|
Живая природа хранит в себе три древние загадки: загадку возникновения жизни, загадку эволюции и загадку смерти. Хотя возникновение жизни остается загадкой и по сей день и хотя предпринимаются усиленные попытки воспроизвести в искусственных условиях процесс возникновения жизни, по существу, эта проблема была решена природой многие миллионы лет назад, если иметь в виду зарождение жизни на Земле, а быть может, и многие миллиарды лет назад, если согласиться с гипотезой о внеземном происхождении жизни. Загадка эволюции — усложнения и совершенствования живых систем, несмотря на сохранение одних и тех же структурных элементов живой материи,—также остается во многом не разгаданной. Действительно, природа одновременно и удивительно единообразна и поразительно разнообразна. Вот некоторые примеры. Наиболее простые живые организмы — вирусы имеют такое же строение, как и носители наследственности у высших организмов — гены. Белки, будь то у бактерий или у человека, построены из одних и тех же строительных блоков — аминокислот. В большинстве случаев организмы пользуются двумя механизмами снабжения себя энергией — брожением и окислением органических веществ. Причем если у бактерий эти два механизма чаще существуют раздельно, то эволюция, не отказываясь от достигнутого, использовала у высших организмов оба способа снабжения энергией. Пока остается неясным, как обеспечивается в природе, с одной стороны, стабильность основных ее элементов, а с другой— поразительное усовершенствование и сочетание этих элементов в процессе эволюции на пути от простейших одноклеточных существ к высшим организмам. Ответ на этот вопрос необходим во многих отношениях. Но, пожалуй, ничто так тесно не связано с этой проблемой, как загадка смерти. «Жить — значит умирать» (Ф. Энгельс. Диалектика природы). Однако что делает смерть неизбежной? Этот вопрос можно задать также следующим образом: есть ли какой-либо фундаментальный закон природы, который бы требовал, чтобы жизнь всегда оканчивалась смертью? Все, что нам в этом отношении известно, позволяет утверждать, что такого закона у природы нет (хотя то обстоятельство, что мы сейчас не знаем закона, запрещающего жить вечно, еще не означает, что этот закон вообще не существует). С другой стороны, отсутствие налагаемого законами природы запрета жить вечно дает основание поставить вопрос так: что же делает смерть той преградой, которую не может преодолеть ни один индивидуум? Но прежде чем рассмотреть этот вопрос, необходимо уяснить, что в природе существуют два принципиально различных механизма смерти — смерть от внешних причин и смерть от внутренних причин. То, что кажется столь очевидным — реальность смерти в конце жизненного цикла каждого индивидуума,— теоретически не является обязательным для живой природы. Некоторые простейшие — одноклеточные организмы — теоретически бессмертны: после каждого деления подобного существа возникают два полностью одинаковых дочерних потомка, обладающих всеми свойствами исходного организма. В благоприятных условиях процесс последовательных делений может продолжаться, как видно, неограниченно. В прежние годы в качестве подобного аргумента часто
приводили пример деления одноклеточного организма — парамеции — в течение
8400 поколений. Если рассмотреть этот результат применительно к человеческой
жизни, приняв, что период ее воспроизведения равен 25 годам, то это
означало бы, что в течение 210 000 лет одновременно существовали бы
все потомки исходного организма. В данном случае не имеет значения,
что в реальной действительности лишь особенно сильные экземпляры простейших
создают поколения (клоны), обладающие способностью делиться вегетативно
(то есть без полового размножения) неопределенно долго, не снижая способности
к делению и соответственно не зная смерти. Если бы эта способность наблюдалась
только у одного вида простейших или даже у одного клона (ветви), то
и тогда можно было бы утверждать, что теоретически существует жизнь
без смерти при наличии определенных благоприятных условий внешней среды.
Свойство потенциального бессмертия демонстрирует и сложный многоклеточный
организм, если в его клетках происходят так называемые злокачественные
изменения. Действительно, нормальные клетки, из которых строится многоклеточный
организм, находятся в таком взаимодействии друг с другом, что размеры
органов остаются постоянными. Так, например, в желудочно-кишечном тракте
постоянно идет очень интенсивное обновление клеток. Но новые клетки
регулярно приходят на смену гибнущим, то есть клеток появляется ровно
столько, сколько необходимо для поддержания их «запланированного». количества.
Более того, нормальные клетки, находясь в искусственных условиях вне
организма, в так называемой культуре тканей, делятся лишь строго определенное
число раз и затем погибают. Однако когда клетка становится раковой,
то ее потомки могут жить и в культуре ткани и в организме беспредельно,
если последовательно пересаживать раковые клетки из одного организма
в другой. Так, Пауль Эрлих еще в 1906 году выделил у мыши опухоль, которая
и сейчас используется во всех странах в научных исследованиях, хотя
максимальная длительность жизни мыши не превышает трех лет. Иными словами,
рак обеспечивает потенциальное бессмертие клеток. Уже этот один пример
доказывает, что фундаментальные законы природы не запрещают бессмертия
для одноклеточной системы — раковой клетки или одноклеточного организма. Вместе с тем любой организм может существовать лишь в том случае, если состав его тела поддерживается в определенных, обычно довольно узких, пределах. Это положение Клод Бернар более 100 лет тому назад сформулировал следующим образом: «Постоянство внутренней среды является необходимым условием свободной жизни организма». Это положение —закон живой природы. Закон постоянства внутренней среды организма является, как мне представляется, фундаментальным законом биологии, и поэтому его можно обозначить как Первый фундаментальный биологический закон. (Вряд ли верно составлять шкалу, которая бы точно определяла ранг закона. Фундаментальные законы прежде всего характеризуются тем, что ни один из них не может быть нарушен. Однако, насколько мне известно, все фундаментальные законы сформулированы по отношению к Природе вообще, то есть относятся к области, изучаемой физикой. Вместе с тем необходимость выяснить, существуют ли в живой природе свои фундаментальные законы, очевидна. Закон постоянства среды, несомненно, один из таких фундаментальных законов: не только каждый организм подчинен ему, но этот закон настолько важен, что силы, его охраняющие и поддерживающие, в течение всей жизни организма противодействуют физическому закону возрастания энтропии в живой системе. Постоянство внутренней среды прежде всего обеспечивается обменом веществ, основанным на поступлении в организм пищи, воды и кислорода. У одноклеточных существ резервы энергетических материалов в организме крайне невелики, а потому зависимость одноклеточных от поступления пищи, как правило, крайне выражена. Еще в большей зависимости находятся одноклеточные от физических условий среды. Нежная оболочка клетки — клеточная мембрана — не может быть надежной защитой от внешней среды. Это понятно, так как поступление пищи и выделение отходов происходит именно через эту мембрану. По существу, одноклеточные организмы находятся в равновесии со своей средой обитания. Иными словами, одноклеточный организм больше, чем какое-ли бо другое живое существо, находится в зависимости от среды обитания. Поэтому любые ее изменения — длительное ограничение в пище, колебания температуры, влажности, вызванные подчас самой жизнедеятельностью одноклеточных организмов, нередко становятся причиной их гибели. А это позволяет говорить о том, что в большинстве случаев смерть у одноклеточных— это смерть от внешних причин. Поэтому-то и можно утверждать, что теоретически некоторые простейшие (или некоторые их «сильные» подгруппы) могут оказаться бессмертными в условиях, когда внешняя среда этому благоприятствует. Идея о решающем значении внешних причин смерти нашла отражение а представлении о так называемых болезнях цивилизации. В соответствии с этим представлением считают, что избыточное или неправильное питание, недостаточная физическая активность, психическое перенапряжение, токсические вещества, попавшие во внешнюю среду, есть главные причины наиболее распространенных болезней человека — атеросклероза и рака. Тем самым предполагается, что у человека, как и у простейших, внешние факторы определяют основные причины смерти. Однако нет сомнений, что устранение всех внешних причин болезней, то есть жизнь по идеальным правилам и в идеальных условиях, не избавит высшие организмы от смерти. Конечно, благоприятные условия увеличивают продолжительность жизни, но асе равно для каждого вида характерен свой предел длительности жизни: крыса не может прожить более 5 лет, слон— более 80 лет. Следовательно, существует какое-то условие, определяющее видовые пределы жизни. Те исследователи, которые придают столь большое значение болезням цивилизации, вряд ли смогут утверждать, что «жизнь по правилам» позволит тому или иному индивидууму выйти за пределы видового лимита сроков жизни. Устранение внешних неблагоприятных влияний может в лучшем случае привести к тому, что время смерти индивидуума все ближе будет совпадать с видовым пределом жизни. Так, если средняя длительность жизни у человека составляет сейчас около 70 лет, то этот показатель может быть увеличен до уровня видового предела. Некоторые исследователи считают таким пределом 120 лет. У большинства видов только отдельные представители доживают до пределов видовой продолжительности жизни. Применительно к человеку этот разрыв между средней продолжительностью жизни и видовой продолжительностью, как видим, составляет в среднем около 50 лет. Что препятствует человеку достигать видового предела жизни? На этот, казалось бы, простой вопрос, однако, до сих пор нет общепринятого ответа. Большинство исследователей считают, что существуют два независимых явления, определяющих длительность жизни — физиологический процесс старения и болезни, которые все в большей степени поражают человека по мере увеличения возрасте. Рассуждения здесь строятся следующим образом. Если будут устранены основные болезни старения—атеросклероз и рак, то, как вычислили приверженцы этой точки зрения, длительность жизни человека увеличится на 18 лет; если же будут устранены все болезни пожилого возраста, то это даст в среднем дополнительно еще 2—5 лет жизни (Л. Хайфлик, 1976), На этом основании предполагается, что в условиях старения, но без болезней, человек будет умирать в возрасте, близком к 100 годам. Картина весьма заманчива, по крайней мере в настоящее время, ибо именно бремя болезней часто делает жизнь современного человека в среднем и пожилом возрасте очень тяжелой. Эта ситуация хорошо отражена в известном высказывании: «Надо стремиться прибавить жизни к годам, а не годы к жизни». Но в этом очень оптимистичном представлении, широко распространенном среди ученых, особенно в США, можно увидеть серьезные дефекты, ставящие под сомнение правильность самого разделения естественных причин смерти — на смерть от болезней и от физиологического старения. Действительно, до сих пор никто не сможет сказать, каким образом физиологическое старение обрывает жизнь. Обычно считают, что старение повышает вероятность смерти от любого повреждающего фактора. Нетрудно увидеть, что в этом случае проблема сводится, по существу, к «смерти от внешних причин». А это, как уже говорилось, явно упрощает истинное положение. Однако никто никогда не видел, что представляет собою смерть от физиологического старения. В настоящее время можно утверждать: никто не умирает от старости, человек и в старости умирает от болезней, причем статистика показывает, что в среднем и пожилом возрасте восемь главных болезней из многих сотен возможных служат причиною смерти каждых 85 человек из 100. Этими болезнями являются: ожирение, сахарный диабет тучных, атеросклероз, гипертоническая болезнь, метаболическая иммунодепрессия, аутоиммунные болезни, психическая депрессия и рак. Есть много доводов в пользу того, что в возникновении этих болезней большую роль играют внешние факторы. Ожирение, сахарный диабет и атеросклероз можно вызвать перееданием и снижением физической активности. Ожирение порождает метаболическую иммунодепрессию, то есть снижение иммунитета. Метаболическая иммунодепрессия способствует развитию рака. Стресс, психическое перенапряжение и длительное сдерживание отрицательных эмоций вызывают гипертоническую болезнь, психическую депрессию и ускоряют течение рака. Иначе говоря, все эти факты дают право считать, что внешние влияния вызывают болезни, становящиеся основной причиной прекращения индивидуального существования в старости. Вместе с тем остается несомненным, что, устранив эти внешние факторы, можно лишь увеличить длительность жизни, но отнюдь не увеличить видовой лимит жизни. С той или иной скоростью каждый высокоорганизованный организм подчиняется правилу: «Жить — значит умирать». В чем же здесь дело? Почему старение способствует развитию определенных болезней? Почему возникновение этих болезней ускоряется под влиянием ряда внешних факторов, хотя эти же болезни развиваются и в самых благоприятных условиях жизни? Почему старание сочетается с определенной группой болезней, а не с любыми болезнями из многих сотен известных патологических процессов? Чем определяется видовой лимит жизни: физиологическим старением — изнашиванием, истощением организма, связанным с прекращением обновления его клеток,— или болезнями, которые возникают под влиянием внутренних причин? Что же это, наконец, за внутренние причины, которые действуют с закономерностью, лишившей высшие организмы бессмертия, казалось бы, не запрещенного законами природы? Автор этих биологических очерков выдвинул гипотезу, в которой была сделана попытка ответить на поставленные вопросы. Постепенно в пользу этой гипотезы было получено множество фактов, так что некоторые исследователи стали называть эту гипотезу теорией. Однако, как и в первоначальных вариантах изложения сей гипотезы, введение в эту волнующую проблему лучше начать с рассказа о механизме так называемой запрограммированной смерти горбуши, но используя новые объяснения при рассмотрении этого примера с тем, чтобы привести читателя к идеям, положенным мною в основу гипотезы о происхождении механизма естественной смерти у высших организмов. В живой природе существуют примеры механизма смерти, явно не связанного с влиянием внешних причин. Всем известен вид смерти, свойственный бабочке-поденке. Такая бабочка, возникнув из личинки поутру, к концу первых суток, закончив цикл размножения, внезапно погибает. Смерть наступает независимо от условий внешней среды. Как будто кончается завод часов, и уже внутренняя причина остро обрывает нить жизни. Подобный вид смерти от внутренней причины не является исключением. Особенно отчетливо он выражен у более сложного организма — горбуши. В течение 4—5 лет у этой рыбы, пока она живет в Тихом океане, происходит созревание и увеличение размера тела, а в печени накапливается жир. Но вот наступает время, когда приближается период размножения, и горбуша отправляется в длинный путь, иногда в тысячи километров, к устью той реки, в которой она появилась на свет. Как только рыба направляется к реке, она начинает использовать печеночные резервы жира как источник энергии. Запас печеночных жиров снижается, но растет концентрация в крови холестерина, который синтезируется из жира. В течение короткого периода времени, одного-двух месяцев, рыба «стареет». В океане у горбуши нет никакого горба, давшего название этому виду. Но постепенно растет горб, изгибаются челюсти, западают глаза, истончается кожа. В организме горбуши происходят очень глубокие сдвиги — появляются признаки, свойственные сахарному диабету и атеросклерозу, снижается устойчивость к инфекции. Наконец, горбуши-самки откладывают икру, которая осеменяется мужскими особями горбуш. Через 1—2 недели рыбы-родители погибают. Причиною смерти становятся множественные инфаркты сердца, мозга, легких, почек. Это понятно, так как концентрация холестерина в крови у горбуши в период нереста увеличивается до 1000 мг%, то есть примерно в 10 раз. Механизм гибели горбуши — это типичный пример смерти от внутренних причин, причем пример, создающий впечатление существования запрограммированной смерти. Жизнь рыбы как бы оканчивается в соответствии с программой, хранящейся в генах. Как будто в них записан сигнал «стоп», который и обрывает жизнь этого вида рыбы. Поэтому описание естественной смерти горбуши очень часто используется как пример, характеризующий наличие генетической программы старения и смерти. Действительно, каждому виду, как уже говорилось, свойствен определенный лимит длительности жизни, следовательно, генетический, то есть «записанный» в генах, предел. Наиболее распространенным воззрением на происхождение лимита, ограничивающего продолжительность жизни, является теория «клеточной смерти». Эта теория основана главным образом на работах Л. Хайфлика (США), который показал, что в культуре ткани (то есть вне организма) некоторые клетки плода человека могут делиться 50 (плюс — минус 10) раз, а затем погибают. Если клетки взять от человека более старшего возраста или от лиц с преждевременным старением, то число делений, предшествующих гибели клетки, уменьшается. На основании этих данных стало модным считать, что часы, отсчитывающие время жизни, заключены в каждой клетке. Гибель клеток или ослабление функции в тех клетках, которые не подвержены делению после окончания развития, в конечном итоге приводит к ослаблению организма и гибели. Естественная смерть горбуши как бы в яркой форме демонстрирует исчерпывание генетического лимита, и ученые считают, что именно смерть на клеточном уровне вызывает смерть организма. Но имеется очень существенное наблюдение, которое трудно согласовать с представлением о роли смерти на клеточном уровне как основы смерти от «внутренней причины». О. Робертсон и Б. Векслер (1962) удалили половые железы у родственного горбуше вида рыб и затем содержали их в специальных резервуарах. Кажется невероятным, но длительность жизни кастрированных рыб удвоилась, а у некоторых даже утроилась! Следовательно, запрограммированная гибель горбуши не обусловлена лимитом деления клеток, часы, длительность хода которых отмеряет время жизни, не заключены в генетическом аппарате каждой клетки. Приведенный пример крайне демонстративен. Во-первых, он доказывает существование смерти от внутренних причин у такого сложно организованного организма, как горбуша. Во-вторых, он показывает, что видовые пределы жизни могут быть расширены, следовательно, есть возможность вмешиваться в программу, которая с незыблемой генетической закономерностью воспроизводится из поколения в поколение. Но, пожалуй, самый важный вывод, который может быть сделан из данного примера, заключается в следующем. В основе механизма запрограммированной гибели горбуши лежат сдвиги в регуляции обмена, которые приводят к резкому повышению содержания холестерина в крови и тем самым к гибели каждого индивидуума, каждой горбуши, ибо ни одна рыба этого вида уже никогда после нереста не возвращается в океан. Обычно принято считать, что смерть связана с истощением, изнашиванием, самоотравлением организма продуктами его жизнедеятельности, гибелью функционально важных клеток, например, клеток нервной системы — нейронов, иначе говоря, связана со стойкими и грубыми дефектами, или, как принято говорить, органическими нарушениями. Здесь же на примере механизма гибели горбуши становится очевидным, что в основе смерти могут лежать нарушения регуляции функции, то есть функциональные и поэтому в принципе обратимые нарушения. Если выразить это положение в более точных понятиях, то следует сказать: запрограммированная гибель горбуши связана с нарушением закона постоянства внутренней среды организма, то есть связана с отступлением от основного биологического закона. Если чрезмерное повышение уровня холестерина, характеризующее отступление от этого закона, практически непосредственно является орудием смерти, то необходимо прежде всего ответить на два вопроса: что вызывает нарушение регуляции производства холестерина и являются ли нарушения, свойственные механизму смерти у горбуши, частным случаем, присущим данному виду организмов, или же такой регуляторный тип смерти наблюдается в природе и у других видов, включая человека. (Оба этих вопроса в определенной мере взаимосвязаны, так как, узнав, чем обусловлены регуляторные сдвиги, лежащие в основе запрограммированной смерти, легче выяснить, возникают ли такого рода нарушения и у высших организмов.) Однако пример механизма естественной гибели горбуши, с другой стороны, заводит исследователей в тупик. Действительно, тот факт, что удаление половых желез тормозит выполнение «программы смерти», показывает, что у горбуши половые железы являются источником сигналов, включающих механизм смерти от внутренних причин: созревание половых желез, которое происходит к определенному периоду жизни, включает механизм размножения, а затем и естественной гибели горбуши. На этом основании многие биологи сделали вывод, что цель живой природы— размножение и что после того, как период репродукции (воспроизведе-ния) заканчивается, начинают работать механизмы, обрывающие жизнь. Внешне такое построение выглядит весьма правдоподобно. На примерах многих видев можно видеть, как после окончания репродуктивного периода быстро развивается старение, а затем приходит и смерть. Смерть индивидуума в этом случае как бы соответствует потребностям вида, освобождая биологическое пространство для новых поколений. Но данное заключение таит в себе серьезную ошибку. Если бы взаимоотношения между воспроизведением и смертью складывались подобным образом, то следовало бы признать, что у природы имеется цель и что этой целью является смерть индивидуума после окончания периода воспроизведения. Между тем можно утверждать вполне определенно: у природы нет такой цели, хотя она и достигается столь оптимальным способом, что создается впечатление, что существует смерть запрограммированная. Как совместить эти друг друга исключающие положения? В генетическом коде программы жизни организма действитель но зафиксировано воспроизведение себе подобных. И этот процесс, естественно, должен быть материально обеспечен — должны быть обеспечены условия для производства половых клеток. У горбуши в силу ряда внешних условий большинство половых клеток погибает после нереста, так и не будучи оплодотворенными. Однако способность производить большое количество половых клеток смягчает действие этого неблагоприятного для размножения факта. Казалось, в чем смысл накопления жира в печени и в емкости горба, если горбуше суждено в ближайшее время после нереста погибнуть? Но следует вспомнить, что из жира образуется холестерин, а каждая половая клетка, например, икринка, содержит много холестерина. Этот холестерин — строительный материал для построения оболочек (мембран) клеток, которые должны начать развиваться в сложный организм. Жир, до поры до времени хранившийся в своем жировом депо — горбе, способствуя синтезу холестерина, обеспечивает воспроизведение большого числа половых клеток. Но тут же открывается обратная сторона медали: повышенное содержание холестерина в крови вызывает у горбуши поражение сосудов и в конечном итоге приводит организм к гибели. Избыток холестерина в крови — основа процесса размножения, а гибель горбуши —побочный продукт, следствие, вытекающее из механизма воспроизведения себе подобных. При такой трактовке можно видеть, что здесь нет того, что называют запрограммированной смертью; в природу горбуши не заложен специальный механизм гибели, и вместе с тем смерть реализуется с такой закономерностью, таким единообразным способом, что у всех исследователей создалось впечатление о существовании запрограммированной смерти. Вот таким образом природа, не имея цели прекратить индивидуальное существование организма, а лишь обеспечивая программу созревания и размножения, ведет организм к гибели самым простым и оптимальным путем, используя для этого механизм, служащий продолжению рода. Итак, на примере естественной гибели горбуши мы видим, каким образом связаны развитие и смерть. Но все же данные о влиянии кастрации на продолжительность жизни горбуши могут привести к неверному выводу, что размножение и есть тот рычаг, который переключает организм на путь, ведущий к гибели. Рассмотрим, почему такой вывод неверен. Представим себе, что влияние механизма размножения исключено. Разве старание и гибель организма этим будут предотвращены? Вот некоторые примеры из области эндокринологии. В течение многих веков старение связывали с представлением об увядании, и в частности со снижением половой активности. Поэтому оправданными казались попытки повышения половой функции с целью борьбы со старением и смертью. Развитие эндокринологии — науки о железах внутренней секреции, к которым относятся и половые железы, началось с 1889 года, когда Ш. Броун-Секар ввел себе экстракт половых желез с целью омоложения. Хотя в последующем стало ясно, что экстракт практически не содержал мужских гормонов, оптимистическое самонаблюдение Броун-Секара послужило основанием к другим исследованиям и прежде всего работам В. А. Воронова. Но и в этих опытах, которые были направлены на повышение концентрации половых гормонов в организме, омоложение не наступало. Когда были получены в чистом виде женские и мужские половые гормоны, стало ясно, что их введение не предотвращает старения. О другом подходе к данной проблеме уже упоминалось, когда говорилось об увеличении длительности жизни горбуши, достигнутом благодаря кастрации. В этом случае, однако, устранялся специальный, свойственный некоторым лососевым рыбам механизм включения процесса размножения. Время наступления гибели отодвигалось, хотя, естественно, смерть не предотвращалась. Что же касается других организмов и, в частности, находящихся на лестнице эволюции выше, чем горбуша, то у них кастрация не задерживает ни процесса старения, ни наступления смерти. Если это так, то в чем же познавательное значение примера с горбушей? Не является ли этот пример тем частным, хотя и интересным, случаем, от которого природа, совершая свой путь «проб, ошибок и усовершенствований», давно отказалась в процессе эволюции? Нет, природа по многим причинам не могла отказаться от этого своего завоевания, от того эволюционного достижения, которое в примере с горбушей проявляется единством механизма воспроизведения и естественной гибели. Этот механизм, будучи частной особенностью, свойственной горбуше, одновременно является сущностью той истинно фундаментальной закономерности, от которой природа уже не смогла отказаться после того, как в процессе ее эволюции возникли сложно организованные живые системы. Точнее следует сказать, что сами высшие организмы являются носителями этой фундаментальной закономерности, которую я обозначил как закон отклонения гомеостаза. Здесь мы подошли к иной теме — концепции, которая должна объяснить, почему у многоклеточных организмов все происходит так, как мы сейчас наблюдаем, и не как-нибудь иначе, почему этим сложным живым системам присуще старение, болезни старения и регуляторный механизм естественной смерти в конце жизненного цикла каждого индивидуума. "Наука и жизнь" №9 1979
|