Причины старения организмов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное  образовательное учреждение высшего  профессионального образования

 

 

 

Реферат

 

«Причины старения организмов»

 

 

 

 

 

 

 

 

Оглавление

Старение 3

Почему возникает старение 4

Эволюционно-генетический подход 4

Эволюционно-физиологический подход 5

Как возникает старение 6

Список литературы: 10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Старение 

В биологии процесс постепенного нарушения и потери важных функций организма или его частей, в частности способности к размножению и регенерации. Вследствие старения организм становится менее приспособленным к условиям окружающей среды, уменьшает и теряет свою способность бороться с хищниками и противостоять болезням и травмам.

Наука, которая изучает  старение человека, называется геронтологией.

Первые попытки научного объяснения старения начались в конце XIX века. На протяжении следующих 25 лет исследования имели преимущественно описательный характер. Тем не менее, начиная с конца 70-х годов, возникает большое количество теорий, которые пытались объяснить старение. Только в конце 1990-х годов ситуация начала проясняться, и большинство авторов начали приходить к общим выводам.

Все теории старения можно  условно разделить на две большие  группы: эволюционные теории и теории, основанные на случайных повреждениях клеток. Первые считают, что старение является не необходимым свойством  живых организмов, а запрограммированным  процессом. Согласно им, старение развилось  в результате эволюции из-за некоторых преимуществ, которые оно даёт целой популяции. В отличие от них, теории повреждения предполагают, что старение является результатом природного процесса накопления повреждений со временем, с которыми организм старается бороться, а различия старения у разных организмов является результатом разной эффективности этой борьбы. Сейчас последний подход считается установленным в биологии старения. Тем не менее, некоторые исследователи всё ещё защищают эволюционный подход, а некоторые другие совсем игнорируют деление на эволюционные теории и теории повреждений. Последнее утверждение является частично результатом смены терминологии: в некоторых работах последнего времени термин «эволюционные теории» ссылается не на теории «запрограмированного старения», которые предлагают эволюционное возникновение старения как полезного явления, а на подход, который описывает почему организмы должны стареть в противоположность вопросу о биохимических и физиологических основах старения.

Почему возникает старение

Эволюционно-генетический подход

Гипотеза, которая легла в основу генетического подхода, была предложена Питером Медаваром в 1952 году и известна сейчас как «теория накопления мутаций». Медавар заметил, что животные в природе очень редко доживают до возраста, когда старение становится заметным. Согласно его идее, аллели, которые проявляются на протяжении поздних периодов жизни и которые возникают в результате мутаций зародышевых клеток, подвергаются довольно слабому эволюционному давлению, даже если в результате их действия страдают такие свойства, как выживание и размножение. Таким образом, эти мутации могут накапливаться в геноме на протяжении многих поколений. Тем не менее, любая особь, которая сумела избежать смерти на протяжении долгого времени, испытывает на себе их действие, что проявляется как старение. То же самое верно и для животных в защищённых условиях.

В дальнейшем, в 1957 году Д. Вильямс предположил существование плейотропных ( явление множественного действия гена. Выражается в способности одного гена влиять на несколько фенотипических признаков. Таким образом, новая мутация в гене может оказать влияние на некоторые или все связанные с этим геном признаки ) генов, которые имеют разный эффект для выживания организмов на протяжении разных периодов жизни, то есть они полезны в молодом возрасте, когда эффект естественного отбора сильный, но вредны позднее, когда эффект естественного отбора слабый. Эта идея сейчас известна как «антагонистическая плейотропия».

Вместе эти две теории составляют основу современных представлений  о генетике старения. Тем не менее, идентификация ответственных генов  имела лишь ограниченный успех. Свидетельства  о накоплении мутаций остаются спорными, тогда как свидетельства наличия  плейотропных генов сильнее, но и  они недостаточно обоснованы. Примерами  плейотропных генов можно назвать  ген теломеразы ( фермент, добавляющий особые повторяющиеся последовательности ДНК (TTAGGG у позвоночных) к 3'-концу цепи ДНК на участках теломер, которые располагаются на концах хромосом в эукариотических клетках) у эукариотов и сигма-фактор σ⁷⁰ у бактерий. Хотя известно много генов, которые влияют на продолжительность жизни разных организмов, других чётких примеров плейотропных генов всё ещё не обнаружено.

Эволюционно-физиологический подход

Теория антагонистической плейотропии  предсказывает, что должны существовать гены с плейотропным эффектом, естественный отбор которых и приводит к  возникновению старения. Несколько  генов с плейотропным эффектом на разных стадиях жизни действительно  найдены — сигма-70 у E. coli, теломераза у эукариотов, но непосредственной связи со старением показано не было, тем более не было показано, что это типичное явление для всех организмов, ответственное за все эффекты старения. То есть эти гены могут рассматриваться лишь как кандидаты на роль генов, предсказанных теорией. С другой стороны, ряд физиологических эффектов показаны без определения генов, ответственных за них. Часто мы можем говорить о компромиссах, аналогичных предсказанным теорией антагонистической плейотропии, без чёткого определения генов, от которых они зависят. Физиологическая основа таких компромиссов заложена в так называемой «теории одноразовой сомы». Эта теория задаётся вопросом, как организм должен распорядиться своими ресурсами (в первом варианте теории речь шла только о энергии) между поддержкой и ремонтом сомы и другими функциями, необходимыми для выживания. Необходимость компромисса возникает из-за ограниченности ресурсов или необходимости выбора лучшего пути их использования.

Поддержание тела должно осуществляться только настолько, насколько это  необходимо на протяжении обычного времени  выживания в природе. Например, поскольку 90 % диких мышей умирает на протяжении первого года жизни, преимущественно от холода, инвестиции ресурсов в выживание на протяжении дольшего времени будут касаться только 10 % популяции. Таким образом, трёхлетняя продолжительность жизни мышей полностью достаточна для всех потребностей в природе, а с точки зрения эволюции, ресурсы следует тратить, например, на улучшение сохранения тепла или размножения, вместо борьбы со старостью. Таким образом, продолжительность жизни мыши наилучшим образом отвечает экологическим условиям её жизни.

Теория «одноразового тела»  делает несколько допущений, которые  касаются физиологи процесса старения. Согласно этой теории, старение возникает  в результате неидеальных функций  ремонта и поддержки соматических клеток, которые адаптированы для  удовлетворения экологических потребностей. Повреждения, в свою очередь, являются результатом стохастических процессов, связанных с жизнедеятельностью клеток. Долголетие контролируется за счёт контроля генов, которые отвечают за эти функции, а бессмертие генеративных клеток, в отличие от соматических, является результатом больших затрат ресурсов и, возможно, отсутствия некоторых источников повреждений.

Старение человека.

 

Старение человека – это старение его внутренних органов (мозга, сердца, сосудов, печени и т. д.), старение органов – это старение их клеток, старение клеток – это старение их информационно - наследственной системы в виде огромной молекулы ДНК, содержащейся в ядрах клеток. В конечном счете, сущность старения животного и человека можно раскрыть, если узнать по какой причине стареет ДНК клеток. Существует множество гипотез о причинах старения ДНК клеток. 

Рассмотрим  радиационную модель старения ДНК. 

ДНК являются матрицами  для синтеза всех внутриклеточных  элементов, вместилищем всей наследственной информации о данном человеке. Смерть человека от старения – это ухудшение до критического уровня всех биохимических механизмов жизнедеятельности миллиардов клеток по причине структурной деградации молекул ДНК. Если углубиться в молекулярную биологию, то процесс старения «белковых молекул ДНК» можно представить следующим образом. Живой организм (человек, животное и растение) состоит из миллиардов клеток, а «организм общества» состоит из миллиардов людей и из миллиардов тонн искусственно созданных и неживых предметов: объектов потребления и производства. По причине разного состава этих материальных объектов они имеют различную причину старения. Причина старения человека состоит в радиоактивном поражении ДНК, а старение общества состоит в его растворении в бескрайнем космическом пространстве. Старение человека происходит по биохимическим причинам, а старение общества происходит по  социальным причинам. Сейчас рассмотрим на научно-популярном уровне причину старения организма человека, что относится к науке геронтологии.  

 

1. Клетки рождаются новые, но организм человека стареет. 

Организм человека — это сложная целостная, саморегулирующаяся и самостоятельно обновляющаяся система, для которой характерна определенная организация ее структур. Основой строения и развития человека является клетка — элементарная структурная, функциональная и генетическая единица живого вещества. Организм человека построен из клеток и неклеточных структур, объединенных в процессе развития в ткани, органы, системы органов и целостный организм. Будучи элементарной единицей многоклеточного организма, клетка в то же время имеет очень сложную структурную и функциональную организацию. Размеры клеток колеблются от 5 - 7 до 80 - 120 мкм. Наиболее крупными являются женские половые клетки (яйцеклетки) и нервные клетки, а самыми мелкими — клетки крови — лимфоциты. Наука, изучающая развитие, строение и функции клеток, называется цитологией. Центральное место занимает в клетке ядро, где располагается её наследственный аппарат в виде одной молекулы ДНК (ДезоксиРибонуклеиноваяКислота) или РНК (РибоНуклеиновая Кислота).

Организм взрослого  человека весом 80 килограмм состоит  из 65 миллиардов клеток. Клетки стареют, умирают, а на их место рождаются  новые. Например, клетки крови (лейкоциты, эритроциты, тромбоциты) полностью  обновляются за 5 дней. Погибают и  обновляются мышечные клетки, печени, почек, мозга. Однако, несмотря на обновление клеточного состава, человек, в конце  концов, стареет и умирает. Несмотря на постоянное рождение новых клеток, организм человека медленно стареет  и умирает в возрасте 70 – 100 лет. Человек стареет и умирает  по причине старения генетической системы  всех 65 миллиардов клеток одновременно.

Будущее общество через миллионы лет будет состоять из 65 миллиардов людей. Внутри общества роль клеток играют люди, которые стареют и умирают, а так же рождаются новые. Но в целом «живая система» в виде общества стареет и приближается к моменту своей естественной гибели. Конечно, механизм старения живого организма (человека) не похож на механизм старения общества (цивилизации). Но аналогия состоит в том, что, несмотря, на рождения новых элементов, составляющих данную живую систему (клетка, человек, общество), процесс старения упорно протекает и приводит живой организм к смерти. 

 

2. Радиоактивный  фон вокруг нас. Радиоактивное облучение действует отрицательно на организм человека. Чернобыльская авария подвергла сильному радиоактивному облучению миллионы людей. В итоге это проявилось повышением смертности в раза в ближайших к городу Чернобылю регионах. Повышенная радиоактивность окружающей среды приводит к образованию у человека различных онкологических заболеваний, снижает иммунитет, ускоряет процесс склероза сосудов и ускоряет процесс старения человека. Итак, радиоактивное облучение – это враг здоровья! Людям надо учитывать факт того, что радиоактивный фон окружающей среды в городе в 2 раза выше, чем в сельской местности. Смертельная доза излучения для человека составляет 400 радиан в сутки. Тысячная доля (0,001) радиана – обозначается как милли-радиан или млрад. В каждом предмете, скальной породе или живом существе содержится какие-то количество радиоактивных элементов (лёгких – углерод, азот, сера, фосфор, или тяжёлых – радий, уран, стронций, полоний и так далее). Атмосфера современных городов имеет радиоактивный фон (в среднем) 85 млрад \ в год, а в сельской местности максимальная радиоактивность атмосферы 18 млрад \ в год, то есть фон более чем в 4 раза меньший. Городские дома строятся из бетона и кирпича. Бетон имеет радиоактивный фон 250 млрад \ в год, кирпич – 50 млрад \ в год. Деревенские дома строятся из брёвен различных сортов деревьев, радиоактивный фон  которых не превышает 7 млрад \ в год, то есть в деревне человек, находясь в помещении, облучается в десятки раз слабее. Мрамор излучает всего 180 млрад \ в год. Гранит относится к самым прочным и одновременно к самым радиоактивным строительным материалам, так как излучает в окружающую среду до 500 млрад \ в год. По химическому составу кристаллы графита содержат достаточно высокую концентрацию таких тяжёлых радиоактивных элементов как уран, полоний, радиоактивный калий, торий, радий и другие. Когда человек посещает метро или дворцы, обложенные гранитными плитами, он получает огромную дозу облучения. От асфальтированной дороге исходит радиоактивный фон в 90 млрад \ в год, но источник радиации дороги – в основном гранитные камушки и гравий, который закладывается под асфальт. Деревенские луга и поля, по которым чаше всего ходят сельские жители, имеют радиоактивный фон всего в 9 млрад \ в год, то есть в 10 раз меньший, чем асфальтные дороги в городе. Горожане чаще пользуются воздушным транспортом (самолётами). Хорошо известно, что космическое радиоактивное излучение поглощается атмосферой Земли, иначе радиация уничтожила бы жизнь на планете. Если на высоте 100 метров радиоактивный фон равен 15 млрад \ в год, то на высоте 10 километров он будет облучать пассажиров (в основном через стеклянные иллюминаторы) с интенсивностью в 65 млрад \ в год (в период спокойного Солнца). К 2500 году вся поверхность Земли будет застроена высотными домами, и всё население планеты станет городским населением.  

 

Пища  и вода, которые мы потребляем каждый день, имеют радиоактивность  0,7 – 1,5 млрад \ в год, а самыми радиоактивными являются кости (6 млрад \ в год) человека и животного, так как в них «осаждаются» все тяжёлые радиоактивные элементы (стронций, уран, радий), которые попадают в желудочно-кишечный тракт с пищей при жизни организма. Мясо коровы (говядина) имеет радиоактивный фон в 1,5 млрад \ в год, яблоки – 0,2 млрад \ в год. Итак, даже питьевая вода, растения и животные, которые человек потребляет как мясо в пищу, содержат радиоактивные вещества в виде радия, плутония, тория, радиоактивного калия, йода, кобальта, хрома. Вот почему самым опасным источником радиоактивного излучения для внутренних органов человека является пища, так как при переваривании в желудочно-кишечном тракте она всасывается в кровь, а с кровью радиоактивные вещества поступают внутрь органов, касаясь непосредственно наших клеток. Далее клетки всасывают в протоплазму молекулы пищи, в составе которых содержатся многие радиоактивные ионы и атомы. Таким образом, радиоактивные вещества проникают непосредственно внутрь клеток нашего организма. Даже воздух в лесу, которым мы дышим, имеет небольшой процент радиоактивного азота, кислорода, углерода, аргона и водорода (дейтерий и тритий) 0,001 млрад \ в год. Запыленный и загазованный воздух в городах имеет в 100 раз больше пылевых частиц, а поэтому имеет более повышенный радиоактивный фон 0,1 млрад \ в год, чем лесной воздух. Источниками элементарных частиц является Солнце и другие звезды, космическое пространство, атмосфера с ее вторичным фоном излучения, кора Земли, где содержатся радиоактивные элементы, окружающие предметы – стены, камни, металлические изделия, где содержатся микродозы тяжелых радиоактивных элементов. На поверхности Земли тело человека за одну секунду пронизывают миллионы элементарных частиц в виде вторичного космического излучения. Если космонавт выходит в скафандре из стального космического корабля в «открытый» космос, то доза облучения космическими лучами увеличивается в 600 раз по сравнению с поверхностью Земли! Атмосфера Земли спасает растения и животных от губительного действия космического излучения, уменьшая этот поток в 600 раз. 

 

3. Механизм  воздействия радиации на органические  молекулы внутри клетки. Организм каждого человека подвержен воздействию «ионизирующего излучения». Каждую секунду внутрь нашего организма на различную глубину проникают миллиарды элементарных частиц: электроны, позитроны, нейтроны, гамма – лучи, альфа – лучи, рентгеновские лучи, нейтрино, радиоволны и десятки других элементарных частиц. Элементарные частицы вылетают из радиоактивного атома с огромной скоростью, часто со скоростью света. Все элементарные частицы имеют «вредное для живых тканей свойство» пронизывать человеческий организм насквозь и при этом сталкиваться на своем пути с длинными органическими цепочками ДНК, белков, жиров и углеводов, которые разрываются на две части этим излучением. В зависимости от скорости полета и массы, элементарная частица может разорвать на две части от 5 (электрон) до 200 (альфа - частица) молекул жиров, белков, углеводов, ДНК, воды, которые исполняют определенные и очень нужные функции в клетках. Разрыв длинных органических молекул (белков, жиров и углеводов) происходит так же от ядерных реакций, например, от радиоактивного превращения атома углерода, который входит в состав длинной цепочки органического вещества, в атом азота. Радиоактивные элементы могут образовываться внутри клетки под действием радиоактивного облучения из внешней среды. Например, в ядро одного из атомов углерода (₆ C ¹²), входящий в состав ДНК, влетает один протон (₁p⁺¹). Тогда атом углерода превращается в радиоактивный атом азота (₆ C ¹²  + ₁p⁺¹ =  ₇ N¹³). От этого превращения (C → радиоактивный N) сплошная цепочка длинной молекулы ДНК разрывается на две части. Внутри клетки радиоактивные атомы начинают излучать элементарные частицы высоких энергий (электроны, позитроны, альфа - частицы, нейтрино, гамма - кванты и многие другие).