Физиология старения. Хачик Мурадян (Khachik Muradian).

Вопросы_Елена Ветрова
Киев - Москва
Май, 2009

Для того, чтобы мысль о единстве старения и омоложения не показалась крамольной, хотелось повторить простую истину: если бы в природе существовало только старение, то все живое погибло бы, едва успев образоваться. Само существование жизни является неопровержимым доказательством сосуществования и, что важно, равноэффективности старения и омоложения биологических объектов. Все виды, у которых такое равновесие было смещено в сторону старения, рано или поздно должны были накопить критическую массу нарушений и погибнуть.

А вот вопрос о том, почему многоклеточный организм, состоящий из потенциально бессмертных элементов (клеток) смертен - пока не имеет удовлетворительного объяснения. Действительно, до сих пор не известно ни одного заслуживающего доверия исключения из этого правила. В сущности, многоклеточный организм - совокупность клеток с одинаковым или, точнее, почти одинаковым геномом, но находящихся на разной ступени дифференцировки.

Сейчас намечается настоящий бум изучения стволовых клеток и клеточного уровня организации в целом. Может нам, действительно, нужно набраться терпения и дождаться, когда будут найдены надежные методы манипуляции клеточными популяциями организма, открывающие возможности бессмертия не только на уровне вида, но и индивидуума?

В 1988 году в Ленинградском отделении издательства «Наука» вышла написанная вами, совместно с Владимиром Вениаминовичем Фролькисом, монография «Экспериментальные пути продления жизни». Сегодня это очень известная и востребованная биологами книга .

Ваша новая работа «Искусственная атмосфера, омоложение и долголетие» указывает на существование еще одного пути продления жизни. Это продолжение поиска, начатого еще тогда?

Безусловно, да. Ведь ничто не исчезает бесследно и ничего не возникает на пустом месте. Кстати, мы с Владимиром Вениаминовичем написали еще несколько монографий и обзоров, посвященных анализу средств продления жизни, например, книги, изданные в США (Life Span Prolongation, Boca Raton: CRC Press , 1991) и Украине (Старение, эволюция и продление жизни, Киев: Наукова думка , 1992).
Вместе с тем я всегда рассматривал монографии, как нечто наподобие большого обзора литературы. Изложенные в них факты или соображения не должны рассматриваться, как догмы или клятвы верности этим идеям, а должны способствовать расширению кругозора и правильному выбору последующих шагов вперед.

В этой работе вы поставили два вопроса: « во-первых, как обеспечивается омоложение и поддержание жизнеспособности живых систем, например, по линии клеток репродуктивной системы; во-вторых, каковы возможности перенесения таких закономерностей и подходов на уровень индивидуума и индивидуальной продолжительности жизни ». Возможно ли их разрешение в ближайшем будущем? Что для этого необходимо?

Для этого сначала надо поверить в такую возможность и всерьез этим заниматься. Такие исследования, если и не укажут сразу дорогу к «бессмертию», то, как минимум, станут существенным вкладом на пути понимания дальнейших шагов в этом направлении. Что для этого необходимо? У меня, конечно, есть соображения по поводу того, что и где стоило бы искать в первую очередь. Но я не готов их сейчас обсуждать, тем более, что такие мысли есть, наверно, почти у каждого геронтолога, впрочем, не только у них.

Вами высказана гипотеза, что « для успешного старения и долголетия необходима искусственная атмосфера с иным газовым составом ». На сегодняшний день существует прибор - гипоксикатор, моделирующий условия кислородного голодания. Его полезность для человека уже мало кто оспаривает. Известно, что он активизирует защитные функции организма, благодаря чему человек увереннее противостоит стрессам, лучше справляется с физическими нагрузками, мобилизуется при заболеваниях, и т. д.
А что из себя может представлять искусственная атмосфера, о которой вы пишите, в практическом выражении? Что нужно для того чтобы ее создать? В чем трудность ее воспроизведения?

Я начну с последней части вопроса. В том-то и дело, что здесь не видно больших и, тем более, непреодолимых трудностей. Технически человечество уже много столетий готово для решения этой задачи. Достаточно заметить, что заслуживающие внимания попытки решения этой проблемы предпринимались еще в древности. Однако практически все они основывались на интуитивных догадках или недостаточно проверенных идеях и не были доведены до по-настоящему завершенного научного анализа.

Суть же проблемы заключается в том, что атмосфера Земли постоянно подвергалась количественным и качественным изменениям. Так, с момента возникновения цианобактерий соотношение двух наиболее важных для биологических объектов газов - кислорода (О2) и углекислого газа (СО2) в атмосфере изменилось на многие порядки. В начале О2/СО2 было практически равно нулю, а в современной атмосфере оно составляет более 500! Интересно, что внутри клетки и в межклеточном пространстве это соотношение близко к единице. Причем, сначала во время каменноугольного периода ( приблизительно 300 млн. лет назад) содержание свободного кислорода в атмосфере увеличилось до 35 % и более, а потом снизилось примерно до 21% (в наши дни), и по прогнозам будет продолжать стремительно снижаться.

На схеме: состав сухого воздуха.
N2 - азот. В форме двухатомных молекул N2 составляет большую часть атмосферы - 75,6 % (по массе) или 78,084 % (по объёму);

O2 - кислород. В атмосфере содержание свободного кислорода составляет 20,95 % (по объёму) в воздухе массовая доля кислорода составляет 23,12 % . Элемент кислород входит в состав более 1500 соединений земной коры.

CO2 - углекислый газ. Концентрация углекислого газа в атмосфереЗемли составляет 0,038 %.

Ar - аргон.Третий по распространённости элемент в атмосфере - 0,93 % по объёму.

Далее: Ne (неон); He (гелий); CH4 (метан); Kr (криптон); H2 (водород ).

http://ru.wikipedia.org

Могла ли адаптация к таким существенным и разнонаправленным изменениям состава атмосферы быть полной и безболезненной? Остались ли в генетической памяти воспоминания о «лучших днях» эволюционного младенчества и молодости, которые могли обеспечить больший потенциал жизнеспособности и долголетия? Думаю, что такую возможность нельзя исключить, и она, безусловно, заслуживает должной проверки.

Более того, если наша цель создать нечто более долгоживущее и, стало быть, более совершенное, чем до сих пор придумано природой, то вполне оправданно использовать для этой цели средства, до сих пор не испытанные. Я имею ввиду, например, инертные или, как их сейчас чаще называют, благородные газы. Вообще-то мысль о том, что можно продлить жизнь с помощью химических элементов, которые в обычных условиях ни с чем не реагируют и не были никогда даже «заподозрены» в участии в каких-то ни было онтогенетических или филогенетических преобразованиях, кажется с первого взгляда бредовой. Тем не менее, проведенные недавно в нашей лаборатории пилотные исследования указывают на перспективность таких моделей.
Впрочем, многообещающими в этом плане могут быть и другие газы. Наша группа с недавних пор начала этим интенсивно заниматься. Но, полагаю, это - тема отдельного разговора.

А как давно существует ваша группа "Продление жизни"?

Группа была создана в 1990 году по инициативе академика Владимира Фролькиса. Как это следует уже из названия, основная цель - поиск средств продления жизни. С тех пор я являюсь ее руководителем (фельдмаршал без армии).
В настоящее время в группе официально числятся 3 сотрудника и один аспирант, но есть «энтузиасты-добровольцы», так что реально в исследованиях участвуют 5-6 человек.

В чем суть пилотных исследований, о которых вы упомянули, и какие результаты вас обнадежили?

С научным сотрудником нашего института Альбертом Тимченко мы попытались создать модель то ли гипоксии, то ли «гиперблагородия» (шутка!) с помощью добавления к атмосферному воздуху имеющихся в нашем распоряжении благородных газов - гелия и аргона. Был обнаружен относительно небольшой, но достоверный эффект продления жизни. Мы понимаем, что это только начало пути и не теряем надежду на то, что последующий поиск более оптимальных концентраций и схем применения, а также использования других благородных газов, в частности, ксенона и криптона могут обеспечить более ощутимый эффект продления жизни.

Почему до сих пор вопрос о роли атмосферы в продолжительности жизни человека игнорировался? Или это не так?

Нельзя сказать, что роль атмосферы полностью игнорировалась. Просто «химический» аспект этой проблемы не получил должного внимания и не вступил в фазу необходимого научного анализа. В самом деле, существует развитая сеть метеорологических наблюдений и оперативного распространения информации о состоянии атмосферы, включающая различные медийные средства.

Более того, большая часть населения развитых стран почти полностью перешла к обитанию в условиях кондиционированного воздуха, то есть, по сути, искусственной атмосферы с оптимизированными физико-химическими характеристиками (температуры, влажности, заряженных частиц и т.д.).

Почему медлят с гораздо более радикальной оптимизацией атмосферы с помощью изменения газового состава, действительно, трудно объяснимо. Нерешенные проблемы и определенный риск здесь, безусловно, имеются. Но их вряд ли больше, чем, например, при разработке новых лекарственных средств, геномодифицированных продуктов и некоторых других нововведений.

Такого рода экспериментов, подтверждающих возможность возникновения жизни из неживой материи, действительно, немало. Заглядывая в столь отдаленное даже по эволюционным меркам прошлое, для нас наиболее важным представляется вопрос: какова была роль газового состава атмосферы для установления основополагающих принципов взаимоотношений между процессами старения и омоложения ?

Ведь очевидно, что уже первые, самые примитивные репликаторы, которые сумели выжить и заложить основу последующей биологической жизни, неизбежно сталкивались с проблемой взаимодействия старения и омоложения, в которых немаловажную роль могла играть и тогдашняя атмосфера.

Быть может, моделирование таких условий позволит упростить эту проблему и сделать ее более доступной для исследования и анализа. Независимо от успешности таких теоретических разработок, самостоятельный интерес представляет практически важный вопрос: может ли полное или частичное воспроизведение тех условий модифицировать особенности старения и увеличить продолжительность жизни современных видов ?

Так называемый эндосимбиотический процесс (захват одной бактерии другой и превращение оказавшейся внутри в митохондрию) - ключевое событие на пути создания многоклеточных организмов.

По выражению английского научного журналиста Билла Брайсона ( Bill Bryson ) митохондрии в клетках « ведут себя так, словно считают, что между нами не может быть ничего общего ». И еще: « Они даже не говорят на одном генетическом языке с клеткой, в которой живут. Словом, держат свои чемоданы упакованными. Как будто вы впустили в дом постороннего, но он остается здесь уже миллиард лет» .
Как далеко удалось продвинуться ученым в изучении феномена митохондрий? И что в них до сих пор озадачивает?

Действительно, роль и поведение митохондрий в клетке во многом остаются загадочными, и созданные разными авторами образы митохондрий противоречивы, чтобы не сказать, многолики.

То это альтруисты, «кочегары-камикадзе», которые ценой своего благополучия и укороченной жизни (период полужизни митохондрий обычно не превосходит нескольких недель) добывают энергию для клетки-хозяина; то митохондрии - основные источники неуправляемых свободных радикалов, которым многие до сих пор приписывают причинную роль в старении и многочисленных патологических нарушениях; то это «нахлебники», которые все получают готовым от клетки-хозяина, но при этом, наподобие «обезьян с гранатой в руке», могут в любой момент погубить ее апоптозом или некрозом. Ведь митохондрии располагают полным арсеналом средств запрограммированной гибели клетки, и в определенных ситуациях, например, в денуклеированных (обезъядерных) клетках, могут осуществить «самоликвидацию» клетки без участия ядра.

На рис. строение митохондрии (гр. митос - нить и хондрион - гранула) .
Оболочка состоит из двух мембран (внешней и внутренней). Внутренняя мембрана уложена в кристы (от лат. crista - гребень ). На ней находятся дыхательные ферменты и ферменты АТФ-синта́за . Полужидкий матрикс содержит концентрированный раствор различных веществ ( РНК , ДНК , белки , липиды, углеводы, АТФ-синта́за и другие ) , а так же рибосомы. Как правило, в каждой митохондрии содержится несколько копий ее генома .

Каковой бы ни была истинная роль митохондрий, для нас важно одно - именно с ними связаны наиболее мощные корреляты продолжительности жизни. Независимо от того, являются ли митохондрии «палачами», слепо выполняющими чьи-то указания, или они сами определяют судьбу клетки и сроки жизни организма, в любом случае, они представляются наиболее многообещающими мишенями при поиске средств продления жизни.

А как связаны митохондриальная ДНК (мтДНК) и долголетие?

На рис. схема митохондриального генома человека.

Мы только приближаемся к пониманию этого вопроса. Но те результаты, которые уже получены, безусловно, производят впечатление.

Достаточно сказать, что в наших исследованиях, проведенных совместно с профессором Вадимом Фрайфельдом ( Vadim Fraifeld ) из Негевского университета (Беэр-Шева/ Израиль), достоверность коэффициентов корреляции между потенциалом долголетия и таким, казалось, «грубым» показателем, как состав оснований мтДНК, у млекопитающих достигает величин, которые не имеют аналогов среди других коррелятов.
Только интенсивность метаболизма, которая в немалой степени определяется, опять же, митохондриями, имеет соизмеримую по силе корреляцию с видовой продолжительностью жизни.

Такая сильная коррелятивная зависимость, вероятно, свидетельствует об особой роли митохондрий в определении сроков жизни, хотя этого, конечно, еще недостаточно для того, чтобы сделать заключение о наличии причинной связи между долголетием и мтДНК.
Думаю, что этот вопрос будет интенсивно разрабатываться, и скоро мы узнаем больше, в том числе о возможностях продления жизни с помощью модификации мтДНК и митохондрий в целом.

Митохондриальная ДНК особенно чувствительна к активным формам кислорода.

Отрицательную роль кислорода в детерминации (ограничении) конечности жизни многоклеточных организмов и в старении в целом не следует преувеличивать. В любом случае, неконтролируемые окислительные преобразования далеко не единственные трудно управляемые процессы, и удельный вес кислорода в многообразии других повреждающих факторов должен быть невелик.

Вы изучали роль ньюмайтов (сокр.англ. nuclear mitochondrial ) - копии различных участков мтДНК, внедренные в ядерный геном - в определении видовой продолжительности жизни и обнаружили положительную корреляцию. Расскажите, пожалуйста, об этой работе.

Мы собрали из доступных литературных источников различные характеристики ньюмайтов у разных видов животных и сопоставили с их максимальными сроками жизни. С числом ньюмайтов вышла наиболее высокая корреляция. Нас удивило, что корреляция была положительная.

То есть, чем больше копий различных участков мтДНК внедрены в ядерный геном, тем больше продолжительность жизни?

Да, мы полагали, что у долгоживущих видов «чистота» сохранности ядерных и митохондриальных геномов контролируется строже, чем у короткоживущих видов, следовательно, ждали отрицательной корреляции. А так, пришлось допустить, что долголетие связано со степенью «общения и добрососедских отношений» между ядерным и митохондриальным геномами. А именно, чем настойчивее митохондриальный геном стремится внедрять свои копии в ядерный геном и, чем толерантнее к этому относится последний, тем более долгоживущим является вид.

Интересно. А почему ньюмайты, которые вы в своей работе образно назвали « своеобразным историческим архивом в ядерном геноме », до сих пор мало изучены?

Думаю, это связано в основном с новизной вопроса и методическими трудностями. Ведь, для корректной оценки числа, локализации и степени гомологии ньюмайтов с мтДНК необходимы не только высокоэффективные аналитические средства и программы, которые все время модифицируются, но и полная расшифровка генома. Судя по доступным базам данных, число таких видов, например, млекопитающих, пока не выходит за пределы первой десятки. Предполагается, что оно будет стремительно расти в ближайшие годы, так что есть основание надеяться на быстрый прогресс знаний в этой области.

В вашей работе прозвучало предположение, что не только последовательности мтДНК встраивались в ядерный геном, но и в «мтДНК имеются последовательности ядерного происхождения, через которые осуществляются непосредственный контроль и регуляция генеза и функционирования митохондрий» . Этих исполнительных представителей ядерного генома в мтДНК вы предложили назвать майтонуками (от англ. mitochondrial nuclear ). Разделяют ли вашу гипотезу другие исследователи?

Гипотеза о майтонуках опубликована впервые в последнем номере нашего журнала «Проблемы долголетия и старения» за 2008 год, который выходит ограниченным тиражом и имеет сравнительно узкий круг читателей. Разделяют ли эту гипотезу коллеги и другие читатели, пока не могу сказать ничего определенного. Думаю, как это чаще всего бывает, сначала большинство, к сожалению, скажет, что это - н икому ненужная чушь , а потом в случае популярности таких идей «а кто об этом не знает» . Все же определенная часть коллег, надеюсь, отнесётся с пониманием и, быть может, даже с интересом, и у меня будет возможность участвовать в проверке этой гипотезы.

Считается, что на Земле сменилось три атмосферы ( первичная - около 4 млрд. лет назад , вторичная - около 3 млрд. л. н. и до наших дней, и третичная ).
Экологи утверждают, что бурная человеческая деятельность не лучшим образом отражается на нынешней атмосфере: в ней повышается содержание свинца и других тяжелых металлов; нарушается озоновый слой и т. д.

Могут ли эти изменения привести к исчезновению существующих биологических видов? Есть ли у ученых какие-то прогнозы на этот счет?

В целом, я разделяю опасения экологов и «зеленых», хотя нередко кажется, что они склонны к преувеличениям. Вместе с тем следует признать, что в природе всегда происходила смена видов, и атмосферные изменения были одними из главных факторов таких сдвигов.

Не усугубит ли создание искусственной атмосферы отрыв человека от биосферы? Или человеку, который «отменил» для себя естественный отбор, уже ничто не страшно?

С природой мы уже давно перешли на ограничение «общения», заменив его периодической ностальгией у телевизора. В случае внедрения модифицированной по газовому составу атмосферы, появление дополнительных ограничений, по всей видимости, нельзя исключить. Вместе с тем, как уже отмечалось, человечество уже перешло к обитанию в искусственной атмосфере с оптимизированными физико-химическими характеристиками, так что худшее здесь, видимо, позади.

Если удастся смоделировать искусственную атмосферу, не спровоцирует ли это процесс параллельной эволюции? Или это предположение из области фантастики?

Не думаю, что это может иметь столь радикальные последствия, по крайней мере, в обозримом будущем. Но хорошо, что кто-то об этом задумывается.

Пересекается ли проблема моделирования атмосферы, свойственной критическим моментам филогенеза (развитие биологических видов во времени) с вопросом возникновения феномена жизни на Земле?

Это пласт проблем, заслуживающий отдельного обсуждения.

Собираетесь ли вы продолжать исследования с моделированием гипоксии, гипероксии и гиперкапнии на модельных объектах?

Пока такие опыты у нас идут в основном на дрозофилах. Конечно, хотелось начать аналогичные исследования на моделях млекопитающих, но это связано с немалыми трудностями, в том числе материального характера. Как быстро и безболезненно произойдет смена объектов и уровня исследований, зависит не только от нас, но и от реакции возможных спонсоров и «грантодателей». Пользуясь случаем, хотелось поблагодарить руководство Института биологии старения (Москва), которое нашло возможным поддержать наши исследования, в частности, с благородными газами.

Какой вопрос я вам не задала, а он важен для понимания затронутой темы?

Таких вопросов так много! Но, один из них я все же озвучу.
Почему поиск средств продления жизни является приоритетным именно для нас?
Я имею ввиду исследователей из СНГ, у которых много общего не только в историческом плане, но и в психологии, методической оснащенности, положении в обществе и др.

Ни для кого не секрет, что наша наука отстает от уровня, достигнутого западными и заокеанскими коллегами. Такое отставание существовало практически всегда, в том числе во времена СССР.
Однако после известных событий последних десятилетий, когда наши зарубежные коллеги продолжали стремительно продвигаться вперед, а мы двигались преимущественно в обратном направлении, методическое отставание достигло критических масштабов. Оно особенно велико в областях, которые требуют применения сложных и дорогостоящих современных методик, и трудно поверить, что такой большой разрыв будет устранен в обозримом будущем.

К счастью, есть научные дисциплины, где уровень применяемых молекулярно-биологических и генетических методик не является определяющим, и поиск средств продления жизни принадлежит к их числу. Эта область, где мы можем почти на равных конкурировать с зарубежными коллегами и, как мне кажется, даже имеем некоторые психологические преимущества.