скачать книгу бесплатно
Борьба со старением, или Не все мы умрем…
Сергей Огнивцев
Для успешной борьбы со старением за долгую и здоровую, в перспективе практически бессмертную жизнь необходимо научиться управлять своими клетками, органами и системами, из которых состоит наш организм. Для этого нужно иметь мысленную модель своего организма. А для создания такой модели нужны знания, которые дает предлагаемая вашему вниманию книга. Администрация сайта ЛитРес не несет ответственности за представленную информацию. Могут иметься медицинские противопоказания, необходима консультация специалиста.
Сергей Огнивцев
Борьба со старением, или Не все мы умрем…
Говорю вам тайну: не все мы умрем, но все изменимся… <…> Ибо тленному сему надлежит облечься в нетление, и смертному сему – облечься в бессмертие.
Новый завет. Первое послание к Коринфянам апостола Павла
Предисловие. Обращение к читателю
Мы живем в немыслимо огромном, фантастически сложном и невероятно красиво организованном мире!
Наш мир возник 13,7 млрд лет назад из сгустка находящейся в одной точке энергии, масса которой, рассчитанная по формуле Эйнштейна E = mc
была равна массе всей существующей ныне Вселенной. Никто не знает почему, но мир вдруг стал расширяться из этой точки с огромной скоростью, многократно превышающей скорость света (в науке это явление называют инфляцией). Сейчас это расширение объясняют всепроникающей темной энергией, которая заставляет пространство постоянно и ускоренно расширяться. Мы не знаем, что это такое, но ускоренное расширение Вселенной, начавшееся с момента ее возникновения, продолжается по сей день и достоверно измерено.
Благодаря инфляции за одну секунду мир расширился практически из точки до размеров Солнечной системы. За эту секунду произошли почти все главные события, определившие нашу с вами судьбу.
Во-первых, возникли все четыре взаимодействия (силы), управляющие материей в нашей Вселенной: сильное взаимодействие, притягивающее кварки, протоны и другие частицы внутри атомного ядра, слабое взаимодействие, обеспечивающее радиоактивный распад ядер, электромагнитное взаимодействие, являющееся основой химических и, следовательно, биологических взаимодействий, и, наконец, самое известное и таинственное гравитационное взаимодействие, заставляющее материальные объекты притягиваться друг к другу. Других взаимодействий в нашем мире нет!
Во-вторых, из энергии по мере ее остывания при расширении Вселенной сформировались основные материальные частицы: кварки, из которых состоят протоны и нейтроны, сами протоны и нейтроны, электроны, нейтрино и т. д. Как мы знаем из приведенной выше формулы Эйнштейна, масса может превращаться в энергию, как при взрыве атомной бомбы, и, наоборот, энергия – в массу, что и произошло при образовании частиц.
В-третьих, образовывались как хорошо нам знакомые, повсюду окружающие нас элементарные частицы, так и античастицы. Они состоят из антивещества. Если частица столкнется с античастицей, вся их масса мгновенно превратится в энергию (аннигиляция). Неизвестно почему, но, к великому счастью, частиц в нашей Вселенной оказалось чуть больше, чем античастиц. Поэтому после аннигиляции это чуть-чуть осталось и стало всей сущей в нашем мире материей.
В-четвертых, наряду с обычными частицами, сформировались частицы темной материи. Они присутствуют сейчас повсюду, но мы не можем их обнаружить, поскольку из всех сил они подвержены только гравитационному взаимодействию. Например, свет, являясь, как известно, электромагнитным излучением, не может отразиться от них. Темная материя впоследствии создала каркасы галактик и фактически сформировала нашу Вселенную, задала ее структуру.
Возникший за первую секунду мир оказался невероятно гармоничным и как будто специально устроенным для дальнейшего плодотворного развития. Инфляция сделала Вселенную однородной. Мировые константы, определяющие все четыре взаимодействия, массы и заряды элементарных частиц, известные числа e, ? и другие приобрели точно такие значения, которые необходимы для дальнейшего формирования устойчивых химических элементов, молекул и самой жизни. Если представить, что одна или несколько из примерно 30 мировых констант оказались бы на долю процента не такими, какие они есть, нас с вами и, вероятнее всего, ничего другого в нашем мире не возникло бы. При этом вероятность такого сочетания мировых констант совершенно ничтожна[1 - Поскольку за подобными рассуждениями с очевидностью просматривается что-то напоминающее акт творения, многие физики, придерживающиеся атеистических взглядов, предпочитают альтернативную теорию множественности вселенных. По этой теории, вселенные образуются постоянно. Большинство из них лопается и исчезает, как мыльный пузырь. Другие, немногие, остаются пустыми и безжизненными. А нам вот так исключительно повезло возникнуть в жизнеспособном варианте Вселенной.].
Не менее удивительно то, что все сложнейшие взаимодействия и саморазвитие Вселенной подчиняются красивым и элегантным математическим законам, одинаково справедливым для самых удаленных от нас во времени и пространстве мест. Математические константы e, отражающая однородность пространства и времени, и ? – его изотропность, золотое сечение и числа Фибоначчи, ответственные за фракталы[2 - Фрактал – объект, в точности или приближённо совпадающий с частью себя самого. Фрактальную структуру имеет огромное число природных объектов: береговые линии, горы, снежинки, молнии, листья растений, системы кровообращения и т. д.], придают нашему миру невероятную красоту и абсолютное совершенство.
Если первая секунда бытия нашего мира была буквально напичкана таинственными и чудесными явлениями и совпадениями, то дальнейшее развитие шло уже гораздо более плавно, по уже сформировавшимся физическим законам. Необъяснимые совпадения и явления становятся всё более редкими.
За следующие 300 тысяч лет из протонов, нейтронов и электронов образовались первые устойчивые ядра водорода и гелия. Вещество постепенно начинает преобладать над излучением в общей энергии Вселенной, которая становится прозрачной для электромагнитного излучения и, следовательно, для фотонов (реликтовое излучение).
Еще 500–600 млн лет наш мир провел в темноте. Водородные облака блуждали по быстро расширяющейся Вселенной, пока некоторые из них под воздействием тяготения не собрались в плотные образования, которые сжимались до тех пор, пока температура в них не повысилась примерно до 10 миллионов градусов и не началась реакция синтеза гелия из водорода. Именно эта реакция идет в водородных бомбах и звездах. Так зажглись звезды первого поколения, и Вселенная осветилась их светом.
Звезды первого поколения были огромны, они превосходили массу нашего Солнца во много тысяч раз. Жили они, по звездным меркам, недолго: от нескольких сотен миллионов до миллиарда лет. В них быстро выгорает водород, который превращается в гелий. Потом синтезируются всё более тяжёлые элементы: углерод, кислород, кремний и железо. Каждая такая реакция идет с выделением энергии в виде излучения, которое уравновешивает гравитацию. Но образование элементов тяжелее железа само требует затрат энергии. Эти реакции уже не идут самопроизвольно, без подведения внешней энергии. Излучение постепенно уменьшается, и тяготение берет верх. Происходят стремительное сжатие звезды, выделение огромной энергии и страшной силы взрыв, по энергии сравнимый только с Большим взрывом, в результате которого возникла Вселенная. В адском пламени таких взрывов родились все элементы тяжелее железа: цинк, свинец, золото, уран. Без многих из них не было бы не только нас, но и самой жизни.
Из остатков звезд первого поколения и сгустков космической пыли рождались звезды второго поколения. В них уже содержались металлы, но их было относительно мало. Наиболее крупные из них вновь взрывались (сверхновые). Из их остатков формировались нейтронные звезды и черные дыры – сгустки сверхплотной материи и энергии, такие массивные и плотные, что даже свет не может вырваться из их крепких объятий. Темная материя и черные дыры стали важнейшими элементами формирования звездных галактик и скоплений галактик.
Из остатков звезд второго поколения образовались звезды третьего поколения, которые отличает гораздо более высокое содержание металлов и тяжелых элементов, необходимых для возникновения жизни.
На окраине одной из галактик, которую мы привыкли называть Млечным Путем, примерно 4,5 млрд лет назад сформировалось наше Солнце, а рядом – с ним Земля. При этом Земле повезло оказаться на оптимальном для развития жизни расстоянии от Солнца. Чуть дальше было бы слишком холодно, чуть ближе – всё сгорело бы. Жидкое вращающееся железо-никелевое земное ядро создает достаточно сильное магнитное поле для надежной защиты поверхности от убийственного гамма-излучения Солнца. Через примерно 100 млн лет после формирования Земля пережила очень удачную для всего живого катастрофу. В нее по касательной врезалась другая планета размером с Марс и выбила изрядное количество материи, которая слилась с остатками врезавшейся планеты и стала потом Луной. Эксперты говорят, что без нее жизнь на Земле не смогла бы развиться. Луна стабилизировала земную ось с наклоном в 23 градуса, что обеспечило смену времен года, и создала поначалу огромные приливные волны, в которых и началась жизнь. Причем Луна была в это время в несколько раз ближе к Земле, а Земля вращалась вокруг своей оси в четыре раза быстрее. Потом на Землю обрушился метеоритный дождь, доставивший нам почти всю воду, причем ровно столько, сколько нужно, чтобы создать ее животворящий кругооборот, но не всё залить.
В общем, уже на начальном этапе существования нашей планеты с ней произошла цепь очень маловероятных событий, которые в совокупности обеспечили уникальные возможности для развития жизни. Кстати, место Солнца на окраине галактики также входит в цепь удачных событий, поскольку в ее центре жизнь не успеет сформироваться из-за постоянных взрывов сверхновых, выжигающих своим излучением всё на сотни и тысячи световых лет вокруг.
Но все эти невероятные удачи представляются мелочами по сравнению с чудом возникновения жизни. Жизнь на земле существует только в форме клетки. Все клетки произошли из других клеток, те – из других, и так миллиарды лет. Но с чего всё началось? Ведь до клетки жизни не было. Она должна была начаться с возникновения первой клетки. А даже самая простая клетка неописуемо сложна. В ней уже должны одновременно протекать сотни, если не тысячи, химических реакций, работать десятки органелл[3 - Органелла – орган клетки, обеспечивающий определенную функцию.]. Как всё это могло возникнуть впервые, пусть даже из сложных белковых молекул? Вероятность такого самопроизвольного создания, наверно, даже меньше, чем вероятность появления нашей Вселенной с нужными значениями мировых констант, которая, как мы уже знаем, совершенно ничтожна. Что ж, отметим возникновение клетки и жизни как второе чудо мироздания и пойдем дальше.
Чудо возникновения сверхсложной клетки вроде бы противоречит одному из важнейших законов Вселенной – закону возрастания энтропии. Он гласит, что энтропия, являющаяся мерой беспорядка, в изолированной системе растет или остается постоянной. То есть беспорядок, хаос в нашей Вселенной должен расти. При возникновении и развитии жизни, то есть создании множества упорядоченных и очень сложно организованных структур, энтропия на Земле стремительно растет. Этот рост должен быть скомпенсирован пропорциональным убыванием энтропии, то есть ростом беспорядка и хаоса в остальной Вселенной. Быть может, гигантские просторы Вселенной с неисчислимыми черными дырами, бесчисленными разрушительными взрывами и почти бесконечными пространствами хаотичных облаков материи понадобились для того, чтобы компенсировать убывание энтропии, вызванное земной жизнью.
Примерно 3,5 млрд лет назад, по современным представлениям, образовались первые, самые примитивные клетки и, следовательно, жизнь. Около 1,7 млрд лет назад появились клетки с ядром (эукариотические). Об истории жизни раньше, чем 550 млн лет назад, имеются лишь косвенные данные и эпизодические сведения. Все даты получены на основе анализа радиоактивности, и многие эксперты в них сомневаются.
Несомненно, эволюция жизни на Земле шла рывками. Виды образовывались очень быстро, по историческим меркам почти мгновенно. Эволюция состояла из массовых вымираний, вызванных катастрофами, и эволюционных взрывов. Катастрофы почти полностью стирали результаты предшествующего периода и запускали эволюционный процесс как бы заново. При этом, как правило, главенствующие на предыдущем этапе формы жизни уступали место лидера новым.
Климат на Земле постоянно и часто катастрофически менялся. Так, 850–630 млн лет назад Земля превратилась в снежный ком и температура на экваторе была такая же, как сегодня в Антарктиде. Однако жизнь простейших организмов продолжалась, наиболее приспособленные виды выжили и при начавшемся потеплении наполнили атмосферу кислородом. Это стало толчком к так называемому Кембрийскому эволюционному взрыву (540 млн лет назад). В этот период планету заполнили очень причудливые, уже довольно крупные животные. Их развитие было грубо прервано новым страшным оледенением (ордовикское вымирание, 480–430 млн лет назад), вызванным, по всей вероятности, извержениями вулканов в Китае. При извержении выбрасывается огромное количество пепла, который надолго закрывает Солнце. При этом некоторые из них длились с перерывами в миллионы лет.
Далее последовали девонское вымирание (372 млн лет назад) и великое пермское вымирание (253–251 млн лет назад), вызванное Сибирскими траппами, на миллионы лет покрывшими всю Сибирь излияниями раскаленного базальта. Оно привело к исчезновению 70 % видов наземных позвоночных и 83 % видов насекомых. Царство насекомых заняло присущее ему сейчас скромное место. Главенствующим видом примерно на 50 млн лет стали земноводные. Триасовое вымирание (208–200 млн лет назад), вызванное вулканическими выбросами токсичных веществ, прекратило главенство архозавров и земноводных и открыло путь царству динозавров в известном нам по фильмам Юрском периоде. Наконец, столкновение с упавшим в районе Юкатана крупным метеоритом привело к меловому вымиранию (65,5 млн лет назад), уничтожившему динозавров и открывшему эволюционный путь млекопитающим и человеку.
После каждого из пяти вымираний происходил эволюционный подъем со сменой главенствующих видов, которые занимали экологические ниши погибших властителей планеты.
Шестое, пожалуй самое крупное вымирание животного мира связано уже с человеческой деятельностью и, к сожалению, еще не закончилось. В докладе Living Planet Index[4 - URL: https (https://livingplanetindex.org/home/index)://livingplanetindex.org/home/index] утверждается, что только примерно за полвека в период с 1970 по 2014 год человечество уничтожило более половины млекопитающих, птиц, рыб и рептилий на планете.
По современным взглядам, человек разумный (Homo sapiens) появился в Восточной Африке где-то около 200 тысяч лет назад. Существенным отличием этого вида стал большой, почти в полтора раза больший, чем у предков-обезьян, невероятно пытливый и изобретательный мозг. Некоторые ученые считают, что приведшие к появлению Homo sapiens мутации были вызваны многократно ускоряющим мутационные процессы повышенным уровнем радиации, характерным для Восточно-Африканского разлома. Конечно, такой мозг дал существенные эволюционные преимущества, позволив усовершенствовать охотничьи приемы и освоить копье и дротик. Этого уже вполне достаточно не только для выживания, но и практического господства над животным миром. Человек с копьем в группе охотников уже становится самым сильным. Но обретенный мозг позволил человеку разработать изощренный математический аппарат, точно описывающий сложнейшие физические и химические процессы, создать мощнейшую технику, полететь в космос и проникнуть в тайны атомных ядер и элементарных частиц. Что это за странные мутации? Зачем они ему и слепой, по мысли Дарвина, эволюции? Всё это величайшая тайна и, конечно, третье чудо в нашей с вами истории.
Итак, для развития Вселенной и человека понадобились три чудесных и довольно длинная последовательность чрезвычайно маловероятных событий. Это неизбежно наводит на мысль об осмысленности этого развития и, не побоюсь этого утверждения, о нашей исключительности. Да, мы с вами, читатель, по всей вероятности, сложнейшая и, возможно, самая важная часть этого божественно прекрасного мира. Это внушает оптимизм и гордость.
Одновременно с этим наш мир смертельно опасен, явно несправедлив и трагичен для каждого из нас. Мы с вами летим на раскаленном внутри до 5700 градусов шаре вокруг мощнейшего термоядерного реактора с полным спектром убийственных излучений. При этом мы вращаемся вокруг земной оси со скоростью около 1000 км в час на широте Москвы, вокруг Солнца со скоростью 30 км в секунду и вместе с Солнцем вокруг центра галактики со скоростью 200 км в секунду. К тому же вся галактика движется в космическом пространстве со скоростью около 600 км в секунду. Если учесть, что мы представляем собой довольно хрупкие белковые структуры, есть от чего беспокоиться.
Всё же это скорее шутка. А вот истинная трагичность нашего существования – неизбежность смерти, то есть, если стоять на атеистических позициях, неизбежность полного исчезновения уникального внутреннего мира и личности человека. Это представляется настолько жутким и несправедливым, что с самых ранних периодов своей истории человек верил в жизнь после смерти. Даже люди каменного века не могли смириться с полным уничтожением личности и верили, что их умершие сородичи продолжат свое существование после смерти. Они торжественно провожали их в последний путь и клали в могилу всё необходимое для продолжения жизни на том свете.
Человек создал большое количество различных религий, и все они, в той или иной форме и степени, обещали бессмертие. Мировые авраамические религии (христианство, ислам и иудаизм) совершенно определенно обещают своим последователям воскрешение и бессмертие. Причем христианство говорит о воскрешении в момент конца света и Страшного суда в новых бессмертных телах и жизни на совершенно иной, обновленной и совершенной земле. Более того, утверждается, что не все мы умрем, а люди, которые будут жить в момент или в эпоху Страшного суда, изменят свое тело и станут бессмертными.
В Библии воля Бога чаще всего реализуется через дела различных людей. Я думаю, что предрекаемое Священным Писанием преображение тел человека в бессмертные и нетленные формы также должно произойти в результате действий самих людей.
Важнейшее противоречие между вечным и прекрасным миром и таким сложным и уникальным, но смертным человеком во все времена интересовало и науку. Эликсир бессмертия искали мудрецы в Древнем Китае, алхимики в средневековой Европе и, быть может, под несколько иным названием ищут современные биологи и медики. При этом из разных научных и псевдонаучных уголков планеты через Интернет доносятся периодические возгласы: «Нашел!»
Похоже, решение проблемы радикального продления здоровой жизни, а потом, возможно, и бессмертия реально достижимо. Эксперты видят основные принципиальные препятствия скорее в этической и экономической плоскости, чем в научной и технологической сферах. Значит, нужно только сконцентрировать усилия общества и государства на решении этой задачи. При этом попутно будут достигнуты решающие успехи в лечении онкологических, сердечно-сосудистых и других наиболее распространенных заболеваний. Ведь общеизвестно, что 80 % всех смертей в мире происходит от болезней, связанных со старением. То есть, другими словами, именно старение является первопричиной практически всех уносящих жизни заболеваний. Если бы государства и общество уделили борьбе со старением хотя бы десятую часть тех усилий и средств, которые они тратят на достижение гораздо менее важных политических и военных целей, жизнь человечества быстро бы изменилась к лучшему.
Таким образом, мы установили, что, во-первых, создание и развитие Вселенной, жизни на Земле и человечества проходит через череду совершенно невероятных событий, которые в совокупности и временной последовательности практически невозможно объяснить иначе, чем единым замыслом; во-вторых религия говорит о входящем в этот единый замысел неизбежном и необходимом обретении людьми бессмертия и, в-третьих, наука и технологии уже сейчас предлагают конкретные пути реализации единого замысла и движения к всё более совершенному и в перспективе бессмертному телу.
Наша цель – реализация этого замысла! Это, конечно, как говаривал Ленин, программа-максимум. А программа-минимум – борьба со старением.
Для успешной борьбы со старением за долгую и здоровую, в перспективе практически бессмертную жизнь необходимо научиться управлять своими клетками, органами и системами, из которых состоит наш организм. Для этого, как и для управления любым другим объектом, нужно иметь умозрительный образ, или мысленную модель своего организма. А для создания такой модели нужны знания, которые дает предлагаемая вашему вниманию книга. Они необходимы каждому также и по вполне прагматичным соображениям. Современный человек плывет в огромном и чрезвычайно хаотичном потоке информации. Значительная часть часто противоречивой и ложной информации касается здоровья и лекарств. К сожалению, этот грязный поток захлестывает не только обычных людей, но и медиков, большая часть которых теряется, читая и слушая различные, а часто и совершенно противоположные мнения авторитетных экспертов по основополагающим медицинским вопросам. При этом каждый эксперт опирается на определенные клинические испытания, которые тоже нередко опровергают друг друга. Поэтому нам со страниц газет и журналов, с экранов телевизоров и компьютеров беспрестанно то рекомендуют к потреблению якобы полезные продукты питания и чудодейственные лекарства, то говорят, что эти продукты страшно вредны, а лекарства бесполезны. Мнения врачей по одному и тому же вопросу тоже часто различны, а зачастую и противоположны.
Из этого информационного хаоса есть только один выход – самому освоить фундаментальные биологические, химические и физические закономерности и основанные на них механизмы и взаимодействия, определяющие работу нашего организма, его основные болезни и методы излечения. Зная эти закономерности и механизмы, человек сможет самостоятельно и на строгой научной основе оценивать различные рекомендации, сходу отбрасывать лженаучные, выделять сомнительные и отдавать предпочтение наиболее эффективным и соответствующим современным научным положениям.
В первой части нашей книги читатель познакомится с устройством человеческого организма, который представляет собой взаимодействующие сообщества клеток. Вам в наглядной и доступной форме раскроются основные биофизические и биохимические закономерности, лежащие в основе этого устройства, будут описаны важнейшие молекулярные машины, обеспечивающие организм энергией и транспортирующие внутри клетки различные вещества; различные органеллы клетки, ответственные за хранение и копирование информации, производство и утилизацию белков. На основе знаний о работе клеток будут представлены их взаимодействия и системы управления этими взаимодействиями на уровне тканей, органов и систем жизнеобеспечения организма.
Вторая часть посвящена изучению различных гипотез старения, многочисленных, к сожалению, сбоев в работе клеточного механизма и межклеточных взаимодействий, вызываемых старением. Последовательно будут описаны и объяснены обусловленные старением ухудшения в функционировании генома клеток, различных клеточных органелл, поломки в сигнальных путях и метаболических превращениях. Наконец, будут разобраны основные заболевания сердечно-сосудистой, пищевой, эндокринной, нервной и других важнейших систем человека, причины этих заболеваний, механизмы их развития, а также биохимия лежащих в их основе процессов. В конце второй части нами будет предложена новая гипотеза старения, которая отводит ведущую роль в процессах старения эволюционно выработанной поведенческой модели работы нашего подсознания.
В третьей части систематически рассмотрены различные методы противодействия старению клеточных органелл, клеток и межклеточных связей. На основе ранее полученных знаний о системах управления клеточными взаимодействиями и механизмах сбоев в этих системах изучаются возможности эффективной коррекции заболеваний этих систем. Особая роль отводится методам коррекции заложенной в подсознании программы старения. В завершение излагаются взгляды автора на причины, по которым борьба со старением необходима людям, и основные направления этой борьбы.
Чтение книги потребует от вас определенных усилий. Я не предполагал, что уровень подготовки читателей будет выходить за рамки школьной программы, но многие уже давно закончили школу. Поэтому я постарался напомнить некоторые базовые сведения. Если что-то вам будет трудно даваться, лучше при первом чтении пропустить эти страницы.
Книга построена так, что о каждом предмете (части клетки, человеческом органе или системе жизнеобеспечения) говорится трижды. Сначала, в первой части, – как он устроен (например, как устроена митохондрия). Потом, во второй части, – как он стареет (например, как стареют митохондрии). Наконец, в третьей части – как противостоять процессу старения, например старению митохондрий. В этом смысле можно вделить последовательности глав, описывающих устройство (глава 1.2), старение (глава 2.2) и методы противодействия старению (глава 3.1) клетки и ее структур, а также устройство (глава 1.3), старение (глава 2.3) и методы противодействия старению глава 3.2) органов и систем организма. При этом в начале каждого раздела во второй и третьей частях приводятся необходимые сведения из соответствующих разделов предыдущих глав.
Тем, кто хочет без труда ознакомиться с идеологией борьбы со старением, можно предложить сначала прочесть главы 1.1, 2.1 и 3.3, а потом приступить к чтению всей книги.
Путь познания не легок, но и не так сложен, как может показаться на первый взгляд. А дело того стоит!
Часть 1. Устройство человека
Прочитав первую часть книги, вы поймете, как живет и работает гигантское сообщество клеток под названием «Человек». В простой и, надеюсь, увлекательной форме вы получите довольно полную информацию об устройстве клетки, таинственном процессе развития всего организма из единственной клетки, основных механизмах работы клетки и клеточных органелл. Вы сможете представить себе работу каждого вашего органа, систем жизнеобеспечения организма, иммунной, эндокринной и нервной систем, мозга и самого сознания, составляющего сущность личности Человека.
Глава 1.1. Из чего состоит, как развивается и работает человеческий организм
В этом разделе показано, что, подобно музыканту, который берёт аккорды на рояле, эпигенетика включает и выключает различные группы генов. Это определяет форму и функции каждого типа клетки, то есть эпигенетика задает программу развития человеческого организма из одной клетки. Мы узнаем, как из клеток образуются ткани, из тканей – органы, из органов – системы жизнеобеспечения и управления клеточным сообществом.
1.1.1. Человек как управляемое сообщество клеток
Человек, как и всякий живой организм, состоит из клеток, являющихся относительно самостоятельными существами. Клеточная теория играет в биологии заглавную роль. К счастью, как и всякая великая теория, она довольно проста и может быть передана в следующих четырех положениях:
1) все живые организмы состоят из одной или нескольких клеток;
2) основные химические реакции, происходящие в живых организмах, локализованы внутри клеток;
3) все клетки происходят из других клеток;
4) в клетках в молекулах ДНК содержится наследственная информация, которая передается от одного поколения к следующему.
Рис. 1.1.1. Клетки тела человека
Все клетки человека, а их у среднего по весу человека около 60 трлн, произошли от одной клетки, образовавшейся из яйцеклетки и сперматозоида при зачатии.
Все клетки человека имеют одну и ту же ДНК с одинаковой наследственной информацией. Однако клетки печени разительно отличаются от нервных клеток (нейронов), а клетки мышц – от клеток крови (рис. 1.1.1).
Если ДНК, инструкция построения всего организма и каждой отдельной клетки, одинакова для всех клеток, откуда же такое их разнообразие? Ответ заключается в том, что форму клетки и ее функционирование определяет не набор генов, зашифрованных в ДНК, а активация или дезактивация тех или иных групп генов, (по-научному, экспрессия генов). То есть гены во всех клетках одни и те же, но в одних работает одна небольшая группа генов, в других – другая, и именно это определяет облик клетки и ее работу.
Если генетика изучает сами гены, то эпигенетика исследует закономерности экспрессии (активности) генов. Существует несколько механизмов включения и выключения, усиления и замедления работы конкретных генов. Если геном играет в клетке роль клавиш пианино, где гены – клавиши, то эпигенетические факторы – музыкант, нажимающий на эти клавиши и создающий мелодию. При этом эпигенетика может просто включить или выключить ген, а может включить его на 10, 50 или 75 %. То есть она может плавно менять интенсивность работы гена. В каждом типе клетки включены вполне определенные гены (эпигенетика берет аккорд), а остальные сильно приглушены или выключены. Именно определенный аккорд работающих генов создает тот или иной тип клетки по форме и функциям (почки, печень, мускулы, мозг и т. д.).
Каждый тип клеток соответствует своему эпигенетическому аккорду, локализуется в определенном органе и выполняет необходимые всему организму функции. Всего в теле человека функционирует около 230 типов клеток. Например, миоциты – клетки мышц, кардиомиоциты – сердца, нейроны – нервной системы и мозга, эритроциты, лейкоциты и тромбоциты – клетки крови и т. д. Некоторые наиболее распространенные названия клеток полезно запомнить. Мы будем вводить эти названия постепенно и расшифровывать их так, чтобы легче было запомнить.
Как и внешний вид клеток, их функции и сама жизнь очень различны. Например, клетки мозга (нейроны) и клетки сердца (кардиомиоциты) живут с человеком всю его жизнь и почти не обновляются[5 - В некоторых отделах мозга, например в гиппокампе, ответственном за обучение и память, каждый день появляются тысячи нейронов.]. Клетки печени обновляются примерно каждые 150 дней, то есть печень «рождается» заново один раз в пять месяцев. Она способна восстановиться полностью, даже если в результате операции человек потерял до двух третей органа. А вот клетки кожи, желудка, внешние клетки легких, языка и т. д., находящиеся в местах соприкосновения с внешней средой, живут всего несколько дней.
Рис. 1.1.2. Времена обновления органов человека[6 - http://www.chaskor.ru/article/ritmy_obnovleniya_chelovecheskogo_organizma_37575 (http://www.chaskor.ru/article/ritmy_obnovleniya_chelovecheskogo_organizma_37575).]
Клетки, как люди или муравьи, общественные живые организмы. Каждая из них, а их в одном человеке примерно в десять миллионов раз больше, чем всё человечество, живет своей жизнью, возможно со своими стремлениями. Однако по сравнению с человеком и даже муравьем клетка гораздо более специализирована и подчинена общим интересам сообщества клеток и организма. Клетки, подобно муравьям и другим общественным насекомым (пчелам, термитам), обмениваются друг с другом сообщениями. Только муравьи используют для этого феромоны[7 - Феромоны – продукты внешней секреции, выделяемые некоторыми видами животных и обеспечивающие химическую коммуникацию между особями одного вида.], а клетки – другие сигнальные молекулы.
Клетки очень альтруистичны, они гораздо больше, чем люди, действуют на благо всего сообщества клеток, а не для получения индивидуальных выгод. Клетки готовы отдать жизнь в интересах сообщества клеток, которым, по существу, и является наш организм. Такое поведение характерно для многих общественных насекомых, некоторых животных и даже людей. Только люди в этом случае считаются героями, а для клеток это нормальное поведение. Клетка по сигналу извне или по внутренней команде кончает жизнь самоубийством, которое называется красивым по звучанию и смыслу словом апоптоз (в переводе с древнегреческого «опадание листьев»). Такой сигнал подается, если клетка сильно повреждена, например произошли опасные для организма мутации, то есть повреждения ДНК, или в клетку пробрался и установил над ней контроль чужеродный организм.
На поверхности каждой клетки имеется множество рецепторов, чаще всего белковых молекул, которые, связываясь с внешней сигнальной молекулой, реагируют на пришедший в клетку сигнал. Рецепторы заменяют для клетки органы чувств: глаза, уши и т. д. Среди внешних рецепторов есть рецептор смерти. Когда с ним связывается специальная сигнальная молекула, этот рецептор передает команду на производство белков смерти, запускающих целый каскад реакций, осуществляющих плановую разборку клетки на запасные части, которые быстро (за 2–3 часа) поглощаются и в дальнейшем используются другими клетками. Это естественное окончание жизни поврежденной или старой клетки.
Как мы уже говорили, жизнь многих типов клеток коротка. Часть клеток не хочет подчиняться этому правилу и восстает против него. После ряда мутаций уже испорченная ими и не пригодная для функционирования клетка получает сигнал на самоуничтожение, но игнорирует его и продолжает жить и делиться, воспроизводя себе подобных. Более того, восставшие клетки для самообеспечения стимулируют образование собственной кровеносной системы, организуют свою систему обороны и становятся как бы самостоятельным растущим органом. Так появляется раковая опухоль. Клетки опухоли часто отрываются от нее и через кровь попадают в другие части организма, образуя там свои растущие колонии – метастазы. Это, конечно, мешает работе всего организма и ведет к его гибели.
Да, стремление к бессмертию некоторых, заметим, уже негодных клеток опасно для организма в целом. Возможно, так же обстоят дела и с человеческим обществом, если к бессмертию устремляются негодяи. Однако в человеке есть «вполне порядочные» бессмертные клетки. Их называют стволовыми.
1.1.2. Как организм развивается из клетки
Как известно, все клетки (40–80 трлн клеток в зависимости от размеров самого человека) происходят, в конечном счете, от одной клетки, образовавшейся от слияния сперматозоида мужчины и яйцеклетки женщины (зигота[8 - Мы будем в скобочках курсивом приводить распространенные термины и названия. Помнить их иногда может быть полезно, но необязательно.]). Это слияние может происходить как в теле женщины, так теперь и в пробирке. Это всем уже хорошо известное ЭКО, или экстракорпоральное оплодотворение, «дети в пробирке».
В первые сутки включены (экспрессированы) только 7 генов. Клетка делится на две клетки (бластомеры). За вторые сутки после оплодотворения работают уже 32 гена и образуются четыре клетки, за третьи – 129 генов[9 - URL: https (https://nauka.vesti.ru/article/1043149)://nauka.vesti.ru/article/1043149], образуется восемь клеток (бластомеров). Все эти полученные в результате дробления исходной клетки восемь клеток одинаковы по размеру и обладают одним замечательным свойством. Из каждой из них при определенных условиях может получиться любая клетка организма (плюрипотентность). Эти клетки, называемые эмбриональными стволовыми клетками, очень ценны. Можно, например, взять любую из них, сделать с ней различные генетические манипуляции, например вставить или вырезать ген и пересадить его в матку. Из этой клетки может вырасти генетически измененный организм[10 - За проведение генетических модификаций с плюрипотентными стволовыми клетками мышей и получение после этого животных с заданными генетическими свойствами была вручена Нобелевская премия 2007 года.].
При дальнейших делениях образующиеся клетки уже утрачивают замечательную возможность превращаться в любой из более чем 200 типов клеток. Из все-, или плюрипотентных они становятся много-, или мультипотентными, то есть сохраняют потенцию, возможность превращаться в определенную группу типов клеток. Например, мезенхимальные стволовые клетки способны превращаться (дифференцироваться) в клетки костной ткани, хрящевые и жировые клетки, а гемопоэтические стволовые клетки дают начало всем клеткам крови: хорошо известным по анализам крови моноцитам, нейтрофилам, эритроцитам, тромбоцитам и др. Превращения, или дифференцировка, могут идти в несколько ступеней. Каждая дифференцировка снижает возможности превращения, или потенцию, клетки. Клетка остается стволовой, если она сохраняет способность к дифференцировке и производству специализированной, или функциональной, клетки (в дальнейшем мы будем называть функциональными клетки, не являющиеся стволовыми и выполняющими в организме определенные функции). Часто стволовая клетка может порождать только один тип специализированной клетки. Например, клетка иммунной системы моноцит порождает только макрофаг.
Стволовые клетки играют роль клеточного резерва в организме человека. Они обитают в определенных нишах, представляющих собой места обитания множества стволовых клеток, которые физически поддерживают эти клетки и служат как бы интерфейсом между подсознанием и самими клетками. При необходимости мозг дает команду на активизацию клеток, находящихся в нише, и они направляются для замены старых или поврежденных специализированных клеток. Стволовые клетки могут быть также активированы по межклеточному сигналу, полученному от других клеток.
Стволовые клетки при делении могут произвести две соответствующие функциональные клетки, например клетки крови, или одну функциональную и одну такую же стволовую клетку. С возрастом доля стволовых клеток в общем количестве клеток человека быстро убывает. Если в младенчестве у нас одна стволовая клетка приходится на 10 тысяч специализированных, то в старости уже одна на сто миллионов. Это в 100 раз меньше, чем у взрослого человека в рассвете сил.
Возможно, потеря или израсходование стволовых клеток – одна из причин старения организма. Получить стволовые клетки из обычных специализированных, или, как их еще называют, соматических клеток[11 - «Сома» в переводе с греческого «тело», соматические – обычные клетки тела, например кожи.], оказалось технологически не слишком трудно. Для этого достаточно в клетку, например, кожи или другого органа ввести четыре фактора транскрипции[12 - Факторы транскрипции Oct4, Sox2, Klf4 и c-Myc (OSKM, или факторы Яманаки), активируют определенный набор генов и таким образом переводят соматические клетки в плюрипотентные стволовые клетки. Это превращение происходит путем эпигенетической регуляции клеточных процессов.], открытых японским ученым Яманаки. Преобразованные в стволовые клетки соматические клетки, в отличие от эмбриональных стволовых клеток, называют индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками. Подобно эмбриональным клеткам, они могут дифференцироваться практически в любые клетки организма. За это открытие Синъя Яманаки в 2012 году удостоился Нобелевской премии.
Итак, экспрессия группы генов, эпигенетический аккорд, активирующий одни гены и выключающий другие, может не только создавать различные типы специализированных клеток, но и превращать специализированные клетки в стволовые, как бы обращая время вспять.
Мы выяснили, что для того, чтобы стволовая клетка стала определенной специализированной клеткой, например клеткой печени, необходимо активировать строго определенный набор генов. Для этого, по аналогии с факторами Яманаки, достаточно активировать определенные факторы транскрипции.
Основные регуляторные участки генов называются промоторами (легко запомнить: промотор – тот, кто продвигает проект, идею, товар) и энхансерами (enhancer по-английски «усилитель»). Промотор дает старт для транскрипции, то есть созданию РНК по образу и подобию гена (это мы обсудим подробно в следующей главе). Энхансер – усилитель работы гена, который может в несколько раз увеличить его транскрипцию, то есть получить не одну, а множество РНК-копий гена.
Ученым удалось проследить за активностью промоторов и энхансеров более чем в 190 типах клеток человека и идентифицировать 180 тыс. промоторов и 44 тыс. энхансеров. Установлено, что типы клеток различаются активностью регуляторов транскрипции или экспрессии генов. То есть для каждого типа клеток характерны свой эпигенетический профиль, или аккорд (набор активных генов), и специфические для этого типа регуляторы транскрипции (промотеры и энхансеры).
Когда при очередном делении клетки нужно произвести клетку нового типа, например той же печени, в той части делящейся стволовой клетки, которой суждено стать клеткой печени, должны быть запущены соответствующие регуляторы транскрипции (транскрипционные факторы, промотеры и энхансеры), которые активируют и усилят нужный набор генов, соответствующий эпигенетическому профилю печени. При этом для многих таких превращений уже известны необходимые регуляторы.
Остается один, но, может быть, самый главный вопрос: как эта часть делящейся стволовой клетки узнает, что именно она должна стать клеткой печени? Значит ли это, что есть план или чертеж, по которому идет строительство организма?
Мы все привыкли к планам, проектам, чертежам и конструкциям. На первый взгляд, без них невозможно собрать такую сложнейшую конструкцию, как человеческий организм. Но где может находиться этот план или чертеж? Ответ может быть только один: всё в той же клетке. Больше негде! А в клетке есть только одно место, где хранится вся информация, – ядро клетки, а точнее ДНК. Эта огромная, состоящая из 3 млрд нуклеотидов (условных знаков, букв, в следующей главе мы опишем их подробнее) молекула содержит информацию о конструкции всех образуемых в клетке белков (в следующей главе мы подробно на этом остановимся). Белки играют в клетке роль регуляторов и отвечают за скорости всех проходящих в клетках химических реакций. Значит, активируя те или иные гены, генерирующие белки, можно регулировать все химические процессы в клетке и, следовательно, ее структуру и функцию. Однако за генерацию белков отвечает только примерно 1,5 % всех входящих в ДНК нуклеотидов.
Что кодируют оставшиеся 98,5 % нуклеотидов, достоверно пока неизвестно. Эту часть ДНК раньше ошибочно именовали «мусорной». Последние годы открывается важная, если не важнейшая, роль этой части ДНК. По всей вероятности, именно в этой части ДНК содержится программа построения всего организма. Конечно, эта программа не может иметь формы чертежа или плана. Простые математические расчеты показывают, что хранить информацию в такой форме в клетке невозможно, для этого нужно на порядки большее количество носителей информации.
Однако в математике и информатике известны другие формы представления знаний и программ развития. В системах искусственного интеллекта часто используется язык продукционных правил. Они имеют форму «если (условие) – то (событие)» и описывают знания в виде взаимосвязей «причина – следствие», «явление – реакция», «признак – факт» и т. п. Уже получили распространение языки программирования, хорошо приспособленные для описания системы продукционных правил.
Подобные правила часто используют в медицине. Собственно, современный подход к медицинским рекомендациям, основанный на стандартах, фактически состоит из продукционных правил. Например, если у пациента боль в горле, одновременно температура выше 37,5 и миндалины воспалены (покраснение) или трудно глотать, то диагноз – ангина и необходимы постельный режим и прием соответствующих лекарств.
По всем признакам, примерно так действует делящаяся клетка. Она как-то собирает доступную ей информацию, проверяет выполнение ряда условий, и на их основании активизируются или нет транскрипционные факторы, превращающие часть делящейся клетки в клетку, например, печени.
На основании какой же информации клетка может «принять решение» о начале превращения? Сразу скажем, что ни эта информация, ни сама программа развития организма науке пока неизвестны. В отрасли биологии, именуемой биологией развития, существуют только очень приблизительные гипотезы о программе развития человека из клетки. Однако в том, что, во-первых, такая программа существует и, во-вторых, она как-то закодирована в ДНК клетки, ученые не сомневаются.
Клетка имеет очень пластичную форму, напоминающую амебу или медузу. Она хорошо чувствует непосредственное окружение и может двигаться для того, чтобы занять более удобное положение. На поверхности клеток имеются отросточки – некоторые подобия рук (или ног), называемые псевдоподиями. При помощи этих отростков, похожих на щупальца, клетка может ощупывать свое окружение и переползать с места на место. Натяжение псевдоподий, нащупавших некоторый внешний объект, передается клетке и несет определенную информацию. Таким образом, клетка по сигналам от рецепторов на поверхности клетки и псевдоподий может получать информацию о своем положении относительно других клеток и межклеточных структур.
Клетки ведут активную общественную жизнь, постоянно обмениваясь сигналами (сигнальными молекулами). Эти сигналы клетка воспринимает через рецепторы и оценивает при «принятии решения» о превращении. Внешние рецепторы измеряют концентрации и перепады концентраций вне клетки, а внутренние – внутри клетки, причем в разных ее частях. По изменению концентраций некоторых химических веществ клетка может судить о числе делений, отделяющих эту клетку от первоначальной (зиготы). Кроме того, в клетке имеются встроенные счетчики числа делений (теломеры), о которых мы подробно будем говорить в следующей главе.
Анализируя имеющуюся у клетки информацию, мы можем представить себе структуру программы делящейся клетки в следующем виде:
ЕСЛИ прошло 23 деления И ЕСЛИ концентрация вещества А достигла 25, И ЕСЛИ концентрация вещества Б в левой части клетки меньше 100, И ЕСЛИ справа соседей нет и есть свободно пространство, ТО нужно активизировать регуляторы Р1, Р22 и Р45, которые создадут эпигенетический профиль клетки ПЕЧЕНИ.
Еще раз подчеркнем, что программа развития организма человека пока науке не известна, но мы уже можем представить себе ее вероятную структуру. Эта программа должна быть одинакова для всех клеток, но действует она в зависимости от истории клетки и ее окружения по-разному.
Как мы уже отмечали, клетки занимают в организме человека главное место. Можно даже сказать, что практически всё, что есть в организме человека, – клетки, произведенные клетками вещества и различные объединения взаимодействующих клеток.
