикалы. Харман предположил, что причиной возникновения старение-индуцирующих свободных радикалов, вероятно, является «взаимодействие дыхательных ферментов, вовлеченных в прямую утилизацию молекулярного кислорода». Большой вклад в исследование проблем свободнорадикального старения и разработку методов его замедления (геропротекторов и антиоксидантов) внес отечественный ученый академик Николай Маркович Эммануэль (1915-1984).
В конце XIX – начале XX века начала оформляться эндокринология, что привело к появлению гормональной теории старения, предполагавшей поначалу основной причиной старения снижение продукции половых гормонов. Экстракты или трансплантаты половых желез животных использовались для омоложения пациентов такими известными врачами как Шарль Эдуар Броун-Секар (1817–1894) и Сергей Абрамович Воронов (1866-1951), однако положительные эффекты были кратковременными. На более современной основе гормональную теорию в 1968 году дополнил Владимир Михайлович Дильман (1925-1994), создав элевационную теорию старения, в которой старение рассматривается как следствие возрастзависимого повышения порога чувствительности к регуляторным гомеостатическим сигналам гипоталамо-гипофизарной системы, регулирующей практически все эндокринные процессы в организме. Дильман считал, что те же регуляторные факторы, которые обеспечивают развитие организма, являются и причиной его старения.
Развитие эмбриологии выдвинуло на первый план концепцию клеточной дифференцировки, частным случаем которой полагал старение американский анатом Чарльз Седжвик Майнот (1852-1914).
Нобелевский лауреат, автор учения о высшей нервной деятельности Иван Петрович Павлов (1849-1936) в 1924 году выдвинул предположение о нейрогенной природе основного механизма старения: нервное перенапряжение и потрясения вызывают преждевременное старение организма. В результате сильного наводнения в Ленинграде лаборатория Павлова была затоплена и у еле спасенных животных развился невроз. Ученый обратил внимание, что собаки начали ускоренно стареть. В дальнейшем его ученица М. К. Петрова на модели искусственных неврозов развила нейрогенную теорию старения, обнаружив у невротизированных собак такие признаки одряхления как похудение, разрушение зубов, выпадение шерсти и образование опухолей. Ученики Павлова показали, что в старости снижаются подвижность, уравновешенность и сила основных физиологических процессов мозга, ослабляется координирование отделов центральной нервной системы. Раньше других страдает процесс внутреннего торможения. Подобные сдвиги являются причиной изменений как в поведении старого человека, так и вегетативных расстройств.
Сходную точку зрения развивал и автор теории стресса Ганс Селье (1907-1982). В своей книге «Стресс жизни» он дал следующее определение: «Старение — итог всех стрессов, которым подвергался организм в течение жизни. Оно соответствует «фазе истощения» общего адаптационного синдрома, который в известном смысле представляет собой свернутую и ускоренную версию нормального старения». Он вносит уточнение в нейрогенную теорию: «Успешная деятельность, какой бы она ни была напряженной, оставляет сравнительно мало рубцов. Она вызывает стресс и почти (или вовсе) не приводит к дистрессу. Наоборот, даже в преклонном возрасте она дает бодрящее ощущение молодости и силы. Работа изматывает человека главным образом удручающими неудачами».
http://www.aquarun.ru/psih/extrem/extrem1.html
Российский врач и основатель теории систем Александр Александрович Богданов (1873-1928) считал, что вследствие высокой вероятности появления нарушений в процессе функционирования сложной системы старение является неизбежным. Оно вызывается спонтанными сбоями деятельности различных органов, которые в свою очередь ослабляют отдельные функциональные системы организма. Наиболее критичным к таким нарушениям является самое слабое звено, которым он считал кровеносную систему, связывающую другие системы организма. Воздействуя на него через переливание крови, можно эффективно замедлить процесс старения.
Ученик А.А. Богданова геронтолог Александр Александрович Богомолец (1881-1946) в 1922 году сформулировал соединительнотканную теорию старения. Он полагал, что старение организма начинается именно с соединительной ткани, своеобразного эластического скелета организма. Все остальные ткани непосредственно соприкасаются с соединительной тканью, которая выполняет не только опорную, но и трофическую роль (доставка воды, питательных веществ и кислорода, отвод продуктов метаболизма). Он утверждал, что «человек имеет возраст своей соединительной ткани». В качестве метода борьбы со старением он предложил активацию функций соединительной ткани путем обработки ее антителами.
Теория Богомольца находит свое развитие в современных исследованиях. В частности, в 1964 году швейцарский физиолог Фриц Верцар установил, что в хвосте старых крыс происходит накопление перекрестных сшивок в молекулах основного соединительнотканного белка  коллагена (составляющего более 30% всех белков организма), что нарушает эластичность и проницаемость ткани. Позднее было показано, что перекрестные сшивки возникают в следствие неферментативного гликирования аминогрупп белков или нуклетотидных оснований нуклеиновых кислот в реакции Майларда. Конечные продукты гликирования (AGEs), взаимодействуя со своими рецепторами (RAGEs) на поверхности клеток, обусловливают воспалительные реакции. В 2005 году американская исследовательница Джуди Кампизи открыла, что стареющие фибробласты (основные клетки соединительной ткани) выделяют в окружающую их ткань нежелательные ростовые факторы и цитокины воспаления, запускающие программу клеточного старения или способствующие бласттрансформации соседних клеток, а также ферменты металлопротеиназы, разрушающие соединительнотканные белки и приводящие к образованию цитотоксических и провоспалительных молекул матрикриптинов. Осмелюсь предположить, что использование антител, распознающих специфические маркеры стареющих фибробластов и убивающих такие клетки, поможет «омолаживать» соединительную ткань, которая проникает во многие другие ткани, обусловливая скорость старения организма в целом. Таким образом, идея А.А. Богомольца, которую невозможно было реализовать на прежнем методическом уровне, может быть востребована в недалеком будущем.
Советский геронтолог Владимир Вениаминович Фролькис (1924–1999) в киевском Институте геронтологии АМН СССР в 1970-ые годы разрабатывал адаптационно-регуляторную гипотезу старения. Он рассматривал старение как внутренне противоречивый процесс, в котором наряду с явлениями деградации, угасания образуются приспособительные механизмы (он их назвал «витаукт», сокращенно от латинского словосочетания «продление жизни»). Живой организм при стрессах возвращает себя к оптимальному, необходимому для его жизнедеятельности состоянию (гомеостазу). Благодаря такой саморегуляции организм всегда находится в динамическом равновесии с окружающей средой (гомеодинамика). Саморегуляцию обеспечивают две отчасти дублирующие друг друга (для большей надежности) системы — нервная и эндокринная. Поскольку эти и другие системы организма стареют неравномерно, изменения в каком-либо одном звене саморегуляции могут компенсироваться посредством активации других звеньев. С годами эта способность к адаптации и компенсации все больше и больше сужается, что приводит к необратимым возрастным изменениям. Дальнейшее развитие представлений о сужении гомеодинамического коридора с возрастом получили в современных работах датского биогеронтолога Суреша Раттана, который дополняет рассмотрение физиологических механизмов адаптации молекулярно-клеточными. Активация процессов антистарения (витаукта) одновременно с процессами старения также нашла свое подтверждение. В работах голландского генетика Хаймейкерса было показано, что при синдромах ускоренного старения, связанных с мутацией гена репарации XPD, происходит компенсаторное подавление IGF-1–соматотропной оси, вызывая метаболический сдвиг в направлении запасания энергии и активацию антиоксидантной защиты. Таким образом, стареющий организм активно противостоит возрастным изменениям, инициируя адаптивный ответ.
Фролькис является также автором генорегуляторной гипотезы старения. Согласно ей первичные возрастные изменения происходят в регуляторных генах как наиболее активных и поэтому наименее защищенных структурах ДНК. Предполагается, что эти гены могут определять темп и последовательность включения и выключения тех генов, от которых зависят возрастные изменения в структуре и функциях клеток. В. В. Фролькис полагал, что генорегуляторные механизмы старения являются основой развития распространенных видов возрастной патологии – атеросклероза, рака, диабета, болезней Паркинсона и Альцгеймера. В зависимости от активации или подавления функций тех или иных генов и будет развиваться тот или иной синдром старения, та или иная патология. Данная гипотеза также нашла свое подтверждение. Как было выяснено в последние годы, в зависимости от типа ткани с возрастом меняет свою активность до 10 % генома. Большая часть из этих генов выключается, меньшая — компенсаторно сверхактивируется. В настоящее время наиболее важными изменениями признаются эпигенетические модификации регуляторных последовательностей генома (промоторов, энхансеров, в том числе тканеспецифических), которые влекут за собой изменения в экспрессии генов.
Как стало известно в последние годы, глобальный эпигенетический сдвиг, приводящий к патологическому изменению активности многих генов, связан с двумя классами возрастзависимых изменений: метилирование цитозина в CpG динуклеотидах и ковалентная модификация ДНК-связанных гистонов, в особенности ацетилирование и метилирование. Наиболее заметным эпигенетическим изменением, сопровождающим старение, является постепенная потеря 5-метилцитозина в регуляторных участках генов и повторяющихся последовательностях. Однако сам факт утраты метилцитозина при старении был показан еще советскими биохимиками Геннадием Дмитриевичем Бердышевым и Борисом Федоровичем Ванюшиным в конце 1960-ых годов, однако важность этого открытия долгие годы недооценивалась.
Чешский биолог Владислав Ружичка (1870-1934) и румынский физиолог Георге Маринеску (1863-1938) в 1922 году выдвинули гипотезу, что к старению приводят изменения коллоидных свойств цитоплазмы клеток, вследствие чего она теряет способность удерживает воду: ее коллоиды из гидрофильных переходят в гидрофобные, коллоидные частицы укрупняются и меняют свои биологические свойства.
Советский геронтолог Александр Васильевич Нагорный (1887-1953) выдвинул гипотезу о постепенном затухании с возрастом процесса самообновления белков (коагуляция белков при недостатке автолиза), ведущем к снижению функционирования организма. Эта гипотеза, появившаяся еще в 30-ые годы XX века, подтверждена в последних исследованиях: 1) с возрастом накапливаются недиссоциирующие агрегаты белков, 2) системы протеолиза (автофагия, протеосома) затухают при старении, 3) сверхактивация генов автофагии продлевает жизнь модельным животным.
Открытие структуры ДНК Уотсоном и Криком в 1953 году натолкнуло исследователей на новые идеи в биогеронтологии. В 1959 году венгерский физик Лео Сцилард (1898–1964) сформулировал «теорию соматических мутаций», по которой главной причиной старения является накопление мутаций в ДНК, которые приводят к неправильной транскрипции генов, старению клеток и раку. В 1963 году Лесли Оргель выдвинул гипотезу катастрофы ошибок, согласно которой старение является результатом накопления ошибок на клеточном уровне. Экзогенные (ионизирующая радиация, химические мутагены) и эндогенные причины (свободные радикалы) провоцируют появление ошибок в генетической программе, которые приводят к постепенному нарушению функций клетки и к синтезу ошибочных белков.
Одна из идей Августа Вейсмана – ограниченность пролиферативного потенциала соматических клеток, получила полное подтверждение. В середине XX века Леонард Хейфлик обнаружил старение в культуре клеток. Он выяснил, что фибробласты человека in vitro способны делиться ограниченное число раз (50±10). Возникло предположение, что «митотические часы» находятся внутри каждой клетки, о чем свидетельствовало два наблюдения: нормальные фетальные человеческие фибробласты в культуре подвергаются только определенному числу удвоений популяции, а криогенно сохраненные клетки «помнят» сколько раз они делились до заморозки.
Еще в 1971 г. Алексей Матвеевич Оловников предсказал укорочение концов хромосом (теломер) в процессе клеточного деления и существование особого фермента, достраивающего теломеры. Он постулировал роль укорочения теломер в обнаруженном Леонардом Хейфликом явлении репликативного старения. Существование фермента, получившего название «теломераза», было экспериментально доказано в 1985 году Элизабет Блекберн и Кароль Грэйдер. За это открытие им присвоена Нобелевская премия по физиологии и медицине за 2009 год. Однако роль теломеразы в старении долго оставалась гипотетической. Известно было лишь, что теломераза перестает работать в дифференцированных соматических клетках взрослого человека, сохраняя свою активность в половых и стволовых клетках, а также в клетках большинства опухолей. Однако недавно группой Блекберн было показано, что при более низких концентрациях теломеразы и меньшей длине теломер в лимфоцитах периферической крови у человека в несколько раз увеличивается риск сердечно-сосудистых заболеваний, которые, как известно, составляют главную причину старческой смертности.
Было доказано, что реактивация теломеразы продлевает «репликативную» жизнь соматических клеток (увеличивает число их делений). Однако это именно то, что происходит в опухолях и делает их злокачественными. Как замедлить старение, но не вызвать при этом злокачественные новообразования? Совсем недавно группе Марии Бласко, ученицы Кароль Грэйдер, удалось осуществить это на практике, на мышах. Оказалось, что конститутивная сверхэкспрессия обратной транскриптазы (субъединицы теломеразы) у линий мышей с повышенной активностью ключевых супрессоров опухолей (р53, р16 и ARF) приводит к значительному увеличению медианной продолжительности жизни и замедлению различных показателей старения (в частности, кожи и кишечника).
Все новые и новые «модные» открытия в биологии – регуляторной роли метилирования ДНК и модификаций гистонов, мобильных генетических элементов, цитокинов воспаления, путей межклеточной сигнализации, апоптоза, деацетилаз белков, РНК-интерференции – практически сразу выдвигались в качестве «основных» факторов старения и долголетия. История геронтологии — единственной в своем роде науки, основная цель которой устранить предмет собственных исследований (старение), далеко не исчерпана.

Старение — неизбежный процесс, который продолжает интересовать ученых всего мира. Оно наблюдается на фоне естественных физиологических процессов, но иногда его признаки появляются в достаточно раннем возрасте. В этом случае говорят о преждевременном старении.

Причины преждевременного старения

Биологический возраст и скорость развития признаков старения в большей степени определены генетически — на клеточном уровне. До 25 лет природа помогает коже оставаться молодой и красивой — в ней достаточно гиалуроновой кислоты, эластина, коллагена. В 30 лет резервы организма еще довольно высоки, чтобы поддерживать хороший уровень клеточной регенерации, но уже требуется регулярный уход и подпитка ресурсов.

Ранние морщины могут наблюдаться даже в возрасте 20 лет. Кожа постоянно подвергается воздействию внутренних и внешних факторов, которые могут привести к преждевременному старению. Ускоряют процесс следующие причины:

• активное выражение эмоций;
• чрезмерное воздействие ультрафиолетового облучения;
• генетическая предрасположенность;
• курение;
• злоупотребление алкоголем;
• гормональные нарушения;
• постоянные стрессы;
• неблагоприятная экологическая среда (загрязненность воздуха, сильная жара, холод, ветер);
• неправильное питание (соблюдение строгих диет, что ведет к дефициту микро-, макроэлементов, витаминов, недостаточное употребление жидкости).

Малоподвижный образ жизни, редкое пребывание на свежем воздухе также оказывают негативноевлияние на состояние кожи и всего организма.

Типы старения

С учетом внешних проявлений выделяют несколько типов старения:

1. Усталый. Встречается преимущественно у лиц худощавого телосложения с лицом в форме ромба, овала. Кожа выглядит уставшей, тусклой, безжизненной. Овал лица теряет правильную форму, уходит объем в подглазничной области, что приводит к западению слезной борозды, в зоне щек образуется пустота. Наблюдается опущение уголков рта, выраженные носогубные складки, крупные морщины вокруг рта. Все эти изменения придают лицу уставший вид, хотя данный тип старения считается наименее разрушительным и более физиологичным.
2. Мелкоморщинистый («печеное яблоко»). Характерен для лиц с тонкой, сухой кожей, небольшим количеством подкожно-жировой клетчатки. Первые сеточки морщин разного направления появляются очень рано, иногда они наблюдаются уже в 20–25 лет. У данного типа старения есть эстетическое преимущество — из-за слабовыраженной клетчатки не наблюдается сильного обвисания тканей, поэтому форма лица долго не деформируется, не «плывет» вниз.
3. Деформационный. С эстетической точки зрения наименее благоприятный тип старения. Он наблюдается у лиц с хорошо развитой подкожно-жировой клетчаткой, тяжелыми тканями лица. Кожа чаще всего плотная, имеет расширенные поры и склонна к жирности. Часто деформационный тип старения наблюдается у людей с избыточной массой тела. Для него характерна отечность, появление второго подбородка, набухшие верхние веки, изменение конфигурации лица и шеи. Из плюсов можно отметить лишь редкое появление пигментации и меньшее количество морщин.
4. Мускульный. Генетически более характерен для представителей монголоидной расы. Кожа при данном типе старения чаще отличается упругостью, плотностью, хорошим тонусом мышечной ткани, поэтому проблем с овалом лица не возникает. С возрастом отмечается лишь уменьшение объема подкожно-жировой клетчатки, что делает черты лица более грубыми, резкими.

Встречается и комбинация разных признаков, что называется смешанным типом. У женщины могут наблюдаться различной глубины морщины, опущение тканей, склонность к отекам, что свойственно для разных типов старения.

Теории старения

Современная наука не предоставляет единого мнения о проблеме старения. Есть несколько теорий, которые порой противоречат друг другу, а иногда и дополняют.

Теломерная

В 1961 году американский геронтолог Л. Хейфлик сделал открытие в области деления клеток. В ходе исследований он выяснил, что фибробласты, которые отвечают за формирование коллагена, способны к делению не более 50 раз. Это явление было названо «предел Хейфлика», но научного объяснения этому дано не было.

Через 10 лет советский биохимик А. М. Оловников предположил, что это явление можно объяснить укорочением теломеров при делении. Они укорачиваются после каждого удвоения хромосомы, и в определенный момент этому процессу приходит предел. Клетка перестает делиться и постепенно утрачивает жизнеспособность, что и объясняет теломерную теорию.

В 1985 году был открыт фермент теломераза, который способен достраивать концы хромосом опухолевых, половых клеток и обеспечивать их бесконтрольное деление, что подтвердило теорию Оловникова.

Элевационная (онтогенетическая)

Профессор-геронтолог В. М. Дильман высказал и обосновал гипотезу о наличии единого механизма регуляции процессов старения. Его причиной считается снижение реактивности гипоталамуса к сигналам эндокринной и нервной систем, что доказано исследованиями.

Из-за снижения регуляторной активности органа угнетается работа гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой оси, которая отвечает за синтез гормонов стресса. Из-за их увеличения организм постепенно привыкает к состоянию стресса, что Дильман назвал «болезнью старения».

Адаптационно-регуляторная

Теория принадлежит физиологу и геронтологу В. В. Фролькису, который рассматривал старение и смерть как генетически обусловленную программу. Жизненный цикл представляется как баланс между естественным старением и «антистарением». Последнее поддерживает жизнеспособность, адаптацию организма к изменениям.

Теория доказывает генетическую запрограммированность возрастных изменений. Из-за нарушения работы регуляторных генов изменяется активность структурных генов. В результате сбоя в работе последних снижается синтез белка и начинается процесс старения и гибели клеток. Активизация торможения работы определенных генов лежит в основе развития старения и заболеваний. Своей теорией Фролькис объяснил появление таких возрастных патологий, как болезнь Паркинсона, Альцгеймера и других.

Теория свободных радикалов

Свободные радикалы — нестабильные частицы, которые лишены одного электрона. Для его поиска они вступают в реакцию со здоровыми молекулами. Отнимая недостающий электрон, они превращают молекулы в свободный радикал. Далее этот процесс повторяется. Появление радикалов может вызывать и ряд вредных экзогенных факторов: неправильное питание, плохая экология, частые стрессы, курение и другие.

Из-за накопления свободных радикалов происходит разрушение клеток, нарушается биохимический баланс. В первую очередь страдает кожа и нарушается выработка в ней коллагена, что проявляется сыпью, морщинами, признаками воспаления.

Теория катастрофы ошибок

Гипотеза о мутационной природе старения предложена американским физиком М. Сциллардом в 1954 году. В ходе исследований он установил, что радиация значительно сокращает продолжительность жизни и приводит к мутациям в ДНК, которые проявляются внешними признаками старения и заболеваниями.

Ученый установил причину старения, но не смог объяснить механизм развития у организмов, которые не подвергались радиационному облучению. Позже другой исследователь продолжил изучать мутации и сделал вывод, что ошибки в генетическом аппарате могут быть связаны не только с внешними, но и с внутренними факторами, которые приводят к старению и гибели клеток.

Теория апоптоза

Академик В. П Скулачев выдвинул теорию, которая рассматривает гибель клеток как запрограммированный и неизбежный процесс. Для сохранения жизнеспособности организма клетка, которая теряет способность выполнять свои функции, должна погибнуть и уступить место другой.

Если клетка поражена вирусом или мутацией, она должна быть самоуничтожена, чтобы не подвергать весь организм заражению. Согласно теории, старение начинается в ситуации, когда объем умерших клеток, превышает количество вновь образованных.

Признаки преждевременного старения

Изменения на коже возникают не внезапно, а развиваются постепенно. Признаками старения могут стать:

• сухость, истончение кожи;
• ухудшение цвета лица;
• темные круги под глазами;
• морщинки в мимически активных зонах: в области лба, уголках глаз, губ;
• снижение тонуса, упругости кожи;
• опущение мягких тканей вниз, формирование второго подбородка.

Еще одним проявлением часто выступает пигментация, которая возникает из-за нарушения выработки меланина.

Профилактика

Преждевременное старение поддается корректировке, так как в большинстве случаев оно вызвано какими-либо субъективными факторами. Методы профилактики зависят от причин, которые вызывают ранние возрастные изменения. Чтобы сохранить здоровье и молодость кожи, необходимо придерживаться следующих рекомендаций:

• использовать солнцезащитные средства;
• не увлекаться загаром (как естественным, так и искусственным);
• отказаться от вредных привычек. Курение, злоупотребление алкоголем и здоровая, красивая кожа — несовместимые понятия;
• следить за питанием, чтобы оно было сбалансированным, богатым витаминами, микро-, макроэлементами;
• не допускать обезвоживания организма — пить не менее 2 литров воды в сутки (при наличии отеков проконсультироваться с врачом);
• чаще бывать на свежем воздухе, заниматься спортом;
• правильно подбирать средства для ухода за кожей, согласно ее типу, возрасту, наличию проблем;
• по возможности избегать стрессов;
• соблюдать режим труда и отдыха — не допускать недосыпов.

Преждевременное старение кожи может быть вызвано бесконтрольным приемом некоторых лекарственных средств, поэтому не рекомендовано заниматься самолечением и принимать препараты без назначения врача.

Сохранение и продление молодости в нашей косметологической клинике

Эффективно справиться с начальными возрастными изменениями можно с помощью профессиональногоухода. Все процедуры и средства должен подбирать врач-косметолог, чтобы не навредить коже и получить результат.

Сеть клиник косметологии 9.09 проводит процедуры по предотвращению и коррекции возрастных изменений. С учетом состояния кожи, наличия проблем, типа старения наши специалисты могут предложить ряд инъекционных, аппаратных методик:

• биоревитализация — введение препаратов с гиалуроновой кислотой для устранения выраженных косметических проблем, профилактики старения;
• мезотерапия — процедура для улучшения состояния кожи, ее омоложения с помощью введения коктейлей из различных полезных веществ;
• плазмотерапия — введение под кожу собственной плазмы человека с целью омоложения на клеточном уровне;
• химический пилинг — процедура, позволяющая быстро устранить мелкие морщины, следы акне, пигментные пятна и другие косметические дефекты. В клинике выполняются различные видыпилинга в зависимости от проблем, в том числе и лазерный;
• лазерное омоложение — эффективный способ замедлить появление возрастных признаков, вернуть коже молодость и сияние.

Хорошие результаты дает регулярное прохождение массажа лица, который может помочь избавиться от отечности, повысить тонус мышц, улучшить цвет кожи.

После 40–45 лет у женщин начинается гормональная перестройка, развитие признаков старения ускоряется. В данном возрасте актуальны более серьезные косметологические процедуры, такие как ботулинотерапия, SMAS-лифтинг, фотоомоложение, нитевой лифтинг и другие.

Сеть косметологических клиник 9.09 — это высокий уровень сервиса, штат из высококвалифицированных специалистов в области аппаратной, инъекционной и терапевтической косметологии. Все препараты и оборудование сертифицированы и имеют все необходимые документы. Чтобы узнать более подробную информацию об услугах, записаться на консультацию к врачу-косметологу, позвоните по телефону 8 (812) 56-56-909.

2.2.5. Формы волос

Волосы на голове состоят из плотно соединенных между собой волокон кератина. Это соединение и отвечает за структуру волос, их жесткость и форму. Количество воды, содержащейся в волокнах кератина и в межклеточном веществе, тоже отвечает за эластичность и мягкость волос.

У людей различных рас разные типы этих соединений между волокнами и разное строение волос. Волосы у людей монголоидной расы очень жесткие, прямые и трудно укладываются в прическу. Европеоидная раса имеет довольно тонкие и мягкие волосы, в то время как негроидная раса – толстые и сильно вьющиеся.

Тип волос, это особенно очевидно на волосяном покрове головы, сильно варьируется не только между различными расами, но даже у отдельно взятого человека. Однако волосам у разных групп людей присущи свои специфичные черты. У азиатов обычно тонкий и круглый волос, что обнаруживается при поперечном разрезе, по этой причине он растет прямо. Афроамериканцы обладают плоским волосом; он завивается, приобретая форму ленточки. Волосы белых имеют овальную форму, что позволяет им виться кудрями или волнами.

Но, однако же, у европейцев волосы могут быть прямыми и волнистыми. От чего же зависит форма? Все зависит от строения.

Если говорить образно и упрощенно, то можно утверждать, что кудрявые волосы возникают при С-образно согнутых волосяных фолликулах, а прямые растут из прямого волосяного фолликула. Большое значение для формы и прочности волос имеет точная композиция кератина волосяного стержня, которая при определенных обстоятельствах может меняться (например, в период полового созревания, после химиотерапии).

Форма стержня волос существенно различается у представителей разных рас и имеет, кроме того, индивидуальные особенности. Наиболее выражены и наглядны эти различия у волос волосистой части головы. Форма стержня волос обусловлена формой его корня. У волнистых и особенно курчавых волос корень изогнут, тогда как у прямых волос он не имеет изгиба. Следовательно, стержень волоса как бы повторяет изгиб его корня.

Различают три типа формы волос, каждый из которых разделяется на несколько подтипов:

– гладковолосый: тугие, гладкие, плосковолнистые волосы;

– волнистоволосый: широковолнистые, узковолнистые, локоновые;

– курчавоволосый: завивающиеся, слабокурчавые, сильнокурчавые, слабоспиральные, сильноспиральные («пучкообразные») волосы.

В свою очередь, гладкие волосы подразделяются на плоско-волнистые; тугие, гладкие, волнистые – на широковолнистые, узковолнистые, локоновые; курчавые – на завивающиеся, слабокурчавые, сильнокурчавые, слабоспиральные, сильноспиральные. На разрезе гладкий волос образует окружность, волнистый – овал, курчавый – сплющенный овал.

2.2.6. Типы волос

Тип волос определяется их естественной смазкой – секретом сальных желез. В зависимости от типа волос будет определен уход за волосами, выбор средств и общий подход к лечению. Это связано с тем, что тип волос зависит от состояния организма. Следовательно, от типа волос будет зависеть и диета, и процедуры, и даже привычное расчесывание волос.

Нормальные волосы – тип волос, у которых не нарушен водно-жировой баланс. Нормальные волосы хорошо поддерживают водный и жировой баланс, держат форму и всегда имеют хороший здоровый блеск. Их кончики могут быть несколько повреждены, пересушены, но обычно с такими волосами не возникает особых проблем, и они с легкостью отрастают до большой длины.

Сухие волосы – тип волос, характеризующийся утолщением стержня волоса у корней и утоньшением на концах. Сухие волосы обычно бывают тусклыми и слабыми, без блеска, иногда секутся на концах. Легко путаются и трудно расчесываются, особенно во влажном состоянии. Растут медленно, требуют особенно интенсивного и тщательного ухода. Сухими могут стать и нормальные волосы, даже после легкой окраски, если после нее не были сменены средства по уходу и препараты для укладки.

Жирные волосы – тип волос, являющийся результатом повышенного выделения сала сальными железами кожи головы, а также изменениями в его химическом составе. Нарушения деятельности сальных желез могут быть связаны с заболеваниями нервной системы, гормональными расстройствами, приемом определенных лекарств, нерациональным питанием. Жирные волосы – самые проблемные волосы. Они выглядят сальными. Их приходится мыть ежедневно. Такие волосы имеют достаточно глухой цвет, а при окраске только на кончиках становятся пересушенными.

Глава 3
Причины заболеваний кожи головы и волос

3.1. Основы геронтологии

3.1.1. Типы старения организма человека

Геронтология (от др. – греч. gerontos – старик и logos – знание, слово, учение) – наука, изучающая биологические, социальные и психологические аспекты старения человека, его причины и способы борьбы с ним (омоложение). Возникла около века назад. Составными частями геронтологии являются:

– гериатрия – учение о болезнях, связанных с инволюционными изменениями, а также особенности лечения и профилактики заболеваний в пожилом и старческом возрасте;

– герогигиена, которая изучает вопросы общей и специальной гигиены людей старших возрастных групп;

– геронтопсихология, которая изучает психолого-поведенческие особенности людей пожилого и престарелого возраста.

Современная косметология объединила усилия с геронтологией, и появилось новое направление – геронтокосметология.

Геронтокосметология усиленно развивается в последние десятилетия, выделяются подразделы данной науки: клиническая геронтокосметология, косметологическая гериатрия, экспериментальная геронтокосметология, социальная геронтокосметология.

Известно, что старение кожи и волос напрямую связано со старением всего организма в целом.

Старение – это физиологический, нарастающий с возрастом, универсальный, эндогенный и разрушительный процесс, который ведет к снижению адаптационных возможностей организма и функциональной активности специализированных тканей. С современной точки зрения процессы старения подразделяются на физиологические и преждевременные. При этом приняты следующие определения типов старения.

Физиологическое старение означает естественное начало и постепенное развитие старческих изменений, ограничивающих способность организма адаптироваться к условиям окружающей среды.

Преждевременное старение – это ускорение темпа старения, приводящее к тому, что биологический возраст опережает календарный возраст человека в отношении отдельных органов или систем или всего организма в целом, в результате чего снижается способность преодолевать стресс, связанный с влиянием окружающей среды.

В современном обществе физиологическая старость почти не встречается, у большинства людей имеются те или иные формы преждевременного старения, обусловленные заболеваниями, стрессовыми состояниями, воздействием неблагоприятных факторов внешней среды.

При этом процесс естественного старения закономерен и необратим, противостоять ему невозможно. Преждевременное старение включает комплекс признаков возрастных изменений организма в целом, и кожи в частности, которые могут быть исправлены с помощью современных методик, т. е. преждевременное старение можно предотвратить и замедлить. Выявление процессов, свойственных преждевременной старости, и причин, порождающих ее, является одной из проблем геронтокосметологии.

Старение кожи и волос является частью биологического процесса старения всего организма и регулируется теми же законами, поэтому оздоровление всех органов и систем, поднятие физической активности, психологическая реабилитация также входят в сферу деятельности современной косметологии. Поскольку кожа и волосы непосредственно связаны с внешней средой, то в них раньше, чем в других органах, обнаруживаются регрессивные изменения. При этом возникновение проблем или заболеваний кожи и волос связано, прежде всего, с рядом факторов, влияющих на старение кожи и волос и являющихся причиной многих заболеваний кожи и волос.

Данные факторы можно разделить на две большие группы:

– внутренние факторы: наследственность, хронические заболевания, нарушения функций иммунной и гормональной систем, стрессы, дисбаланс и заболевания эндокринной системы, синдром хронической усталости, лекарственная аллергия и др.;

– внешние факторы: УФ-излучение, плохая экология, курение, алкоголизм, наркомания, нерациональное питание и др.

Очень важно, чтобы врач-косметолог знал теоретические основы старения организма человека.

3.1.2. Теории старения

Старение является очень сложным процессом, который протекает в каждой клетке организма, а появление изменений кожи и волос – лишь следствие проявлений этого процесса. В причинах старения пытаются разобраться ученые на протяжении длительного времени, предлагая различные теории. В настоящее время существует более десятка теорий старения (Рыжак Г. А., Королькова Т. Н., Войтон Е. В., 2006; Фефилова И., 2009; Данилов С. И. [и др.], 2004). Рассмотрим некоторые из них подробнее.

Свободнорадикальная теория

Свободнорадикальная теория объясняет процессы старения избыточным образованием свободных радикалов и их влиянием на процессы метаболизма клеток. Свободными радикалами называются молекулы, имеющие свободную валентность и поэтому стремящиеся ее использовать, вступив в химическую реакцию.

Валентность (от лат. valens — имеющий силу) – способность атомов химических элементов образовывать определенное число химических связей с атомами других элементов.

Свободный радикал – это атом или молекула, на внешней оболочке которых есть один или несколько неспаренных электронов. В органических молекулах (включая те, из которых состоит наш организм) электроны на внешней электронной оболочке располагаются парами: одна пара на каждой орбитали.

Радикалы химически активны. Активность объясняется тем, что радикал стремится либо вернуть себе недостающий электрон, отняв его от окружающих молекул, либо избавиться от «лишнего» электрона, отдавая его другим молекулам.

Радикалы, образующиеся в организме человека, можно разделить на природные и чужеродные. Природные радикалы, в свою очередь, делятся на первичные, вторичные и третичные. Первичными принято называть радикалы, образование которых происходит в организме человека при участии ферментов. Перекись водорода, гидроперекиси липидов образуются в реакциях, одним из участников которых является радикал, а иногда – кислород. Эти молекулы, в свою очередь, легко образуют радикалы в присутствии ионов металлов переменной валентности. Такие радикалы принято называть вторичными. Вторичные радикалы, в отличие от первичных, обладают разрушительным действием на клеточные структуры. Именно образование вторичных радикалов (а не радикалов вообще) приводит к развитию патологических состояний и лежит в основе фотостарения кожи, канцерогенеза, атеросклероза, хронических воспалений.

Для защиты от повреждающего действия вторичных радикалов в организме используется большая группа веществ, называемых антиоксидантами, к числу которых принадлежат ловушки или перехватчики свободных радикалов. Примером последних служат альфа-токоферол, тироксин и женские стероидные гормоны.

Реагируя с липидными радикалами, эти вещества сами превращаются в радикалы антиоксидантов, которые можно рассматривать как третичные радикалы. Они постоянно образуются в том или ином количестве в клетках и тканях. Ионизирующее излучение, ультрафиолетовое облучение или даже освещение интенсивным видимым светом, например светом лазера, приводит к образованию в организме человека свободных радикалов. Такие радикалы называют чужеродными. К ним относят также радикалы, образующиеся из попавших в организм посторонних соединений.

Свободнорадикальная теория старения практически одновременно была выдвинута Дэнхемом Харманом в 1956 г. (Harman D., 1956) и Н. М. Эмануэлем в 1958 г. (Emanuel N. M., 1985). Она объясняет не только механизм старения, но и широкий круг связанных с ним болезней. Согласно этой теории, образующиеся в митохондриях клеток молекулы супероксида, перекиси водорода – гидроксильного радикала и синглетного кислорода повреждают клеточные ДНК, белки, липиды.

Как правило, организм человека способен самостоятельно нейтрализовать образующиеся радикалы. Здоровая клетка организма может отразить около 10 000 атак свободных радикалов. Но если воздействие перечисленных выше факторов превосходит определенный критический предел, защитный барьер перестает справляться с внешними влияниями. Наиболее уязвимы для свободных радикалов клеточные мембраны, в частности мембранные липиды. Мембраны теряют способность сохранять содержимое клетки, не допуская в нее вредные вещества. В результате в клетке нарушаются обменные процессы, и она погибает.

Свободные радикалы высоко химически реактивны и способны вызывать повреждения ядерной ДНК, а это – путь к онкогенезу. Свободные радикалы также разрушают липиды и мембраны клеток, коллагеновые и эластические волокна дермы, связывают воду, что приводит к снижению тургора и эластичности кожи, ее истончению и появлению морщин. Свободные радикалы запускают механизмы множества заболеваний: ишемии, атеросклероза, рака, нарушений нервной и иммунной систем, и в результате – болезней кожи. Теряя воду, клетка становится склонной к преждевременному старению, развитию дерматозов. Поэтому накопление в коже свободных радикалов – едва ли не основная причина старения.

Борьба со свободными радикалами ведется с применением антиоксидантов – веществ, местно связывающих свободные радикалы и выводящих их из кожи, и витаминов A, E, C, K.

Для этого в косметологии используются препараты, действие которых направлено либо на уничтожение свободных радикалов, либо на защиту от ультрафиолетового облучения:

– вещества, взаимодействующие со свободными радикалами и уничтожающие их, – альфа-токоферол (витамин E), фермент супероксиддисмутаза и некоторые флавоноиды, в частности рутин;

– антиоксиданты, действующие на более поздних стадиях образования радикалов, – витамины A, E, C, K, а также селен, серосодержащие соединения – аминокислоты цистеин и глутадион; вытяжка из алоэ вера и бета-каротин из моркови, мумие;

– ультрафиолетовые фильтры – комплексы из липидорастворимых серосодержащих производных, которые добавляются в косметические и косметологические препараты. В сочетании с витаминами они эффективно защищают кожу от ультрафиолетовых лучей, а следовательно, от действия свободных радикалов и от старения;

– коллаген и гиалуроновая кислота, фруктовые кислоты – для поддержания активности клеток кожи.

Теория гликации

Другой важный механизм процесса старения – неферментативная реакция между моносахаридами и аминогруппой белков, названная теорией гликации Мэйларда. Ее суть заключается в том, что белки способны связываться с сахарами, в результате чего образуются так называемые коллагеновые сшивки. При этом скорость протекания этой реакции зависит от концентрации сахаров и времени. В свою очередь, свободные радикалы, воздействуя на белки клетки, делают их более беззащитными перед воздействием сахаров. Сегодня уже доказано участие сахаров в нарушении работы натрий-калиевого насоса клеток, развитии некоторых болезней, таких как атеросклероз, глаукома и др.

Для профилактики старения кожи, вызванной гликацией, используют анти-AGE-терапию (заместительную терапию при недостатке собственных эстрогенных гормонов). AGE (от англ. Advanced Glycosylation End-products) – продукты жизнедеятельности клеток, образующиеся в результате повреждающего действия моносахаридов по теории гликации. Для этого используют фитоэстрогены экстрактов трав и других растений, которые возбуждают специальные рецепторы на мембранах клеток, заставляя клетку активизировать свою деятельность, ускорять митоз, репродуктивную способность.

К анти-AGE-системе стали относить не только вещества, нейтрализующие повреждающее действие моносахаров, но и все биологически активные вещества, способствующие сохранению молодости и предотвращающие появление морщин. Это аминокислоты, экстракты водорослей, мочевина, протеины шелка, гиалуроновая кислота, коллаген, эластин, антиоксиданты и др.

Теория избыточного накопления

Согласно данной теории в организме накапливаются токсины, которые откладываются в тканях и влияют на старение кожи. Речь идет о терминальном токсине – липофусцине.

Липофусцин – пигмент, образующийся в клетках и являющийся прооксидантом. Была обнаружена связь между накоплением в клетках липофусцина и старением организма. Липофусцин избыточно образуется в организме при переедании ненасыщенных жиров, стрессах, УФ-излучении, избытке ионов алюминия, железа, избытке эстрогенов. При этом липофусцин при своем образовании нуждается в кислороде, что создает гипоксию в тканях, уменьшение образования АТФ и как следствие – деградацию тканей, мутации в генетическом аппарате клеток. Кроме того, липофусцин повреждает митохондрии, приводя к их преждевременному старению, а следовательно, и к старению клетки.

Таким образом, кислородная и энергетическая недостаточность, обезвоживание создают условия для дальнейшего накопления липофусцина, что в результате приводит к необратимым изменениям в клетках. Снижая потребление жирных ненасыщенных кислот, железа и экзогенных эстрогенов; увеличивая потребление витамина Е, можно замедлить образование липофусцина.

Теория соматических мутаций

Согласно этой теории старение – следствие накопления в генах соматических клеток мутаций, возникающих под влиянием повреждающих факторов, например ионизирующей радиации.

При этом клеточное старение является результатом генетической программы, с помощью которой специфические гены ограничивают клеточную пролиферацию. Повреждения ядерной и митохондриальной ДНК соматических клеток, такие как точечные мутации, приводят к активации специфических генов, вовлеченных в регуляцию клеточного цикла и контроль деления клеток. В результате повреждений и мутаций ДНК клетки либо самоликвидируются, либо прекращают делиться в качестве ответной реакции на повреждение ДНК. Накопление с возрастом таких мутаций в клетках различных органов и тканей приводит к появлению измененных (нефункционирующих) белков и является основным фактором, определяющим развитие возрастной патологии, например рака, и приводящим к ухудшению и утрате различных функций организма.

Теория сшивки макромолекул (теория поперечных связей)

Между различными молекулами организма, таких как ДНК, коллаген, эластин и другие, образуются мостики, вызывая нарушения их структуры и видоизменяя их свойства, что приводит к дегенеративным изменениям в тканях.

Изначально коллагеновые белки имеют немного поперечных связей между собой – коллаген остается мягким и пластичным, но с возрастом число поперечных связей нарастает. Поперечные связи мешают прохождению питательных веществ между клетками и удалению отходов клеточной жизнедеятельности. Образование поперечных связей происходит, когда в организме зрелого человека снижается способность метаболизировать молекулы глюкозы. Под воздействием избыточной глюкозы белковые молекулы склеиваются друг с другом и теряют способность к выполнению своих функций. Люди, ведущие активный образ жизни и правильно питающиеся, сдерживают процесс образования поперечных связей.

Лизосомальная теория старения Дедюва

Повреждение лизосомальных мембран различными физическими, химическими и биологическими факторами приводит к нарушению стабильности мембран и выходу гидролитических ферментов лизосом в цитоплазму клетки, что приводит к ее гибели.

Теория биологических часов (теория генетического контроля)

Согласно этой теории продолжительность жизни запрограммирована генетически, при которой внутренние биологические часы отсчитывают время и запускают разрушительный механизм, вызывающий старение и в итоге приводящий к смерти. Однако этот механизм, по мнению ученых, рассчитан на 250–300 лет. До этого возраста никто не доживает из-за утраты клетками своих функций в результате катастрофы ошибок.

Теория катастрофы ошибок

В 1963 г. Лесли Оргель предположил, что старение является результатом накопления ошибок на клеточном уровне. Согласно этой теории различные внешние и внутренние причины провоцируют появление ошибок в генетической программе и постепенно функции клетки нарушаются. Прогрессивное накопление этих ошибок с течением времени приводит к постепенному полному прекращению функционирования клетки, что и вызывает сначала старение, а в дальнейшем – смерть организма.

Иммунологическая теория старения (аутоиммунная теория)

Связь широкого круга связанных с возрастом патологических процессов с дефектами иммунной системы привела к предположению, что старение иммунной системы может ограничивать продолжительность жизни. Иммунная система четко отличает свои ткани от чужих. С возрастом этот контроль ослабевает, организм начинает вырабатывать антитела к собственным тканям, тем самым вызывая их повреждение.

Ослабление иммунной системы способствует также уменьшению веса тимуса (вилочковой железы) с 250 г при рождении человека до3гк 60 годам, что ведет к нарастанию процессов старения, так как гормоны тимуса являются важнейшими регуляторами нейроэндокринной и иммунной систем.

В последние годы было установлено, что некоторые иммуномодуляторы, в частности пептидные препараты тимуса, могут восстанавливать компетентность иммунных клеток в старом организме и увеличивать продолжительность жизни животных.

Элевационная теория старения (нейроэндокринная теория)

Согласно этой теории старение представляет собой системный процесс, базирующийся на взаимодействии стареющих клеточных ансамблей, из которых состоит организм. Каждый из этих ансамблей может отличаться по темпам и признакам старения. Старение организма человека в значительной степени связано с возрастными изменениями нейроэндокринных функций головного мозга, и особенно – с повышением порога чувствительности гипоталамуса к гомеостатическим сигналам. По мере старения организм вырабатывает все меньше гормонов, что оказывает пагубное воздействие на функционирование всего организма. Снижение выработки одного гормона влечет за собой команду всему организму к снижению выработки других гормонов. Именно этот процесс приводит к возрастному включению и выключению функции репродуктивной системы в женском организме, к возрастным изменениям в гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системе. Следствием аналогичных возрастных изменений в системе метаболического гомеостаза, регулирующего аппетит и энергетическое обеспечение функций организма, является нарастание с возрастом содержания жира в теле, снижение чувствительности тканей к инсулину (преддиабет) и развитие атеросклероза.

Теория предела делений Хейфлика

Клетки человеческого организма могут делиться ограниченное число раз. Это явление получило название лимит Хейфлика. После 50–70 делений клетки переходят в неделимое состояние. Иногда при этом они становятся нечувствительными к сигналам, которые заставляют ненужную клетку самоликвидироваться. Старые клетки накапливаются, достигается некий пороговый уровень, когда утрачивается прежнее здоровье тканей.

Теория деградации теломеров

На продолжительность жизни делящихся клеток влияют также теломеры – последовательность аминокислот, которые обеспечивают сохранность хромосом человека. Каждый раз, когда клетки делятся, теломеры укорачиваются. Когда они исчезают, клетка погибает. Ключевым элементом в восстановлении исчезающих теломеров является фермент теломераза, которая восстанавливает и замещает теломеры.

Таким образом, объяснение процесса старения не может быть сведено к какой-то одной теории. Во многом эти теории перекликаются между собой, поэтому в попытках продлить период активного долголетия и молодости необходимо использовать знания всех механизмов старения, элементы всех теорий, четко представлять все возможные причины, провоцирующие старение.