Старение (биология)

Шаблон:Другие значения

Файл:Ann Pouder.jpg

Старая женщина. Анн Поудер 8 апреля 1917 года в свой 110-й день рождения. Сморщенная кожа — типичный признак старения человека.

Старение — в биологии процесс постепенного разрушения и потери важных функций организма или его частей, в частности способности к размножению и регенерации. Вследствие этого организм становится менее приспособленным к условиям окружающей среды, уменьшает свою способность бороться с хищниками и болезнями. Явление старения в той или иной мере наблюдается практически у всех живых организмов. Термин «старение» также может использоваться и для описания разрушения неживых систем, и для описания социальных эффектов старения человека. Наука, которая изучает старение, называется геронтологией, её область, которая изучает биологические эффекты старения — биогеронтологией.

Старение разных организмов

Старение и размножение

Размножение — важная функция жизни организмов: все другие жизненные процессы, в частности старение и смерть, адаптированы к его потребностям. Для понимания процесса старения важно подчеркнуть различия между одноплодными и многоплодными стратегиями размножения. Одноплодные организмы размножаются с помощью единичного акта размножения на протяжении жизни организма. Большинство одноплодных организмов — однолетние и двухлетние растения, но среде них много насекомых и несколько позвоночных животных, в том числе розовый лосось и угорь. Многоплодные организмы, с другой стороны, размножаются периодически на протяжении диапазона половой зрелости, который обычно составляет большую часть жизни.

Одноплодные организмы

У одноплодных форм размножения старение имеет место в конце жизненного периода, после которого организм проходит через стадию очень быстрого старения, которое приводит к смерти организма. У растений фаза старения обычно является составляющей частью возобновляемого процесса, важной для его завершения. Распространение семян, например, сопровождается процессами созревания, падения плодов и высыхания семян — процессов, неотделимых от процесса старения растения. Это быстрое старение вызывается с помощью определённых гормонов, уровень которых меняется в зависимости от состояния развития растения и экологических условий. Если, например, препятствовать выделению гормона роста растений — ауксина — экспериментальными методами, растение живёт дольше и проходит через нетипичное для неё долгое старение.

Подобная картина старения наблюдается и у некоторых насекомых, которые отличаются двумя чёткими стратегиями адаптивной окраски: защитная окраска, с помощью которой насекомые маскируются от потенциальных хищников, и отпугивающая окраска, которая обычно указывает на ядовитость насекомого. Эти два примера адаптации имеют разные оптимальные стратегии выживания видов: насекомые с защитной окраской умирают быстрее после завершения размножения, тем самым сокращая возможность для хищниковв научиться распознавать их,— тогда как насекомые с отпугивающей окраской живут очень долго после размножения, увеличивая возможность хищников запомнить их. Обе стратегии адаптаций найдены среди представителей семейства мотыльков-сатурний, на примере которых было показано, что продолжительность их жизни после размножения контролируется гормональной системой, которая также контролирует ту часть времени, которую насекомые проводят в полёте: мотыльки с защитной окраской проводят больше времени в полёте, истощают себя и быстро умирают, тогда как мотыльки с отпугивающей окраской летают меньше, сохраняют энергию, и в результате — живут дольше<ref name=britannica_aging>Шаблон:Cite web</ref>.

Эти примеры иллюстрируют случай, когда у одноплодных форм, которым полная сила и функциональность необходимы фактически до конца жизни, старение проходит очень быстро и связано с завершением процесса размножения, и часто активно управляется относительно простыми гормональными механизмами, которые могут развиваться под действием естественного отбора. Такие специфические генетически контролируемые процессы старения — образец запрограммированного завершения жизни, которые проявляются, когда такое старение даёт преимущество для выживания молодёжи. Но в других случаях быстрое старение одноплодных организмов является результатом истощения организмов, более не нужных после размножения.

Многоплодные организмы

Шаблон:Main

Файл:Gompertz law.png

Пример закона Гомпертца-Мейкгама для человека в трёх условных странах с разной продолжительностью жизни (укр.- График 1: Вероятность смерти до определённого возраста, График 2:Размер популяции, ось Х — возраст в годах)

Многоплодные формы включают большинство позвоночных животных, большинство долгоживущих насекомых, ракообразных и пауков, головоногих и брюхоногих моллюсков, и многолетние растения. В отличие от одноплодных форм, многоплодным организмам не нужно использовать все жизненные силы до конца их воспрозводящей фазы (фазы размножения) для того, чтобы размножение прошло успешно, и средняя продолжительность жизни относительно периода размножения весьма значительно меняется у разных особей и в зависимости от вида: маленькие грызуны и дикие птицы используют в среднем только от 10 до 20 процентов их потенциального периода размножения, тогда как киты, слоны, обезьяны и другие крупные млекопитающие в природных условиях используют более 50 процентов своих периодов размножения, и часто даже переживают его.

У многоплодных организмов старение имеет постепенный характер: без очевидных специфических системных или экологических механизмов, которые бы инициировали этот процесс. Старение в первую очередь проявляется как снижение возможностей организма к размножению. У видов, которые достигают фиксированного размера тела, снижение возможностей к размножению начинается довольно рано — и ускоряется с возрастом. У больших пресмыкающихся, которые достигают половой зрелости еще имея небольшой размер и продолжают расти на протяжении долгого воспроизводящего периода, число откладываемых яиц увеличивается с возрастом на протяжении довольно долгого периода, но в конце концов сравнивается и постепенно снижается. Воспроизводящий период в таких случаях короче продолжительности жизни.

Ещё одной особенностью многоплодных организмов является зависимость скорости процесса старения от способности размножаться и от возможностей выживания потомства — наиболее плодовитые организмы стареют намного быстрее, чем менее плодовитые. Такая зависимость позволяет выживать животным с малой продолжительностью жизни за счёт большого потомства, а неплодовитым животным — за счёт большого числа возможностей для размножения.

Для математического описания старения многоплодных организмов иногда используется так называемый закон смертности Гомпертца-Мейкгама<ref name=britannica_aging/> (или просто Гомпертца), согласно которому вероятность смерти экспоненциально возрастает с возрастом: <math>p=a+b^x</math>, где x — возраст, а p — относительная вероятность смерти за определённый промежуток времени, a и b — коэффициенты. Таким образом, при отсутствии постянного члена a, розмір популяції знижується з віком за подвійною експонентою <math>s(x)=exp[-m(b^x-1)]</math><ref>Шаблон:Cite web</ref>. Этот закон эмпирический и имеет место не для всех животных и не на всех промежутках времени, но он наиболее простой для сравнения старения разных организмов, и потому коэффициент b часто используется в качестве показателя скорости старения.

Следует отметить, что закон Гомпертца-Мейкгама является только приближением, верным в среднем возрастном диапазоне. В области малого возраста наблюдается значительно более высокая смертность, чем предусматривается этим законом. Например, северная треска во время нереста может откладывать до 6 миллионов икринок, но только небольшое количество из них выживает до момента половой зрелости<ref>Шаблон:Cite web</ref>. Такая смертность является преимущественно результатом неспособности молодых особей избегать хищников, бороться с болезнями, а также может быть результатом вроджённых деффектов, и не является результатом старения. В области позднего возраста, наоборот, наблюдается уменьшения смертности по сравнению с законом Гомпертца, точнее выход вероятности смерти за единицу времени на плато<ref>Шаблон:Cite web</ref>. Как и в случае детской смертности, это общий закон, который наблюдается даже в неживой природе<ref>Шаблон:Cite journal</ref>. И хотя одним из возможных объяснений этого явления могла бы быть гетерогенность популяции, современные данные чётко указывают на связь выхода смертности на плато с удлинением процесса старения<ref name=rose>Шаблон:Cite journal</ref>.

Для многоплодных организмов очевидное влияние факторов популяционной динамики на эволюцию репликативного (возобновляющего) и соматичного (телесного) старения. Пропорциональное внесение индивидуума в скорость увеличения размера многоплодной популяции уменьшается с возрастом по мере уменьшения способности размножаться. Эти факты предполагают наличие оптимального размера потомства от одной особи. Насколько это может направить эволюцию специфического старения или методов защиты против старения, вызванного другими причинами, — всё еще остаётся открытым вопросом, в котором нет единого мнения у исследователей <ref name=britannica_aging/>.Шаблон:-

Старение в разных таксономических группах

Шаблон:Main

Многоклеточные животные

Эффект старения животных обычно наблюдается только в защищённых средах (например, лабораториях и зоопарках). В природных условиях доминирующей причиной смерти являются хищники, болезни или недостача еды, потому старение проявляется очень редко. Как правило, естественная продолжительность жизни животного только ненамного превышает время достижения половой зрелости, а максимальная продолжительность жизни до смерти от старости в несколько раз больше (однако, существует несколько исключений из этого правила). У следующей таблице приведены значения максимальной зарегистрированной продолжительности жизни некоторых организмов до смерти от старости, таблица составлена преимущественно основываясь на данных, полученных в защищённых средах.

Продолжительность жизни многоклеточных животных (лет) ^а

Организм Максимальная ПЖ (лет) Млекопитающие Человек (Homo sapiens) 122 б Слон (Elephas maximus) 69-86 Шимпанзе (Pan troglodytes) 37-75 Собака (Canis familiaris) 29-34 Корова/домашний бык (Bos taurus) 30 Кошка (Felis catus) 29 Дикий кабан (Sus scrofa) 27 Домашняя коза (Capra hircus) 18-20 Белка (Sciurus vulgaris) 15-16 Домовая мышь (Mus musculus) 4 Птицы Гриф-индейка (Cathartes aura) 118 Лебедь-шипун (Cygnus olor) 70 Суринамский амазон (Amazona ochrocephala) 56 Сизый голубь (Columba livia) 35 Воробей (Passer domesticus) 23 Ласточка обыкновенная (Hirundo rustica) 9 Колибри (Colibri spp.) 8 Голубая комароловка (Polioptila caerulea) 4

Организм Максимальна ПЖ (лет) Пресмыкающиеся и земноводные Галапагосская черепаха (Geochelone nigra) 177 Нильский крокодил (Crocodylus niloticus) 44-68 Японская гигантская саламандра (Andrias japonicus) 55 Большая зелёная жаба (Lithobates catesbeianus) 30 Европейская чёрная саламандра (Salamandra atra) 17 Храмовая черепаха (Hieremys annandalii) 9 Рыбы Озёрный осетер (Acipenser fulvescens) 152 Сом (Silurus glanis) 60 Гамбузия аффинис (Gambusia affinis) 2-3 Насекомые Периодическая цикада (несколько видов рода Magicicada) 17 Муравей-королева (Formicidae) 15 Дрозофила меланогастер (Drosophila melanogaster) 30 дней Подёнки (Ephemeroptera) 1-3 дня Другие Актиния (Actiniaria) 70 Пиявка (Hirudo medicinalis) 27 Дождевой червь (Lumbricus terrestris) 10 C. elegans 20 дней

Примечания:

^а Эта таблица является сокращённым вариантом таблицы, приведенной у статье Максимальная продолжительность жизни с целью показать приблизительный диапазон продолжительностей жизни для основных групп организмов. Ссылки на источники каждого значения приведены в полном варианте. При составлении таблицы указывались все найденные значения возраста, хотя достоверность их разная. Лучшиим источником возраста для большинства организмов является AnAge Database в связи с тем, что эта база данных в большинстве случаев содержит подробные ссылки на первоисточники использованной информации и обговаривает их достоверность. Подробнее см. здесь.

^б Следует отметить, что человек в наибольшей мере из всех животных способен пользоваться улугами медицины, кроме того, случаи долгой жизни человека намного лучше задокументированы. В результате продолжительность жизни человека кажется более долгой, чем для аналогичных животных.

Факторы, которые оказывают влияние на продолжительность жизни. Продолжительность жизни очень сильно разнится между видами животных. Несколько факторов имеют свое влияние на неё. В большинстве случаев продолжительность жизни зависит от плодовитости животного: чем больше потомства оно даёт, тем меньше живёт. Кроме того, продолжительность жизни зависит от размера животного, размеру его мозга и метаболической активности. Например, как правило меншьшие по размеру животные имеют меньшую, а большие по размеру — большую продолжительность жизни.

Млекопитающие. Наилучшим образом исследована зависимость продолжительности жизни от таксономической группы среди млекопитающих. Приматы, в целом, — наиболее долгоживущая группа, хотя некоторые небольшие обезьяны Нового Света имеют достаточно короткую жизнь. Мышиные грызуны недолговечны, тогда как беличьи грызуны достигают втрое большего возраста, чем мышиные. Протяжнённость жизни зависит от трёх отдельных факторов: ввеса мозга, веса тела, и скорости обмена веществ (метаболизма)<ref name=britannica_aging/><ref>Шаблон:Cite journal</ref>. Зависимость продолжительности жизни от этих факторов может быть выражена в форме эмпирического уравнения: L = 5,5 E^0,54 S^-0,34 M^-0,42. Продолжительность жизни (L) млекопитающих в городах зависит от веса мозга (E) и веса тела (S) в граммах и от скорости обмена веществ (М) в калориях на грамм за час. Позитивный показатель экспоненты для E (0,54) показывает, что долговечность млекопитающих сильно и позитивно зависит от размера мозга независимо от размера тела или скорости обмена веществ. Негативный коэффициент для скорости обмена веществ показывает, что продолжительность жизни уменьшается с ростом активности организма. Негативный показатель для веса тела указывает, что тенденция, что большие животные живут дольше, является результатом не большого размера тела, а большой массой мозга.

Типичная зависимость несколько нарушается в случае пород собак. Большие по размеру породы собак, хотя и достигают половой зрелости медленнее, живут значительно меньше, разница составляет около 2 раз между крупнейшими и самыми мелкими породами. Этот пример был первым экспериментом, который показал, что селекция в принципе способна изменять продолжительность жизни.

Птицы. Такой же вид зависимость L от E, S и М имеет и для птиц, но птицы в целом живут дольше, чем млекопитающие, несмотря на более высокие температуры тела и скорости естественного обмена.

Пресмыкающиеся. Крупные пресмыкающие имеют продолжительности жизни, которые превышают продолжительности жизни млекопитающих соответствующего размера, но скорость их естественного обмена в десятки раз меньше. Таким образом, полная потеря энергии за жизнь у пресмыкающих меньше, чем у млекопитающих.

Членистоногие. Продолжительность жизни разных видов членостоногих может составлять от нескольких дней до нескольких десятилетий. Наиболее недолгоживущие насекомые имеют одну короткую воспроизводящую фазу; долгоживущие пауки и ракообразные — многоплодные, с годовыми циклами воспроизводства.

Затраты энергии Крупные животные с весьма развитым мозгом, особенно приматы, вырабатывают на протяжении жизни наибольшее количество энергии. Например, полная выработка энергии за жизнь человека на грамм ткани составляет около 1,2 млн. калорий, а за жизнь таких домашних животных, как кошки и собаки, только 0,4 млн. калорий.

Приведённая више зависимость имеет место для теплокровных животных. Холоднокровные животные, которые впадают в периоды ежедневной неактивности или зимней спячки, могут значительно сокращать свою метаболическую активность, часто более чем вдесятеро. Насекомоядные летучие мыши умеренных широт — известнейший пример — хотя они имеют продолжительность жизни более чем 20 лет, почти 80 процентов этого времени тратится в глубокой спячке. В результате потеря ими энергии на протяжении жизни не превышает затраты энергии другими маленькими млекопитающими.

Медленно стареющие позвоночные животные. Хотя у большинства животных старение очевидно, у некоторых животных оно незначительно. Примерами таких животных являются некоторые крупные пресмыкающиеся, в первую очередь черепахи. Например, галапагосская черепаха (Geochelone nigra) способна жить до 177 лет<ref>Шаблон:Cite web</ref>, а некоторые рыбы, например осетровые достигают возраста старше чем 150 лет<ref>Шаблон:Cite book</ref>. Тем не менее, продолжительность жизни и старение этих животных исследованы очень плохо. Кроме того, даже на протяжении долгой жизни, затраты энергии этих организмов незначительны, намного меншие, чем у млекопитающих. Кроме того, эти животные постепенно увеличиваются в размере даже после достижения половой зрелости, что позволяет им разбавлять стареющие клетки тела новыми.

Одноплодные животные. Как уже указывалось, картина старения одноплодных организмов весьма различается. Одним из самых интересных примеров такого старения является жизненный цикл розового лосося. Обычная продолжительность жизни рыбы составляет около двух лет. Мальки лосося вылупляются в пресноводных водоёмах, мигрируют вниз по течению к морю, где и проводят большую часть жизни. После достижения половой зрелости, лосось большой стаей поднимается вверх по течению к месам нереста, во время этого путешествия старость рыб еще не заметна, а рыбы должны быть в отличной физической форме, чтобы подниматься через пороги. Однако уже через неделю после нереста, лосось умирает от старости, что легко заметить по деградации почти всех тканей организма. Хотя продолжительность жизни значительно отличается у родственных видов, все они имеют только одну возможность нереста после которой все рыбы умирают<ref name=goldsmith>Шаблон:Cite web</ref>.

Аналогичную картину старения имеет и периодическая цикада (Magicicada spp.), также известная как «17-летняя саранча». Её личинки живут в земле 17 лет, после чего превращаются во взрослых крылатых насекомых, спариваются, откладывают яйца, и умирают. Обычно все насекомые в «выводке» на территории сотен тысяч км² достигают взрослого состояния вместе в 24-часовой период, что, кажется, является стратегией выживания, когда птицы и другие хищники не имеют возможности справиться с огромным количеством цикад, кроме того, облегчается поиск партнера для спаривания. Продолжительность жизни взрослых насекомы составляет лишь несколько недель<ref name=goldsmith/>.

Изнашивание незаменимых органов. Для некоторых животных результатом смерти может стать изнашивание важных незаменимых органов, даже при незначительном старении остального организма. Например, продолжительность жизни некоторых травоядных животных ограничивается стачиванием их зубов во время пережовывания жёсткой травы. В то же время человек может вырастить только два набора зубов, наиболее долгоживущее травоядное животное, слон, может вырастить шесть, что позволяет заменять сточенные зубы новыми. Тем не менее, в связи с относительно медленным старением и небольшим количеством естественных хищников, слоны часто доживают до возраста, когда последний набор зубов стачивается, и животное умирает от голода<ref name=goldsmith/>.

Долголетие некоторых простейших животных. Некоторые простейшие животные практически избегают старения за счёт быстрого обновления клеток всех тканей своего тела, что возможно за счёт простой и децентрализованной структуры тела. Примерами таких организмов являются морские актинии и пресноводные гидры. При самом детальном исследовании, опубликованном в 1998 году<ref name=hydra>Шаблон:Cite journal</ref>, было показано, что по внешним, микроскопическим признакам и способностью к размножению, гидра не проявляет признаков старения на протяжении всего исследования в течение 4 лет. Даже если она в принципе и может стареть, разница между продолжительностью жизни и временем достижения половой зрелости, который составляет лишь около недели, весьма существенна.

Растения

Шаблон:Main

Продолжительность жизни многолетних растений (лет)

Организм	Продолжительность жизни (оценка)
Креозотовый куст* (Larrea tridentata)	11 000<ref name=encarta_span>Шаблон:Cite web</ref>
Секвойядендрон (Sequoiadendron giganteum)	4 000<ref name=britannica_plants>Шаблон:Cite web</ref><ref name=encarta_span/>
Дуб черешчатый (Quercus robur)	2 000<ref name=britannica_plants/>
Лиственница европейская (Larix decidua)	700<ref name=britannica_plants/>
Лук (Allium ursinum)	8-10<ref name=medicinal_plants>Шаблон:Cite web</ref>
Молочная вика (Astragalus utahensis)	3<ref name=medicinal_plants/>

Примечание: * В этом случае возможны проблемы с идентификацией того же «индивидуума».

В случае растений понятие старения выражено не так чётко, как для животных. Такие понятия, как старение, созревание, смерть, развитие, хлороз, некроз, высушивание, плохо разграничены и часто перекрываются<ref>Шаблон:Cite journal</ref>. Кроме того, не ясно что делать в случае семян, которые могут сохраняться довольно долго, не проявляя никакой физиологической активности, или с частями растений, которые дают начало новым растениям в результате вегетативного размножения. Продолжительность жизни очень сильно разнится среди представителей царства растений. Некоторые виды деревьев могут жить несколько сотен лет, тогда как некоторые растения завершают свой жизненный цикл за несколько недель<ref name=guarente>Шаблон:Cite journal</ref>.

Файл:2006-10-22Vitis vinifera02.jpg

Старение листа. Можно увидеть желтение высыхание, которое начинается с внешнего края.

Рассматривая продолжительность жизни растений, важно принимать во внимание, что смертность клеток очень высока на протяжении всей жизни растения, а отмирание тканей, или, в случае одноплодных организмов, целых растений, регулируется системой гормонов. Рост сосудистых растений зависит от активности меристем, которые состоят из клеток, аналогичных стволовым клеткам животных, и по сути представляют собой эмбриональные ткани. В случае многих многоплодных (многолетних) растений, этот рост может продолжаться практически неограниченно. Остальные ткани растений, тем не менее, постоянно отмирают. Например, большая часть массы дерева состоит из мёртвых клеток древесины. Отдельные органы растений, такие как листья, имеют продолжительность жизни значительно меньше, чем продолжительность жизни всего организма. Листву выгодно поддерживать только если она способствует выживанию всего растения. Это можно проследить на примере листопадных растений умеренного пояса: при условии уменьшения светового дня или снижения температуры, в растениях запускается запрограммированная смерть клеток, которая обычно приводит к смене окраски листьев и их опадание.

Это «желтение» листвы в литературе часто называется старением листьев или синдромом старения<ref name=bleecker>Шаблон:Cite journal</ref>. С помощью процесса старения питательные вещества умирающего листа мобилизуются для использования другими частями растения, что позволяет поддерживать их рост. Наличие питательных веществ, в первую очередь азота, является главным лимитирующим фактором роста. Кроме того, растения не могут изменять своё положение в грунте, и таким образом выживают своё окружение. В результате существует сильное эволюционное давление на развитие систем вторичной переработки необходимых для жизни компонентов.

Есть много факторов, которые могут инициировать программу старения и переработки питательнх веществ. У некоторых видов её может вызвать потребность в питательных веществах в другом месте, например для развития семян <ref>Шаблон:Cite journal</ref>. Также программа отмирания листвы или других частей растения может быть вызвана постепенным снижением их продуктивности со временем за счёт старения фотосинтетического аппарата или сосудистой системы этих частей организма, аналогично процессу старения животных<ref name=guarente/><ref name=bleecker/>.

Процесс старения, аналогичный старению многоплодных животных, также случается у растений при отсутствии запрограммированного старения. Этот процесс характеризуется сменами клеточной структуры, подобными сменам структуры животных клеток.

Одноклеточные организмы

Одноклеточные организмы, как и многоклеточные, подлежат старению и интенсивно исследуются через подобность их старения клеточному старению многоклеточных организмов. Модельным организмом для изучения клеточного старения являются почкующиеся дрожжи, (Saccharomyces cerevisiae), которые, как эукариоты, владеют биохимическими процессами, подобными биохимическим процессам стареющих клеток высших животных и растений. Напротив, исследованияя были проведены и среди некоторых бактерий, в частности Escherichia coli и Caulobacter crescentus.

На одноклеточных организмах были исследованы две разные формы процессов старения<ref name=laun>Шаблон:Cite journal</ref>. Первая — старение, специфичное для материнской клетки при клеточном делении, при котором материнская клетка стареет, тогда как дочерняя клетка при каждом делении обнуляет клеточные часы (омолаживается). Старение материнской клетки проявляется в постепенном замедлении клеточного цикла, после чего клетка теряет способность к новым делениям, так называемое репликативное старение. Этот процесс был сначала найден у клеток с ассиметричным делением, то есть в почкующихся дрожжах, а потом у ассиметричной бактерии Caulobacter crescentus, где определение материнской клетки очевидно<ref name=ackerman>Шаблон:Cite journal</ref>. Позднее наблюдения за делением клеток позволили определить материнскую клетку и в организме с симметричным делением — бактерии E. coli, где материнской клеткой является клетка со «старым концом», хотя позднее были найдены и незначительные морфологические различия между материнскими и дочерними клетками<ref>Шаблон:Cite journal</ref>.

Возраст в данном случае определяется по числу делений, через которые прошла клетка, а не календарным временем. Типовая средняя продолжительность жизни лабораторных дрожжей (Saccharomyces cerevisiae) дикого типа составляет около 25 поколений. Функция распределения продолжительности жизни индивидуальных клеток следует закону Гомпертца, также, как и продолжительность жизни высших животных<ref name=laun/>. У бактерии Caulobacter crescentus средняя продолжительность жизни составляет от 100 до 130 делений<ref name=ackerman/>.

Второй процесс старения, также найденный в этих трёх модельных организмах, — хронологическое старение клеток, больше известный как условное старение (в связи с тем, что этот процесс проявляется только в определённых условиях окружающей среды). Этот процесс проявляется в постепенной деградации и потере жизнеспособности клеток на протяжении стационарной фазы<ref name=laun/><ref>Шаблон:Cite journal</ref><ref>Шаблон:Cite journal</ref>.

На примере дрожжей было обнаружено, что, подобно процессу репликативного старения, специфичного для материнских клеток, условное старение является как процессом износа внутриклеточных структур, так и генетической программы. Например, клеточная стенка в стационарной фазе проходит через ряд генетически запрограммированных структурных изменений с целью повышения жизнеспособности и продолжительности жизни организма. Но, в конце концов клетка стареет и умирает<ref name=laun/>.

Наследование долголетия

Наследование долголетия в популяциях таких животных, как плодовые мухи и мыши, может быть определено, если сравнивать таблицы продолжительности жизни естественных популяций и некоторых мутантов и гибридов. Согласно экспериментальным данным, около 30 процентов вариации долголетия самок и 20 процентов долголетия самцов определяется генетически. Эти значения подобны наследованию таких физиологических черт, как количество отложенных яиц и производство молока домашними животными<ref name=britannica_aging/>.

Коэффициент экспоненты функции Гомпертца указывает скорость старения. Отличия в долголетии между видами является результатом прежде всего различий в скорости старения, и потому выражаются в различиях в этом коэффициенте.

Сравнение таблиц смертности разных штаммов мышей одного вида показывает, что различия между штаммами в первую очередь идут от различий в независимом от возраста члене функции Гомпертца. Если штаммы отличаются только независимым от возраста членом, менее долголетние штаммы имеют большую смертность, которая выше на постоянную величину на протяжении всей жизни, что проявляется в вертикальном сдвиге функции Гомпертца. При этом часто случается, что гибриды первого поколения (F1) двух природных штаммов живут дольше, чем любой из родителей. Хотя исследований биохимических процессов таких гибридов не проводилось, таблицы продолжительности жизни указывают, что гибриды отличаются от родительских штаммов только независимым от возраста членом, но не изменением скорости старения. Другие исследования также показали, что в значительной мере вариации в продолжительности жизни между штаммами мышей поясняются различиями в унаследованной склонности к определённым болезням.

Наследование долголетия людей сложнее исследовать, потому что на продолжительность жизни влияют социально-экономические и другие внешние факторы, которые усложняют корреляции между близкими родственниками. Тем не менее, исследования указывают на некоторую, хотя и небольшую, наследуемость продолжительности жизни и склонности к таким болезням как рак и болезни сердца, в первую очередь из-за того, что однояйцевые (генетически идентичные) близнецы чаще имеют схожие частоты этих заболеваний, чем соответственно разнояйцевые (генетически разные) близнецы.

Изменения организма во время старения

Физиология старения

Шаблон:Main

Файл:SABG MEFs.jpg

Клеточное старение
Верх: Первичные мышиные фибробласти (MEF) до старения.
Низ: MEF стареют после достижения границы Гейфлика. Клетки увеличиваются, получают плоскую форму и экспрессируют новые гены, характерные для старения (SABG, синий цвет).

Среди всех организмов наилучшим образом изучены изменения, происходящие в организмах млекопитающих, в первую очередь из-за родства этих организмов человеку, но также и в связи с тем, что симптомы старения наиболее чётко выражены среди них.

Все млекопитающие являются многоплодными организмами, у которых старение имеет медленный характер и охватывает практически все системы организма. Общие изменения включают снижение основной массы тела (живых клеток и костей) при возрастании полной массы за счёт возрастания количества жировых отложений и содержания воды. Основной обмен, то есть минимальный уровень метаболической активности, снижается во всех тканях, как и уровень добровольной активности, но последняя сильно зависит от вида животных и физической нагрузке на протяжении предыдущей жизни.

Через формирование перекрёстных связей между молекулами коллагена, основного структурного межклеточного белка организма млекопитающих, и кольцефикацию гладких мышц и стенок сосудов, увеличивается жёсткость соединительной ткани. При этом одновременно проходит декольцефикация костей скелета, в результате чего кости стаюновятся тоньше, менее надёжными и менее крепкими. Через потоншення хребців зменшується ріст тіла.

У большинстве тканей происходит атрофия клеток и даже целых структур, особенно это заметно в некоторых тканях, которые не восстанавливаются, в первую очередь центральной нервной системы. Хотя даже количество периферийных нервных волокон человека уменьшается на 20 процентов до 90-летнего возраста, больше всего страдают клетки коры головного мозга. Эта потеря нейронов — главная причина снижения умственных способностей пожилых людей, хотя некоторый эффект имеет и снижение поступления кислорода.

Также для многих тканей характерны отложения инертных и потенциально опасных веществ. Например, пигмент липофусцин, отсутствующий в молодости, в старости составляет до 3 % массы сердечной мышцы. Очень известны отложения и в кровеносных сосудах — атеросклероз.

Также заметны изменения в эндокринной системе, которая замедляет ответ на изменения внешней среды, в результате организм становится более чувствительным к каким-либо неблагоприятным факторам (стресс).

Из-за старения имунной cистемы увеличивается вероятность автоимунных реакций при общем снижении активности тимус-зависимой подсистемы. В результате как увеличивается вероятность раковых клеток развиться в опухоль, так и возникает риск автоимунных болезней.

На клеточном уровне старения проявляется в замедлении деления клеток. Частично этот эффект является результатом так называемой границы Гейфлика деления соматических клеток. Эта граница связана с отсутствием активной теломеразы, в результате чего конечные участки хромосом, теломеры, сокращаются при каждом делении. У человека соматическая клетка максимально может делиться около 52 раз, после чего теломеры исчезают, и в клеток запускается программа апоптоза, «альтруистического самоубийства» клеток. Хотя граница Гейфлика и считается основной причиной уменьшения уровня клеточного деления, даже стволовые клетки, в которых эта граница отсутствует, становятся менее активными, замедляют свое деление и не так часто превращаются в соматические клетки.

Генетика старения

Генетика старения эукариотов

Во время старения клетки проходят через ряд генетических изменений, которые тем или иным образом влияют на ход процесса старения. Исследование старения эукариотов были проведены с помощью целого ряда модельных организмов, таких как домовая мышь (Mus musculus), плодовая муха (Drosophila melanogaster), круглые черви Caenorhabditis elegans, филаментарные грибы Podospora anserina и дрожжи Saccharomyces cerevisiae. Исследования этих организмов выявили присутствие как минимум двух путей, которые активизируются во время старения.

Гены, которые влияют на процесс старения

Podospora	Saccharomyces	Caenorhabditis	Drosophila	Мышь
grisea	LAG1	daf-2	sod1	Prop-1
	LAC1	age-1/daf-23	cat1	p66shc
	RAS1	daf-18	mth	mclk1
	RAS2	akt-1/akt-2
	PHB1	daf-16
	PHB2	daf-12
	CDC7	ctl-1
	BUD1	old-1
	RTG2	spe-26
	RPD3	clk-1
	HDA1	mev-1
	SIR2
	SIR4-42
	UTH4
	YGL023
	SGS1
	RAD52
	FOB1

Один из этих путей использует ген SIR2, NAD±зависимую гистоновую деацетилазу. В дрожжах белок Sir2 необходим для подавления генов в трёх локусах (местоположениях): локусе cпаривания дрожжей, генах теломер и рибосомной ДНК (рДНК). В некоторых видах дрожжей симптомы репликативного старения могут частично откликаться гомологической рекомбинацией между повторами рРНК; исключение повторов рРНК приводит к созданию экстрахромосомной циклической рРНК (ЭЦР или ERC, от Шаблон:Lang-en). Эти ЭЦР реплицируются и преимущественно аккумулируются в материнской клетке во время деления, и вызывают клеточное старение за счёт конкурентного связывания с важными ядерными факторами. ЭЦР не наблюдались в других видах дрожжей (которые также проявляют репликативное старение) и в высших организмах, таких как человек. Экстрахромосомная циклическая ДНК (эхцДНК, eccDNA) была найдена в червях, мухах и человеке. Роль эхцДНК в старении, если таковая имеет место, неизвестна.

Несмотря на отсутствие связи между циклической ДНК и старением в высших организмах, дополнительные копии гомологов Sir2 способны к увеличению продолжительности жизни как червей, так и мух. Механизмы, которыми гомологи Sir2 у высших организмов регулируют продолжительность жизни, остаются неясными, но было установлено, что белок человека SIRT1 деацетилирует p53, Ku70 и семейство факторов транскрипции forkhead. SIRT1 также может регулировать другие ацетилированные белки, такие как CBP/p300, и может деацетилировать некоторые аминокислоты гистонов.

RAS1 и RAS2 также влияют на старение в дрожжах и имеют человеческие гомологи. Было показано, что чрезмерная экспрессия RAS2 увеличивает продолжительность жизни дрожжей.

Несколько других генов регулирует старение в дрожжах, увеличивая сопротивление окислительному стрессу. Супероксидная дисмутаза, белок, который защищает клетку против эффектов активных форм кислорода (АФК) митохондрий, может замедлить условное старение дрожжей, если чрезмерно экспрессируется на протяжении стацонарной фазы.

Сильно связанным со старением высших организмов является путь инсулина/IGF-1. Мутации, которые влияют на инсулино-подобную передачу сигналов в червях, мухах и мышах, часто связаны с увеличенной продолжительностью жизни. Этот путь угнетается при условии ограничения калорий, и в свою очередь влияет на продолжительность жизни через механизм, зависимый от белков p53/p21/Akt<ref>Шаблон:Cite journal</ref>.

В дрожжах активность Sir2 регулируется никотинамидазой PNC1. Производство PNC1 увеличивается на уровне транскрипции при условиях стресса, например, во время низкокалорййной диеты, теплового или осмотического шока. Перерабатывая никотинамид в ниацин, он использует никотинамид, который ингибирует активность Sir2. Никотинамидаза найдена и у человека, где она известна как PBEF и, возможно, выполняет подобную функцию, а секретированная форма PBEF, известная как висфатин, возможно, помогает регулировать уровень инсулина в сыворотке. Неизвестно, однако, эти ли механизмы также существуют у человека из-за значительных различиях в физиологии мыши и человека.

Было показано, что активность Sir2 возрастает при условиях ограничения калорий в диете мышей. В связи с отсутствием доступной глюкозы в клетках создаётся больше свободного NAD+, что приводит к активации Sir2. Резвератрол, полифенол найденный в некоторых фруктах, увеличивает продолжительность жизни дрожжей, червей и мух за счёт активизации деятельности Sir2 и имитации эффекта низкокалорийной диеты.

По некоторым данным, процессу старения могут благоприятствовать и флуктуации в экспрессии многих генов<ref>Шаблон:Cite journal</ref>. Индивидуальные, генетически идентичные клетки могут иметь существенно различные ответы на внешние стимулы и заметно разные продолжительности жизни, указывая, что эпигенетические факторы играют важную роль в экспрессии генов и старении.

Генетика старения бактерий

Намного меньше известно о старении бактерий, несмотря на их более простую структуру и удобство наблюдения. Среди бактерий лучше известны изменения, которые происходят во время условного старения (хронологического старения в стационарной фазе) бактерии E. coli<ref name=nystrom>Шаблон:Cite journal</ref>.

Большая часть генетически контролируемых изменений во время условного старения E. coli происходят из-за изменения в уровне экспрессии сигма-фактора σ^s, который отвечает за экспрессию генов, связанных с ремонтом повреждённых белков, аналогично гену C. elegans daf-16 и геном дрожжей RAS/PKA. σ^s конкурирует с другим сигма-фактором, σ⁷⁰, который отвечает за рост бактерии, и никогда не экспрессируется в «полную силу». Таким образом, бактерия продолжает ограниченный рост даже в условиях стационарной фазы, которая даёт ей возможность быстро возобновить рост, если условия изменяются, но недостатком является невозможность σ^s справиться со значительным оксидативным стрессом. Таким образом, остаточная активность σ⁷⁰ в стационарной фазе является примером так называемой антагонистической плейотропии (см. ниже), типа генетической системы, которая развивается за счёт позитивного эффекта на одних стадиях жизни, несмотря на негативный эффект на других, более редких, стадиях.

Причины старения

Иcтория исследования

Первые попытки научного объяснения старения начались в конце XIX века. В одной из первых работ Вайсман<ref>Шаблон:Cite book</ref> предложил теорию происхождения старения как свойства, которое возникло в результате эволюции. Согласно Вайсману, «стареющие организмы не только не являются полезными, они вредны, потому что занимают место молодых», что, согласно Вайсману, должно было привести эволюцию к возникновению старения.

Важным шагом в исследовании старения был доклад профессора Питера Медавара перед Лондонским королевским обществом в 1951 году под названием «Нерешённая проблема биологии»<ref name=medawar>Шаблон:Cite book</ref>. В этой лекции он подчеркнул, что животные в природе редко доживают до возраста, когда старение становится заметным, таким образом эволюция не могла оказывать влияние на процесс развития старения. Эта работа положила начало целой серии новых исследований.

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. Например, в известном обзоре, опубликованом Калебом Финчем в 1990 году, насчитывалось около 4 тыс. ссылок<ref>Шаблон:Cite book</ref>. Только в конце 1990-х годов стуация 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<ref>Шаблон:Cite journal</ref><ref>Шаблон:Cite journal</ref><ref name=kirkwood>Шаблон:Cite journal</ref>. Тем не менее, некоторые исследователи всё еще защищают эволюционный подход<ref name=goldsmith/>, 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

Первая идея, которая легла в основу генетического подхода, была предложена Питером Медаваром в 1952 году<ref name=medawar/> и известнаа сейчас как «теория накопления мутаций» (Шаблон:Lang-en). 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 против себя, даже если в результате них 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<ref name=williams>Шаблон:Cite journal</ref> предположил существование плейотропных 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» (Шаблон:Lang-en).

Вместе эти две теории составляют основу современных представлений о генетике старения<ref name=kirkwood/>. Тем не менее, идентификация ответственных генов имела лишь ограниченный успех. Свидетельсва о накоплении мутаций остаются спорными<ref>Шаблон:Cite journal</ref>, тогда как свидетельства наличия плейотропических генов сильнее, но и они недостаточно обоснованы. Примерами плейотропных генов можно назвать теломеразу 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 нет<ref>Шаблон:Cite journal</ref>.

Эволюционно-физиологический подход

Хотя известно немного специфических генов, предложенных теориями накопления мутаций и антагонистической плейотропии, сейчас существует сильная поддержка наличия физиологических условий, предложенных в работе Вильямса 1957 года<ref name=williams/>. Часто мы можем говорить о компромиссе без чёткого определения генов, от которых они зависят. Физиологическая основа таких компромиссов заложена в так называемой «теории одноразовой сомы» (Шаблон:Lang-en)<ref>Шаблон:Cite journal</ref>. 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 о необходимости выбора лучшего пути их использования.

Поддержка сомы должна 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 одноразовой сомы 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 сомы, является результатом больших затрат ресурсов и, возможно, отсутствия некоторых источников повреждений.

Как возникает старение

Молекулярные механизмы

Существуют свидетельства нескольких важнейших механизмов повреждения макромолекул, которые обычно действуют параллельно один другому или зависят один от другого<ref name=kirkwood/>. Вероятно, любой из этих механизмов может играть доминирующую роль при определённых обстоятельствах.

Во многих из этих процессов важную роль играют активные формы кислорода (в частности свободные радикалы), набор свидетельств о их влиянии был получен достаточно давно и сейчас известен под названием «свободно-радикальная теория старения». Сегодня, тем не менее, механизмы старения намного более детализированы.

Теория соматических мутаций. Многие работы показали увеличение с возрастом числа соматических мутаций и других форм повреждения ДНК, предлагая репарацию (ремонт) ДНК в качестве важного фактора поддержки долголетия клеток. Повреждения ДНК типичны для клеток, и вызываются такими факторами как жёсткая радиация и активные формы кислорода, и потому целостность ДНК может поддерживаться только за счёт механизмов репарации. Действительно, существует зависимость между долголетием и репарацией ДНК, как это было продемонстрировано на примеер фермента поли-АДФ-рибоза-полимераза-1 (PARP-1), важного игрока в клеточном ответе на вызванное стрессом повреждение ДНК<ref>Шаблон:Cite journal</ref>. Более высокие уровни PARP-1 ассоциируются с большей продолжительностью жизни.

Накопление мусора и изменённых белков. Также важным для выживания клеток кругооборот белков, для которого критично появление повреждённых и лишних белков. Окисленные и карбонилованные белки являются типичным результатом влияния активных форм кислорода, которые образуются в результате многих метаболических процессов клетки и часто мешают корректной работе белка. Тем не менее, механизмы репарации не всегда могут распознать повреждённые белки<ref name=nystrom/> и становятся менее эффективными с возрастом<ref name=kirkwood/> за счёт снижения активности протеазом<ref>Шаблон:Cite journal</ref>. В некоторых случаях белки являются частью статических структур, таких как клеточная стенка, которые не могут быть легко разрушены. Кругооборот белков зависит также и от белков-шаперонов, которые помогают белкам получать необходимую конформацию. Тем не менее, с возрастом наблюдается снижение в их активности<ref>Шаблон:Cite journal</ref>, хотя это снижение может быть результатом перегрузки шаперонов (и протеазом) повреждёнными белками.

Существуют свидетельства, что накопление повреждённых белков действительно происходит с возрастом и может отвечать за такие ассоциированные с возрастом болезни как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и катаракта.

Митохондриальная теория. Важность связи между молекулярным стрессом и старением была предположена, основываясь на накоплении мутаций в митохондриальной ДНК (мтДНК)<ref>Шаблон:Cite journal</ref>. Эти данные были подкреплены наблюдением возростания с возрастом числа клеток, которым не хватает цитохром-с-оксидазы (COX), ассоциированных с мутациями мтДНК. Такие клетки часто имеют нарушения в производстве АТФ и клеточном энергетическом балансе.

Утрата теломер. Во многих клетках человека утрата способности клеток к делению связана с утратой теломер на концах хромосом, которые утрачиваются после определённого количества делений. Это происходит из-за отсутствия фермента теломеразы, который обычно экспрессуется только у зародышевых и стволовых клеток. Недавно было обнаружено, что окислительный стресс (чрезмерное выделение активных форм кислорода) также может иметь влияние на утрату теломер, значительно ускоряя этот процесс в определённых тканях<ref>Шаблон:Cite journal</ref>.

Системные и сетевые механизмы

На первых этапах исследования старения, многочисленные теории рассматривались как конкурирующие в пояснении эффекта старения. Тем не менее, сегодня считается, что многие механизмы повреждения клеток действуют параллельно, и клетки также должны тратить ресурсы на борьбу со многими механизмами. Для исследования взаимодействия между всеми механизмами борьбы с повреждениями был предложен системный подход к старению, который пытается одновременно принять во внимание большое количество таких механизмов. Более того, этот подход может чётко разделить механизмы, которые действуют на разных стадиях жизни организма. Например, постепенное накопление мутаций в митохондриальной ДНК часто приводит к накоплению активных форм кислорода и снижению производства энергии, что в свою очередь приводит к увеличению скорости повреждения ДНК и белков клеток.

Другой аспект, который делает системный подход привлекательным, это понимание разницы межу разными типами клеток и тканей организма. Например, клетки, которые активно делятся, с большей вероятностью пострадают от накопления мутаций и утраты теломер, чем дифференцированные клетки. Тем не менее, дифференцированные клетки с большей вероятностью пострадают от повреждения белков, которые быстро разбавляются новыми белками в клетках, которые быстро делятся. Даже если клетка теряет способность к пролиферации за счёт процессов старения, баланс механизмов повреждения в ней сдвигается.

Популяционный подход

Шаблон:Main

Другим подходом к изучению стареняя являются исследования популяционной динамики старения. Все математические модели старения можно прибмерно разбить на два главных типа: модели данных и системные модели<ref name=novoselcev>Шаблон:Cite journal</ref>. Модели данных — это модели, которые не используют и не пытаются пояснить какие-либо гипотезы о физических процессах в системах, для которых эти данные получены. К моделям данных относятся, в частности, и все модели математической статистики. В отличие от них, системные модели строятся преимущественно на базе физических законов и гипотез о структуре системы, главным в них является проверка предложенного механизма.

Первым законом старения является закон Гомпертца, который предлагает простую количественную модель старения. Этот закон даёт возможность разделить два типа параметров процесса старення. Исследования отклонения закона старения от кривой Гомпертца могут дать дополнительную информацию относительно конкретных механизмов старения данного организма. Самый известный эффект такого отклонения — выход смертности на плато в позднем возрасте вместо экспоненциального роста, наблюдавшийся во многих организмах<ref name=rose/>. Для пояснения этого эффекта было предложено несколько моделей, среди которых вариации модели Стрелера-Милдвана<ref>Шаблон:Cite journal</ref> и теории надёжности<ref>Шаблон:Cite book</ref>.

Системные модели вместе рассматривают много отдельных факторов, событий и явлений, которые непосредственно оказывают влияние на выживание организмов и рождение потомства. Эти модели вместе рассматривают старение как баланс и перераспределение ресурсов как в физиологическом (в течение жизни одного организма), так и в эволюционном аспектах. Как правило, особенно в последнем случае, речь идёт о распределении ресурсов между непосредственными затратами на рождение потомства и затратами на выживание родителей<ref name=novoselcev/>.

Клеточный ответ на старение

Важным вопросом старения на уровне клеток и ткани является клеточный ответ на повреждения. Из-за стохастической природы повреждений отдельные клетки стареют, например в связи с достижением границы Гейфлика, быстрее остальных клеток. Такие клетки потенциально могут угрожать здоровью всей ткани. В наибольшей мере такая угроза проявляется среди стволовых клеток, у которых происходит быстрое деление, таких как клетки костного мозга или эпителия кишечника, в связи с большим потенциалом таких тканей в создании мутантных, возможно раковых, клеток. Известно, что именно клетки этих тканей быстро отвечают на повреждения инициацией программы апоптоза. Например, даже низкие дозы радиации (0,1 Gy) вызывают апоптоз в клетках эпителия кишечника, а даже слабый химический стресс вызывает апоптоз стволовых клеток старых мышей.

Как правило, в таких тканях массовый апоптоз является признаком возрастания числа повреждений клеток. С другой стороны, в других тканях ответом на возрастание уровня повреждений может быть арест клеток на определённой стадии клеточного цикла для прекращения деления<ref name=kirkwood/>. Баланс между апоптозом и арестом повреждённых клеток наиболее важен как компромисс между старением и раком<ref>Шаблон:Cite journal</ref>. То есть, или организм должен убить повреждённые клетки, или дать им возможность существовать, увеличивая риск возникновения рака. Таким образом, p53 и сокращение теломер, важные факторы в вызывании апоптоза клеток, могут рассматриваться как пример антигонистической плейотропии, как было указано выше.

Подводя итог, по современным представлениям, клетка стареет в результате накопления повреждений. Скорость этого накопления определяется, в первую очередь, генетически определёнными затратами на ремонт и поддержку клеточных структур, которые в свою очередь определяются организмом для удовлетворения своих экологических потребностей. Долгоживущие организмы имеют большие затраты (иногда более длительный метаболизм), что приводит к более медленному накоплению повреждений. Для борьбы с риском, который представляют собой повреждённые клетки, организм создал систему механизмов для борьбы с ними, которые часто включают второй ряд компромиссов.

Старение и человек

Шаблон:Main Старение человека обычно имеет особое значение. Веками философы обсуждали причины старения, алхимики искали эликсир молодости, а многие религии придавали старению сакральное значение. Сегодня успехи медицины и повышение уровня жизни позволили значительно повысить среднюю продолжительность жизни, но, несмотря на интенсивные исследования, исследователи ещё далеки до преодоления старения. Увеличение продолжительности жизни во многих странах привело к старению населения, и в связи с увеличением доли пожилых людей, которые имеют иные потребности, чем остальное население, в последние годы возникло много социальных вопросов, связанных со старением.

Демография старения

Шаблон:Main

Файл:Promedio edad mundo.png

Карта медианного возраста (от и до) в разных странах по состоянию на 2001 год. Последняя строка — нет данных

Главным демографическим эффектом успехов медицины и общего улучшения условий жизни на протяжении последнего столетия является падение смертности и значительное увеличение продолжительности жизни. В дополнение, рождаемость в большинстве стран мира снижается, что приводит к так называемому старению населения, особенно в развитых странах мира.

Возрастной состав населения обычно изображается в виде возрастно-половых пирамид, на которых доля населения в каждом возрасте изображается в зависимости от возраста. На таких пирамидах старение населения выглядит как рост доли пожилых людей вверху пирамиды за счёт молодых внизу. Процесс старения, таким образом, может быть двух типов: «старение снизу», или уменьшение рождаемости, и «старение сверху», или увеличение средней продолжительности жизни. В большинстве стран мира старение снизу является наибольшим из двух факторов, а в постсоветских странах, включая Украину, — единственным. Например, в Украине старение населения частично компенсируется падением продолжительности жизни (с 71 года в 1989 году до 68 в 2005<ref>Шаблон:Cite web</ref>), как в связи с ухудшением медицинского обслуживания и увеличения социального неравенства, так и в связи с распространением эпидемии СПИДа. В целом в мире, согласно данным ООН, процент населения старше 60 лет составлял 8 % в 1950 году, 10 % в 2000, и ожидается на уровне 21 % в 2050.

Старение населения имеет значительное влияние на общество. Пожилые люди чаще предпочитают сберегать деньги вместо того, чтобы тратить их на товары широкого потребления. Это приводит к значительному дефляционному давлению на экономику. Некоторые экономисты, особенно японские, видят преимущества в этом процессе, в частности возможность внедрения автоматизации производства без угрозы увеличения безработицы и решения проблемы перенаселения. Тем не менее, негативный эффект проявляется в системе социального обеспечения и пенсий, которые во многих странах, преимущественно в Европе, финансируются за счёт налогов с работающей части населения, которая постоянно уменьшается. Кроме того, значительное влияние оказывается и на образование, что проявляется как в снижении государственных расходов, так и в ухудшении общего уровня грамотности в связи с пониженной способностью стареющего населения приспосабливаться к возрастающим стандартам. Таким образом, контроль старения населения и адаптация общества к новым условиям является важнейшими задачами демографической политики. Шаблон:-

Социология старения

Шаблон:Main

Юридические аспекты

Хотя в большинстве стран некторые права и обязанности предоставляются гражданам начиная с определённого возраста (такие как право голоса, право покупать алкоголь или уголовная ответственность), часто пожилые люди лишаются некоторых прав. Типичным примером является право вождения автомобиля, которое ограничивается во многих странах максимальным возрастом (обычно 70-75 лет).

Экономические аспекты

Пожилые люди в первую очередь отличаются тенденцией сбережения и инвестирования средств вместо траты их на потребительские товары. Кроме того, в целом пожилое население выбывает из числа рабочей силы, увеличивая нагрузку на активных работников, но также открывая путь к автоматизации производства, как было указано выше.

Охрана здоровья

В связи с большим количеством болезней пожилого возраста и общее снижение трудоспособности с возрастом, старое население требует больших затрат на медицинское и социальное обслуживание. Многие развитые страны ожидает значительное старение населения в ближайшее время, и потому беспокоятся о значительном увеличении затрат для сохранения качества охраны здоровья на соответствующем уровне. Деятельность, направленная на преодолении этой проблемы, заключается в улучшении эффективности работы системы охраны здоровья, более целенаправленного предоставления помощи, поддержке альтернативных организаций предоставления медицинской помощи и влиянии на демографическую ситуацию.

Культурные вариации

Существует много вариаций между странами как в определении старения, так и в отношении к нему. Например, пенсионный возраст варьируется между странами в диапазоне от 55 до 70 лет. К тому же, во многих обществах, преимущественно традиционных аграрных культурах, старость является признаком мудрости, а пожилые люди имеют большое влияние на общество.

«Успешное старение»

Шаблон:Main

В странах Запада в наши дни набирает популярность концепция «успешного старения», которая определяет, как наилучшим образом должно протекать старение, используя современные достижения медицины и геронтологии. Эта концепция может быть прослежена до 1950-х годов, но была популяризована в работе Роуи и Кана 1987 года<ref>Шаблон:Cite journal</ref>. Согласно авторам, предыдущие исследования старости преувеличили степень, к которой такие болезни как диабет или остеопороз, могут быть приписаны старости, и критиковали исследования в геронтологии за преувеличение однородности исследованных людей.

В следующей публикации<ref>Шаблон:Cite journal</ref>, авторы определили понятие «успешного старения» как комбинацию следующих факторов, которые должны сопровождать старение:

1. Низкая вероятность болезней или инвалидности;

2. Высокие возможности к обучению и физической деятельности;

3. Активное участие в жизни общества.

Эти цели могут быть достигнуты как с помощью общества, так и благодаря известным усилиям пожилых людей по изучению и поддержке социальных связей, особенно с людьми младшей возрастной группы.

Попытки увеличения продолжительности жизни

Шаблон:Main

Основным направлением исследований по геронологии (так называемая биомедицинская геронтология) являются попытки увеличения продолжительности жизни, особенно человека. Заметное увеличение продолжительности жизни уже происходит сейчас в глобальном масштабе с помощью таких факторов как общее улучшение медицинского обслуживания и повышение уровня жизни. На уровне индивидуума увеличение продолжительности жизни возможно за счёт правильной диеты, физических упражнений и избегания потенциально токсичных факторов, таких как курение. Тем не менее, преимущественно все эти факторы направлены на преодоление не старения, а только «случайной» смертности (член Мейкгама в законе Гомпертца-Мейкгама), которая уже сегодня составляет небольшую долю смертности в развитых странах, и таким образом этот подход имеет ограниченный потенциал увеличения продолжительности жизни.

Существует несколько возможных стратегий, за счёт которых исследователи надеются уменьшить скорость старения и увеличить продолжительность жизни. Например, продолжительность жизни увеличивается до 50 % в результате ограничения калорий в диете, которая в общем остаётся здоровой, у многих животных, включая некоторых млекопитающих (грызунов). Хотя влияние этого фактора на продолжительность жизни человека и других приматов пока ещё не обнаружено, известных данных всё ещё недостаточно, и исследования продолжаются. Другие рассчитывают на омоложение тканей с помощью стволовых клеток, замену органов (искусственными органами или органами, выращенными для этой цели, например, с помощью клонирования) или химическими и другими методами (антиоксиданты, гормональная терапия), которые бы оказывали влияние на молекулярный ремонт клеток организма. Тем не менее, на данный момент значительный успех всё ещё не достигнут и не известно когда, через годы или десятилетия, произойдёт значительный прогресс в этой отрасли.

Тем не менее, вопрос, следует ли увеличивать продолжительность жизни, сегодня является вопросом многочисленных дебатов на политическом уровне, а основная оппозиция преимущественно состоит из представителей некоторых религиозных концессий.

Примечания

Шаблон:Reflist

Внешние ссылки

Статья является переводом статьи украинской википедии Старіння Многие из этих работ использовались при написании статьи. Кроме того, в статье использованы данные статей английской википедии Senescence и Ageing.

Энциклопедии

• Microsoft Encarta: Aging, Life Span (Англ. язык, требует предоплату)
• Encyclopaedia Britannica: Aging, Life Span (Англ. язык, требует предоплату)

Общие научные обзоры

• Шаблон:Cite journal (Англ. язык, обзор, написанный автором «Теории одноразовой сомы», наибольшее внимание уделено именно этой теории)
• Mechanisms of Aging (Англ. язык, описание механизмов/теорий старения.)
• Шаблон:Cite journal (Англ. язык, требует предоплаты, обзор биохимии старения.)

Отдельные теории

• Шаблон:Cite book (Англ. язык, статья, защищающая «Теорию запрограммированной смерти» или «Эволюционную теорию» возникновения старения.)
• Evolutionary Theories of Aging and Longevity (Англ. язык, обзор эволюционного подхода к старению.)
• The Reliability Theory of Aging and Longevity (Англ. язык, статья о «Теории надёжности» возникновения старения.)
• Шаблон:Cite journal (Англ. язык, статья против эволюционной теории, написанная Леонардом Гейфликом, открывателем предела Гейфлика, бывшим главой Геронтологического Института США и основателем Национального Института Старения США.)
• Шаблон:Cite journal (Англ. язык, обзор условного старения бактерий.)
• Шаблон:Cite journal (Англ. язык, обзор старения дрожжей.)

Организации, списки ресурсов

• Biologicalgerontology.com (Англ. язык, ресурсы о биологии старения и увеличения продолжительности жизни.)
• Unraveling the Secrets of Human Longevity (Англ. язык, ресурсы о биологии старения и увеличения продолжительности жизни.)
• Senescence.info (Англ. язык, ресурсы о биологии старения.)
• Cellular Senescence Information Center (Англ. язык, ресурсы о клеточном старении.)
• American Academy of Anti-Aging Medicine (Англ. язык, Американская Ассоциация Медицины против Старения.)
• American Federation for Aging Research (Англ. язык, Американская Ассоциация Исследования Старения.)
• Aging Research Centre (ARC) (Англ. язык, Центр Исследования Старения.)

См. также

• Смерть
• Закон смертности Гомпертца-Мейкгама
• Максимальная продолжительность жизни
• Популяционная динамика старения