Åldrande (biologi)

Åldrande  är en ökning av risken för dödsfall av naturliga orsaker över tid [1] , en biologisk process av gradvis försämring och förlust av viktiga funktioner i kroppen eller dess delar, i synnerhet förmågan att reproducera och regenerera . På grund av åldrande blir kroppen mindre anpassad till miljöförhållanden, minskar och förlorar sin förmåga att bekämpa rovdjur och motstå sjukdomar och skador . Vetenskapen som studerar mänskligt åldrande kallas gerontologi och dess sektion, som direkt studerar den biologiska sidan av åldrande, kallasbiogerontologi .

Utvecklingen av åldrandet är ett av biologins olösta mysterier. Det finns många teorier som förklarar åldrande i termer av evolution. Generellt sett tror man att den främsta drivkraften bakom åldrandet är exogen dödlighet i en hård miljö, på grund av vilken evolutionärt tryck har liten effekt på urvalet av förändringar som bromsar åldrandet. Enligt mutationsackumulationsteorin kan skadliga mutationer som har negativa effekter vid en senare ålder (efter reproduktionsperioden) passivt ackumuleras utan motstånd från naturligt urval. Den antagonistiska pleiotropi-teorin närmar sig frågan från en annan vinkel, och antyder att om åldrande blir sällsynt kommer naturligt urval att gynna gener som ger fler fördelar tidigt i livet men kan ha en negativ effekt senare i livet. Dessa teorier förenas av det faktum att en ökning av exogen dödlighet leder till en evolutionär minskning av förväntad livslängd, och vice versa. Dessa teorier är dock inte universella, och det finns undantag, och förekomsten av exogen dödlighet bland några teoretiskt odödliga varelser motsäger klassiska teorier [2] .

Termen " åldrande " kan användas för att beskriva de sociala effekterna av mänskligt åldrande, såväl som för att beskriva förstörelsen av icke-levande system, såsom åldrandet av metaller .

Åldrande av olika organismer

Fenomenet åldrande observeras i viss utsträckning i nästan alla levande organismer, med undantag för ett antal organismer med försumbar åldrande . Hos personer runt 100 års ålder observeras även fenomenet försumbart åldrande [3] .

Åldrande och reproduktion

Reproduktion  är en viktig funktion av organismers liv: alla andra livsprocesser, särskilt åldrande och död , är anpassade till dess behov. För att förstå åldringsprocessen är det viktigt att belysa skillnaderna mellan enstaka och multipla reproduktionsstrategier. Enfosterorganismer förökar sig genom en enda reproduktionshandling under hela organismens liv. De flesta monocytiska organismer är ettåriga och tvååriga , men det finns många insekter och några ryggradsdjur , som rosa lax och ål . Multiparösa organismer, å andra sidan, reproducerar sig intermittent över en rad sexuell mognad , vilket vanligtvis utgör större delen av livet.

Singletons

I monocytiska former av reproduktion inträffar åldrande i slutet av livslängden, varefter organismen går igenom ett stadium av mycket snabbt åldrande, vilket leder till att organismen dör. I växter är den åldrande fasen vanligtvis en integrerad del av den förnybara processen, nödvändig för att den ska kunna slutföras. Fröspridning, till exempel, åtföljs av mognadsprocesser, fruktdroppning och frötorkning , processer som är oskiljaktiga från växtens åldrandeprocess. Detta snabba åldrande orsakas av vissa hormoner , vars nivåer varierar beroende på växtens utvecklingstillstånd och miljöförhållanden. Om till exempel frisättningen av växttillväxthormonet, auxin ,  förhindras med experimentella metoder, lever växten längre och går igenom en ovanligt lång åldrande.

Ett liknande mönster av att åldras ses i några insekter, som kännetecknas av två distinkta adaptiva färgstrategier: skyddande färgning , som kamouflerar insekten från potentiella rovdjur, och avskräckande färgning , som vanligtvis indikerar insektens toxicitet . Dessa två exempel på anpassning har olika optimala överlevnadsstrategier för arter: Defensiva insekter dör snabbare efter att häckningen är avslutad, vilket minskar möjligheten för rovdjur att lära sig känna igen dem – medan skrämmande insekter lever mycket länge efter häckningen, vilket ökar rovdjurens förmåga att komma ihåg dem. . Båda anpassningsstrategierna har hittats bland representanter för familjen Saturnian nattfjärilar , som har visat att deras livslängd efter reproduktion styrs av ett hormonsystem som också styr hur stor del av tiden som insekter tillbringar under flykten: nattfjärilar med en skyddande färg spenderar mer tid i flyger, utarmar sig själva och dör snabbt, medan nattfjärilar med skrämmande färg flyger mindre, sparar energi och lever som ett resultat längre [4] .

Flera organismer

Multipeln bildar inkluderar de flesta ryggradsdjur , mest långlivade insekter , kräftdjur och spindlar , bläckfiskar och gastropoder och perenner. Till skillnad från monocytiska former behöver multiparösa organismer inte använda alla sina livskrafter förrän i slutet av sin fortplantningsfas (förädlingsfas) för att reproduktionen ska bli framgångsrik, och den genomsnittliga livslängden i förhållande till häckningsperioden varierar ganska avsevärt mellan individer och beroende på art: små gnagare och vilda fåglar använder i genomsnitt bara 10 till 20 procent av sin potentiella häckningssäsong, medan valar , elefanter , apor och andra stora däggdjur naturligt använder mer än 50 procent av sina häckningssäsonger, och ofta till och med överleva det.

I multiparösa organismer är åldrandet gradvis, utan några uppenbara specifika systemiska eller miljömässiga mekanismer som skulle initiera denna process. Åldrandet visar sig främst som en minskning av kroppens förmåga att fortplanta sig. Hos arter som når en fast kroppsstorlek börjar minskningen av reproduktionsförmågan tidigt och accelererar med åldern. Hos stora reptiler , som når könsmognad medan de fortfarande är små och fortsätter att växa under en lång reproduktionsperiod, ökar antalet ägg som läggs med åldern under en ganska lång period, men slutar så småningom att växa och minskar gradvis. Reproduktionstiden i sådana fall är kortare än den förväntade livslängden.

En annan egenskap hos multiparösa organismer är beroendet av åldrandeprocessens hastighet på förmågan att fortplanta sig och på avkommans överlevnad - de mest fertila organismerna åldras mycket snabbare än de mindre fertila. Detta beroende gör att djur med kort förväntad livslängd kan överleva på grund av stora avkommor, och infertila djur på grund av ett stort antal möjligheter till reproduktion.

För en matematisk beskrivning av åldrandet av multiparösa organismer används ibland den så kallade Gompertz-Maikham [4] (eller helt enkelt Gompertz) dödlighetslagen, enligt vilken sannolikheten för död ökar exponentiellt med åldern: , där x  är ålder, och p  är den relativa sannolikheten för död under en viss tidsperiod, a och b  är koefficienter. Således, i avsaknad av en konstant term a , minskar populationsstorleken med åldern med en dubbel exponent [5] . Denna lag är empirisk och gäller inte för alla djur och inte under alla tidsperioder, men den är den enklaste för att jämföra olika organismers åldrande, och därför används ofta koefficienten b som en indikator på åldringshastigheten.

Gompertz-Makham-lagen är endast en approximation, giltig i medelåldern. Inom området för ung ålder finns det en betydligt högre dödlighet än vad som föreskrivs i denna lag. Till exempel kan nordlig torsk lägga upp till 6 miljoner ägg under leken , men endast ett litet antal av dem överlever till könsmognad [6] . Sådan dödlighet är främst ett resultat av unga individers oförmåga att undvika rovdjur, bekämpa sjukdomar och kan också vara resultatet av fosterskador och är inte ett resultat av åldrande. På området för sen ålder, tvärtom, finns det en minskning av dödligheten i jämförelse med Gompertz-lagen, närmare bestämt utgången av sannolikheten för död per tidsenhet till en platå [7] . Liksom i fallet med spädbarnsdödlighet är detta en allmän lag som iakttas även i den livlösa naturen [8] . Och även om en av de möjliga förklaringarna till detta fenomen kan vara befolkningens heterogenitet, indikerar aktuella data tydligt sambandet mellan platåing av dödlighet och en avmattning i åldrandeprocessen [9] .

För multiparösa organismer är inverkan av faktorer för populationsdynamik på utvecklingen av replikativ (celler i den generativa linjen) och somatisk (kroppslig) åldrande uppenbar. Individens proportionella bidrag till ökningstakten i storleken på en produktiv population minskar med åldern när förmågan att fortplanta sig minskar. Dessa fakta tyder på att det finns en optimal avkommastorlek från en enda individ. Hur mycket detta kan styra utvecklingen av specifikt åldrande eller metoder för skydd mot åldrande orsakat av andra orsaker är fortfarande en öppen fråga, där det inte finns någon konsensus bland forskare [4] .

Åldrande i olika taxonomiska grupper

Flercelliga djur

Åldrande effekter på djur ses vanligtvis endast i skyddade miljöer (som laboratorier och djurparker ). Under naturliga förhållanden är predation , sjukdom eller brist på mat den dominerande dödsorsaken, så åldrande är mycket sällsynt. Som en allmän regel är den naturliga livslängden för ett djur bara något längre än den tid det tar att nå puberteten, och den maximala livslängden innan man dör av ålderdom är flera gånger längre (det finns dock några undantag från denna regel). Följande tabell visar värdena för den maximala registrerade livslängden för vissa organismer före döden från ålderdom, tabellen är huvudsakligen sammanställd utifrån data som erhållits under skyddade förhållanden.

Livslängd för flercelliga djur (år) a
organism Maximal livslängd (år)
däggdjur
Grönlandsval ( Balaena mysticetus ) 210
Människan ( Homo sapiens ) 122 b
Elefant ( Elephas maximus ) 69-86
Schimpans ( Pan troglodytes ) 37-75
Hund ( Canis familiaris ) 29-34
Ko /tamtjur ( Bos taurus ) trettio
Katt ( Felis catus ) 29
Vildsvin ( Sus scrofa ) 27
Tamget ( Capra hircus ) 18-20
Ekorre ( Sciurus vulgaris ) 15-16
Husmus ( Mus musculus ) fyra
Fåglar
Turkiet gam ( Cathartes aura ) 118
Knopsvan ( Cygnus olor ) 70
Surinam Amazonas ( Amazona ochrocephala ) 56
Klippduva ( Columba livia ) 35
Sparv ( Passer domesticus ) 23
Ladugårdssvala ( Hirundo rustica ) 9
Hummingbird ( Colibri spp.) åtta
Blå mygga ( Polioptila caerulea ) fyra
organism Maximal livslängd (år)
Reptiler och amfibier
Galapagos sköldpadda ( Geochelone nigra ) 177
Nilkrokodil ( Crocodylus niloticus ) 44-68
Japansk jättesalamander ( Andrias japonicus ) 55
Stor grön padda ( Lithobates catesbeianus ) trettio
Europeisk svart salamander ( Salamandra atra ) 17
Tempelsköldpadda ( Hieremys annandalii ) 9
Fisk
Sjöstör ( Acipenser fulvescens ) 152
Havskatt ( Silurus glanis ) 60
Mississippi gambusia ( Gambusia affinis ) 2-3
skaldjur
arctica islandica [10] upp till 500
Insekter
Periodisk cikada (flera arter av släktet Magicicada ) 17
Myrdrottning (Formicidae) femton
Fruktfluga ( Drosophila melanogaster ) 30 dagar
Majflugor (Imago) (Ephemeroptera) 1-3 dagar från kl
Övrig
Anemone ( Actiniaria ) 70
Leech ( Hirudo medicinalis ) 27
Daggmask ( Lumbricus terrestris ) tio
C.elegans 20 dagar
Anmärkningar:a Den här tabellen är en förkortad version av tabellen i artikeln Maximal lifespan för att visa det ungefärliga livslängdsintervallet för större grupper av organismer. Referenser till källorna för varje värde ges i sin helhet. Vid sammanställningen av tabellen indikerades alla hittade åldersvärden, även om deras tillförlitlighet är annorlunda. Den bästa ålderskällan för de flesta organismer är AnAge-databasen på grund av det faktum att denna databas i de flesta fall innehåller detaljerade referenser till de primära källorna till den använda informationen och utvärderar deras tillförlitlighet.

.

b En person kan använda medicinska tjänster , dessutom är fall av ett långt liv för en person mycket bättre dokumenterade. Som ett resultat tycks människans livslängd vara längre än för liknande djur.från majflugans larv lever upp till 2-3 år.

  • Faktorer som påverkar livslängden.

Den förväntade livslängden varierar mycket mellan djurarter . Flera faktorer påverkar det. I de flesta fall beror den förväntade livslängden på djurets fertilitet: ju fler avkommor det ger, desto mindre lever det. Dessutom beror livslängden på djurets storlek, storleken på dess hjärna och dess metaboliska aktivitet . Till exempel har mindre djur som regel en kortare livslängd och större djur längre förväntad livslängd.

De enklaste djuren

Vissa lägre djur undviker praktiskt taget åldrande genom att snabbt förnya celler i alla vävnader i kroppen, vilket är möjligt på grund av en enkel och decentraliserad kroppsstruktur. Exempel på sådana organismer är havsanemoner och sötvattenhydror . I en studie publicerad 1998 [11] visades det att enligt yttre, cytologiska tecken och förmågan att fortplanta sig, visade hydra inte tecken på åldrande under hela studien på 4 år. Även om hon i princip kan åldras är skillnaden mellan förväntad livslängd och tiden för att nå puberteten, som bara är ungefär en vecka, mycket betydande.

Långsamt åldrande ryggradsdjur

Även om åldrande är uppenbart hos de flesta djur, är det inte signifikant hos vissa djur. Några stora reptiler, mest notably sköldpaddor , är exempel på sådana djur . Till exempel kan Galápagossköldpaddan ( Geochelone nigra ) leva upp till 177 år [12] , och vissa fiskar, som störar , lever längre än 150 år [13] . Dessa djurs livslängd och åldrande är dock mycket dåligt förstådda. Dessutom, även under ett långt liv, är energiförbrukningen för dessa organismer försumbar, mycket mindre än för däggdjur. Dessutom ökar dessa djur gradvis i storlek även efter att de har nått puberteten, vilket gör att de kan späda ut åldrande kroppsceller med nya.

Däggdjur

Relationen mellan livslängd och taxonomisk grupp bland däggdjur har studerats bäst . Primater , i allmänhet, är den längsta livslängden, även om vissa små nya världens apor har kort livslängd. Musgnagare är kortlivade, medan ekorrgnagare når tre gånger åldern hos möss. Livslängden beror på tre separata faktorer: hjärnvikt , kroppsvikt och ämnesomsättning [4] [14] . Livslängdens beroende av dessa faktorer kan uttryckas i form av en empirisk ekvation: L = 5,5 E 0,54 S −0,34 M −0,42 . Livslängden (L) för däggdjur i år beror på hjärnans massa (E) och kroppsmassan (S) i gram och på ämnesomsättningen (M) i kalorier per gram per timme . En positiv exponent för E (0,54) indikerar att däggdjurs livslängd är starkt och positivt korrelerad med hjärnans storlek oavsett kroppsstorlek eller metabolisk hastighet. En negativ korrelationskoefficient med ämnesomsättningen visar att den förväntade livslängden minskar med en ökning av organismens aktivitet. Den negativa korrelationen med kroppsvikt indikerar att tendensen för större djur att leva längre inte är resultatet av större kroppsstorlek, utan av större hjärnmassa.

Det typiska förhållandet är något kränkt när det gäller hundraser . Större hundraser, även om de når puberteten långsammare, lever mycket kortare liv, en skillnad på cirka 2 gånger mellan de största och minsta raserna. Detta exempel var den första observationen som visade att urval i princip kunde förändra livslängden.

Fåglar

Samma typ av beroende av L av E, S och M gäller också för fåglar , men fåglar i allmänhet lever längre än däggdjur, trots högre kroppstemperaturer och metabola hastigheter.

Reptiler

Den förväntade livslängden för stora reptiler överstiger den förväntade livslängden för däggdjur av motsvarande storlek, men hastigheten på deras naturliga metabolism är tio gånger lägre. Således är den totala förlusten av energi under livet hos reptiler mindre än hos däggdjur.

Leddjur

Livslängden för olika arter av leddjur kan variera från flera dagar till flera decennier. De mest kortlivade insekterna har en kort reproduktionsfas; långlivade spindlar och kräftdjur  är produktiva, med årliga reproduktionscykler.

Energikostnader

Stora djur med en utvecklad hjärna, särskilt primater , producerar den största mängden energi under hela sitt liv. Till exempel är den totala energiproduktionen för ett människoliv per gram vävnad cirka 1,2 miljoner kalorier, medan för husdjur som katter och hundar , endast 0,4 miljoner kalorier.

Ovanstående förhållande gäller för varmblodiga djur . Kallblodiga djur som går in i perioder av daglig inaktivitet eller viloläge kan avsevärt minska sin metaboliska aktivitet, ofta med mer än en faktor tio. De insektsätande fladdermössen på tempererade breddgrader är det mest kända exemplet - även om de lever i över 20 år spenderas nästan 80 procent av den tiden i djup dvala. Som ett resultat överstiger deras energiförlust under hela livet inte andra små däggdjurs energiförbrukning.

Singletons

Som redan har påpekats skiljer sig mönstret för åldrande hos enlingar mycket från det hos däggdjur. Ett av de mest intressanta exemplen på detta åldrande är den rosa laxens livscykel . Den normala livslängden för en fisk är cirka två år. Laxyngel kläcks i sötvattenförekomster , vandrar nedströms till havet, där de tillbringar större delen av sitt liv. Efter att ha nått puberteten rör sig laxen uppströms i stora stim till lekplatser , under denna resa är fiskens ålderdom ännu inte märkbar, och fisken måste vara i utmärkt fysisk form för att klättra genom forsen. Men redan en vecka efter leken dör laxen av ålder, vilket är lätt att se från nedbrytningen av nästan all kroppsvävnad. Även om livslängden varierar avsevärt mellan besläktade arter har de alla bara en lekmöjlighet, varefter all fisk dör [15] .

Den periodiska cikadan ( Magicada spp.), även känd som "17-årig gräshoppa", har ett liknande åldringsmönster . Dess larver lever i marken i 17 år, varefter de förvandlas till vuxna bevingade insekter , parar sig, lägger ägg och dör. Normalt kommer alla insekter i ett "blod" över ett territorium på hundratusentals km² att nå vuxen ålder inom en 24-timmarsperiod, vilket uppenbarligen är en överlevnadsstrategi som syftar till att förhindra att fåglar och andra rovdjur kan klara av det enorma antalet av cikador, dessutom underlättas sökningen. Livslängden för vuxna insekter är bara några veckor [15] .

Dessa exempel illustrerar fallet där i singelformer, som kräver full styrka och funktionalitet praktiskt taget resten av livet, åldrandet är mycket snabbt och är förknippat med fullbordandet av reproduktionsprocessen, och ofta kontrolleras aktivt av relativt enkla hormonella mekanismer som kan utvecklas under påverkan av naturligt urval . Dessa specifika genetiskt kontrollerade åldrandeprocesser är ett mönster av programmerat slut på livet som inträffar när sådant åldrande ger en överlevnadsfördel för de unga. Men i andra fall är det snabba åldrandet av singelorganismer resultatet av utarmningen av organismer som inte längre behövs efter reproduktion.

Förslitning av oersättliga organ. För vissa djur kan dödsorsaken vara slitage av viktiga oersättliga organ, även med en lätt åldrande av resten av kroppen. Till exempel begränsas livslängden för vissa växtätare genom att slipa ner tänderna medan de tuggar hårt gräs . Samtidigt kan en människa bara växa två uppsättningar tänder, medan den längstlevande växtätaren, elefanten , kan växa sex, vilket gör att slitna tänder kan ersättas med nya. Men på grund av relativt långsamt åldrande och få naturliga rovdjur lever elefanter ofta till en ålder där den sista tanduppsättningen har slitits ner och djuret svälter ihjäl [15] .

Växter Livslängd för fleråriga växter (år)
organism Livslängd (uppskattning)
Larrea tridentata ( Larrea tridentata ) 11 000* [16]
Jätte Sequoiadendron ( Sequoiadendron giganteum ) 4000 [16] [17]
Stengelek ( Quercus robur ) 2000 [17]
Europeisk lärk ( Larix decidua ) 700 [17]
Ramslök ( Allium ursinum ) 8–10 [18]
Mjölkvicker ( Astragalus utahensis ) 3 [18]
Notera: * I det här fallet kan det finnas problem med att identifiera samma "individ", eftersom åldern för planteringen av kloner avses.

När det gäller växter är organismens åldrande inte lika uttalat som hos djur. Begrepp som åldrande, mognad , död , utveckling , kloros , nekros , uttorkning är dåligt avgränsade och överlappar ofta [19] . Dessutom är det inte klart vad man ska göra med frön , som kan finnas kvar ganska länge utan att visa någon fysiologisk aktivitet, eller med växtdelar som ger upphov till nya växter genom vegetativ förökning . Livslängden varierar mycket mellan medlemmar av växtriket . Vissa trädslag kan leva i flera hundra år, medan vissa örtartade växter går igenom en livscykel på några veckor [20] .

När man överväger växters livslängd är det viktigt att ta hänsyn till att celldödligheten är mycket hög under hela växtens liv, och att vävnader, eller, när det gäller enfruktade organismer, av hela växter, är reglerad. av ett system av hormoner . Tillväxten av kärlväxter beror på aktiviteten hos meristem , som består av celler som liknar djurstamceller och i huvudsak är embryonala vävnader. När det gäller många flerfruktiga ( perenna ) växter kan denna tillväxt fortsätta nästan i det oändliga. Resten av växtvävnaden dör dock hela tiden ut. Till exempel består det mesta av massan av ett träd av döda vedceller. Enskilda växtorgan, såsom löv , har en livslängd betydligt mindre än hela organismens livslängd. Bladverk är fördelaktigt att underhålla endast om det bidrar till hela växtens överlevnad. Detta kan ses i tempererade lövfällande växter : när dagsljuset minskar eller temperaturen minskar utlöses programmerad celldöd i växter, vilket vanligtvis leder till en förändring i bladfärg och deras fall.

Denna "gulning" av löv kallas ofta i litteraturen för bladålderdom eller åldrandesyndrom [21] . Genom åldringsprocessen mobiliseras näringsämnena i det döende bladet för användning av andra delar av växten, vilket gör att de kan växa. Tillgången på näringsämnen, främst kväve , är den främsta begränsande faktorn för tillväxt. Dessutom kan växter inte ändra sin position i jorden och därmed använda de tillgängliga mineralerna. Som ett resultat finns det ett starkt evolutionärt tryck på utvecklingen av system för återvinning av komponenter som är nödvändiga för livet.

Det finns många faktorer som kan initiera ett program för åldrande och återvinning av näringsämnen. Hos vissa arter kan det orsaka behov av näringsämnen på annat håll, till exempel för utveckling av fröer [22] . Dödsprogrammet för lövverk eller andra delar av växten kan också orsakas av en gradvis minskning av deras produktivitet över tid på grund av åldrandet av fotosyntesapparaten eller kärlsystemet i dessa delar av kroppen, liknande åldringsprocessen av djur [20] [21] .

En åldringsprocess som liknar den hos fleråriga djur inträffar också i växter i frånvaro av programmerat åldrande. Denna process kännetecknas av förändringar i cellstrukturen, liknande förändringar i strukturen hos djurceller. Det finns en minskning av lukt för växter med luktproduktion.

Encelliga organismer

Encelliga organismer, som flercelliga organismer, åldras. De studeras intensivt på grund av likheten mellan deras åldrande och cellulärt åldrande hos flercelliga organismer. Modellorganismen för att studera cellulärt åldrande är den spirande jästen ( Saccharomyces cerevisiae ), som liksom eukaryoter har biokemiska processer som liknar de åldrande cellerna hos högre djur och växter. Forskning har också utförts bland vissa bakterier , särskilt E. coli och Caulobacter crescentus .

Två olika former av åldringsprocesser har studerats i encelliga organismer [23] . Den första är modercellsspecifikt åldrande under celldelning , där modercellen åldras medan dottercellen återställer cellklockan (föryngras) med varje delning. Åldrandet av modercellen visar sig i en gradvis avmattning av cellcykeln , varefter cellen förlorar förmågan till nya delningar, den så kallade replikativa senescensen . Denna process hittades först i celler med asymmetrisk delning, det vill säga i spirande jäst, och sedan i den asymmetriska bakterien Caulobacter crescentus , där definitionen av modercellen är uppenbar [24] . Senare har observationer av celldelning gjort det möjligt att bestämma modercellen i organismen med symmetrisk delning - bakterier E. coli , där modercellen är cellen med "gamla änden", även om senare mindre morfologiska skillnader mellan moder- och dotterceller hittades också [25] .

Ålder i detta fall bestäms av antalet divisioner genom vilka cellen har passerat, och inte av kalendertid. Den typiska genomsnittliga livslängden för laboratoriejäst av vildtyp ( Saccharomyces cerevisiae ) är cirka 25 generationer. Fördelningsfunktionen för individuella cellers livslängd följer Gompertz-lagen, såväl som livslängden för högre djur [23] . Bakterien Caulobacter crescentus har en genomsnittlig livslängd på 100 till 130 divisioner [24] .

Den andra åldrandeprocessen som också finns i dessa tre modellorganismer är kronologisk cellåldring, mer känd som villkorligt åldrande (på grund av att denna process endast sker under vissa miljöförhållanden). Denna process visar sig i den gradvisa nedbrytningen och förlusten av cellviabilitet under den stationära fasen [23] [26] [27] .

Med hjälp av jäst som ett exempel, fann man att, liksom processen för replikativt åldrande som är specifik för moderceller, är villkorat åldrande både en process av slitage av intracellulära strukturer och ett genetiskt program. Till exempel går cellväggen i den stationära fasen igenom en serie genetiskt programmerade strukturella förändringar för att öka livsdugligheten och livslängden för organismen. Men så småningom åldras cellen och dör [23] .

Arv av livslängd

Nedärvningen av livslängden i populationer av djur som fruktflugor och möss kan bestämmas genom att jämföra livstabeller för naturliga populationer och vissa mutanter och hybrider . Enligt experimentella data bestäms cirka 30 procent av variationen i livslängden hos honor och 20 procent av livslängden hos män genetiskt. Dessa värden liknar arvet av sådana fysiologiska egenskaper som antalet ägg som läggs och produktionen av mjölk av husdjur [4] .

Gompertz-funktionens exponentialkoefficient indikerar åldringshastigheten. Skillnader i livslängd mellan arter är främst ett resultat av skillnader i åldringshastigheten och uttrycks därför i skillnader i denna koefficient.

Jämförelse av dödlighetstabeller för olika stammar av möss av samma art visar att skillnader mellan stammar primärt bestäms av skillnader i den åldersoberoende medlemmen av Gompertz-funktionen. Om linjer endast skiljer sig åt i den åldersoberoende termen, har kortare linjer högre dödlighet, vilket är högre med en konstant mängd under hela livet, vilket manifesteras i den vertikala förskjutningen av Gompertz-funktionen. Det händer ofta att första generationens hybrider (F1) av två naturliga linjer lever längre än någon av föräldrarna. Även om studier av de biokemiska processerna för sådana hybrider inte har utförts, indikerar livstabeller att hybrider skiljer sig från föräldralinjer endast i en åldersoberoende medlem, men inte i en förändring i åldringshastigheten. Andra studier har också visat att mycket av variationen i livslängd mellan stammar av möss beror på skillnader i ärftlig känslighet för vissa sjukdomar.

Nedärvningen av livslängd hos människor är svårare att studera eftersom livslängden påverkas av socioekonomiska och andra yttre faktorer som försvårar samband mellan nära släktingar. Studier indikerar dock en viss, om än liten, ärftlighet av förväntad livslängd och mottaglighet för sjukdomar som cancer och hjärtsjukdomar, främst på grund av det faktum att identiska (genetiskt identiska) tvillingar är mer benägna att ha liknande frekvens av dessa sjukdomar än broderliga (genetiskt sett ) olika) tvillingar.

Kroppsförändringar under åldrandet

Fysiologi av åldrande

De förändringar som sker hos däggdjur studeras bäst, främst på grund av förhållandet mellan dessa organismer och människor, men också på grund av att symtomen på åldrande är mest uttalade hos dessa arter.

Alla däggdjur är multiparösa organismer, där åldrandet går långsamt och täcker nästan alla kroppssystem. Allmänna förändringar inkluderar en minskning av huvudkroppens massa (levande celler och ben ) med en ökning av den totala massan på grund av en ökning av mängden kroppsfett och vatteninnehåll. Basal metabolism , det vill säga den lägsta nivån av metabolisk aktivitet , minskar i alla vävnader, liksom nivån av frivillig aktivitet, men den senare är starkt beroende av typen av djur och motion under föregående period.

Åldrande av celler

På cellnivå visar åldrandet sig i en avmattning i celldelningen . En del av denna effekt är resultatet av den så kallade Hayflick-gränsen för somatisk celldelning. Denna gräns beror på frånvaron av aktivt telomeras , vilket gör att änddelarna av kromosomerna , telomererna , förkortas med varje delning. Hos människor kan en somatisk cell dela sig cirka 52 gånger, varefter telomererna försvinner och cellerna startar ett program för apoptos , cellers "altruistiska självmord". Även om Hayflick-gränsen anses vara den främsta orsaken till minskningen av celldelningshastigheten, blir även stamceller som saknar denna gräns mindre aktiva, saktar ner deras delning och differentierar till somatiska celler mer sällan. Ett allvarligt skäl som hindrar framsteg inom cellåldrande är att forskning inom detta område huvudsakligen bedrivs på en stor population av celler vid ett av ögonblicken av cellpopulationstillväxt. Detta tillvägagångssätt tillåter oss dock inte att spåra hela sekvensen av förändringar, från och med deras förekomst i enskilda celler och slutar med expansionen av dessa förändringar i cellpopulationen. [28] Se även: [29]

Cellsläktforskning

Människor och möss är däggdjursarter som kontrasterar skarpt i förväntad livslängd och förekomsten av cancer, som är flera storleksordningar högre hos gnagare än hos människor. Jämförelse av cellfenotypförändringar hos människor och möss ger nya data om de genetiska processer som leder till åldrande och transformation [28] . Analys av videoinspelningar av datorvideofilmning av levande cellkulturer, framtagna för att studera förändringar i fenotypen av enskilda celler och deras avkomma [30] , gjorde det möjligt att komponera cellulära släkter [31] , som påminner om släkter inom mänsklig genetik. Progenitorceller och deras avkomlingar har studerats i många generationer på många sätt. Upp till 20 parametrar togs i beaktande, såsom cellarea och form, mitoser och celldöd, onormala mitoser, storlek och antal kärnor, clasmatosis, hastighet och art av cellrörelser, etc. [28]

Hud och bindväv

Bildandet av tvärbindningar mellan kollagenmolekyler , det huvudsakliga strukturella intercellulära proteinet i däggdjurskroppen, och förkalkning av glatta muskler och vaskulära väggar , ökar bindvävens stelhet . Samtidigt sker avkalkning av skelettets ben , som ett resultat av vilket benen blir tunnare, mindre tillförlitliga och mindre starka. På grund av uttunningen av ryggradens brosk minskar kroppens längd.

Nervsystemet

I de flesta vävnader förekommer atrofi av celler och till och med hela strukturer, detta är särskilt märkbart i vissa vävnader som långsamt återställs, främst det centrala nervsystemet . Även om till och med antalet perifera nervfibrer i en person minskar med 20 procent vid 90 års ålder, är cellerna i hjärnbarken mest påverkade . Denna förlust av neuroner  är den främsta orsaken till mental nedgång hos äldre, även om det också finns en viss effekt av minskad syretillförsel . Ansamlingen av prionliknande proteinansamlingar ökar också, vilket leder till demens hos människor , såväl som Alzheimers och Parkinsons sjukdomar .

Ansamling av ämnen som inte spelar en positiv roll

Många vävnader kännetecknas också av avlagringar av inerta och potentiellt farliga ämnen. Till exempel är pigmentet lipofuscin , frånvarande i ungdomen, i hög ålder upp till 3% av hjärtmuskelns massa . Avlagringar är också kända i blodkärlen - ateroskleros .

Förändringar i det endokrina systemet är också märkbara , vilket saktar ner svaret på förändringar i den yttre miljön, som ett resultat blir kroppen mer känslig för eventuella negativa faktorer ( stress ).

Immunförsvaret

På grund av immunsystemets åldrande ökar sannolikheten för autoimmuna reaktioner med en allmän minskning av aktiviteten hos det tymusberoende subsystemet. Som ett resultat ökar risken för autoimmuna sjukdomar eftersom sannolikheten för att utveckla tumörer från cancerceller ökar .

Åldrandets genetik

Genetiken för eukaryot åldrande

Under åldrandet går celler igenom en rad genetiska förändringar som på ett eller annat sätt påverkar åldrandeprocessens förlopp. Eukaryota åldringsstudier har utförts med användning av en rad modellorganismer som husmusen ( Mus musculus ), fruktflugan ( Drosophila melanogaster ), nematoden Caenorhabditis elegans , svampen Podospora anserina och jästen Saccharomyces cerevisiae . Studier av dessa organismer har avslöjat närvaron av minst två vägar som aktiveras under åldrandet.

Gener som påverkar åldrandeprocessen
Podospora Saccharomyces Caenorhabditis Drosophila Mus
grisea LAG1 daf-2 sod1 Prop-1
LAC1 ålder-1 / daf-23 kat1 p66shc
RAS1 daf-18 månad mclk1
RAS2 akt-1 / akt-2
PHB1 daf-16
PHB2 daf-12
CDC7 ctl-1
BUD1 gammal-1
RTG2 spe-26
RPD3 clk-1
HDA1 mev-1
SIR2
SIR4-42
UTH4
YGL023
SGS1
RAD52
FOB1

En av dessa vägar involverar SIR2 -genprodukten , NAD ±beroende histondeacetylas . I jäst krävs Sir2-proteinet för genrepression på tre lokus (platser): jästparningsstället, telomergener och ribosomalt rDNA. Hos vissa jästarter leder homolog rekombination mellan rDNA-repetitioner till uteslutning av rDNA-repetitioner och skapandet av extrakromosomalt cirkulärt rRNA (ECR eller ERC, från engelskan.  Exctachtomosomal rRNA circles ). Dessa ECR replikerar och ackumuleras företrädesvis i modercellen under delning och orsakar cellulär åldrande genom kompetitiv bindning till viktiga faktorer. ECR har inte observerats hos andra jästarter (som också uppvisar replikativ senescens) och hos högre organismer såsom människor. Extrakromosomalt cirkulärt DNA (ecDNA, eccDNA) har hittats i maskar, flugor och människor. Rollen av eDNA i åldrande, om någon, är okänd.

Trots frånvaron av en koppling mellan cDNA och åldrande i högre organismer, kan ytterligare kopior av Sir2- genhomologerna förlänga livslängden för både maskar och flugor. Mekanismerna genom vilka Sir2-homologer i högre organismer reglerar livslängden är fortfarande oklara, men det humana SIRT1-proteinet har visat sig deacetylera p53 , Ku70 och gaffelfamiljen av transkriptionsfaktorer . SIRT1 kan också reglera andra acetylerade proteiner som CBP/p300 och kan deacetylera vissa histonaminosyror .

RAS1 och RAS2 påverkar också åldrande i jäst och har humana homologer. Ökat uttryck av RAS2 har visat sig öka jästens livslängd.

Flera andra gener reglerar åldrandet i jäst genom att öka motståndskraften mot oxidativ stress . Superoxiddismutas, ett protein som skyddar cellen mot effekterna av mitokondriella reaktiva syrearter (ROS) , kan bromsa åldrande av jäst om det uttrycks starkt under hela den stationära fasen.

Insulinliknande tillväxtfaktor IGF-1 spelar en viktig roll i regleringen av åldrande hos högre organismer . Mutationer som påverkar den insulinliknande signalvägen hos maskar, flugor och möss är ofta förknippade med ökad livslängd. Denna väg hämmas av kalorirestriktion och påverkar i sin tur livslängden genom en mekanism som är beroende av p53 / p21 / Akt- proteiner [32] .

I jäst regleras Sir2-aktiviteten av nikotinamidas PNC1. Produktionen av PNC1 ökar på transkriptionsnivån under förhållanden av stress , såsom under en lågkaloridiet, värmechock eller osmotisk chock . Genom att omvandla nikotinamid till niacin använder nikotinamidas nikotinamid, som hämmar Sir2-aktiviteten. Nikotinamidas har också hittats hos människor, där det är känt som PBEF och kan ha en liknande funktion, och den utsöndrade formen av PBEF, känd som visfatin , kan hjälpa till att reglera seruminsulinnivåer . Det är dock inte känt om dessa mekanismer även existerar hos människor på grund av signifikanta skillnader i mus- och människans fysiologi.

Sir2-aktiviteten har visat sig öka under förhållanden med kalorirestriktion i möss diet. På grund av bristen på tillgängligt glukos i cellerna skapas mer fri NAD+, vilket leder till aktivering av Sir2. Resveratrol , en polyfenol som finns i vissa frukter , ökar livslängden för jäst, maskar och flugor genom att aktivera Sir2 och efterlikna effekten av en lågkaloridiet.

Enligt vissa data kan fluktuationer i uttrycket av många gener också gynna åldringsprocessen [33] . Individuella, genetiskt identiska celler kan ha signifikant olika svar på yttre stimuli och markant olika livslängder, vilket indikerar att epigenetiska faktorer spelar en viktig roll i genuttryck och åldrande.

Genetiken för bakteriellt åldrande

Mycket mindre är känt om bakteriers åldrande , trots deras enklare struktur och lätta att observera. Bland bakterier är de förändringar som sker under betingat åldrande (kronologiskt åldrande i stationär fas) av E. coli -bakterier mer kända [34] .

De flesta av de genetiskt kontrollerade förändringarna under betingat åldrande i E. coli beror på förändringar i uttrycksnivån av sigmafaktorn σ s , som är ansvarig för uttrycket av gener associerade med reparation av skadade proteiner, liknande C. elegans daf-16- genen och jästens RAS -genom. /P.K.A . _ σ s konkurrerar med en annan sigmafaktor, σ 70 , som är ansvarig för bakterietillväxt, och som aldrig uttrycks i sin "fulla styrka". Således fortsätter bakterien begränsad tillväxt även under stationära fasförhållanden, vilket gör att den snabbt kan återuppta tillväxten om förhållandena ändras, men nackdelen är att σ s inte klarar av betydande oxidativ stress . Sålunda är restaktiviteten av σ 70 i den stationära fasen ett exempel på den så kallade antagonistiska pleiotropin (se nedan ), en typ av genetiskt system som utvecklas på grund av en positiv effekt i vissa skeden av livet, trots en negativ effekt kl. andra, mer sällsynta stadier.

Orsaker till åldrande

Forskningens historia

De första försöken med en vetenskaplig förklaring av åldrandet började i slutet av 1800-talet . I ett av de första verken föreslog Weisman [35] en teori om ursprunget till åldrande som en egenskap som uppstod som ett resultat av evolutionen . Enligt Weisman är "icke-åldrande organismer inte bara inte användbara, de är skadliga eftersom de tar ungarnas plats", vilket enligt Weisman borde ha fått evolutionen att orsaka åldrande.

Ett viktigt steg i studiet av åldrande var en rapport av professor Peter Medawar till Royal Society of London 1951 med titeln "An Unsolved Problem in Biology" [36] . I denna föreläsning betonade han att djur i naturen sällan lever till en ålder då åldrandet blir märkbart, så evolutionen kunde inte påverka utvecklingen av åldrandet. Detta arbete markerade början på en rad nya studier.

Under de följande 25 åren var forskningen övervägande beskrivande. Men sedan slutet av 1970-talet har ett stort antal teorier dykt upp som har försökt förklara åldrande [37] . Till exempel, i en berömd recension av litteraturen om detta ämne, publicerad av Caleb Finch 1990, fanns det cirka 4 tusen referenser [38] . Först i slutet av 1990-talet började situationen klarna upp och de flesta författare började dra allmänna slutsatser.

Alla teorier om åldrande kan villkorligt delas in i två stora grupper: evolutionsteorier och teorier baserade på oavsiktlig cellskada. De förra anser att åldrande inte är en nödvändig egenskap hos levande organismer, utan en programmerad process. Enligt dem har åldrandet utvecklats som ett resultat av evolutionen på grund av några av fördelarna som det ger hela befolkningen . Däremot antyder skadeteorier att åldrande är resultatet av en naturlig process av ackumulering av skada över tid som kroppen försöker kämpa mot, och skillnader i åldrande hos olika organismer är resultatet av olika effektivitet i denna kamp. Det senare tillvägagångssättet anses nu etablerat i åldrandets biologi [39] [40] [41] . Vissa forskare försvarar dock fortfarande det evolutionära tillvägagångssättet [15] , och några andra ignorerar helt uppdelningen i evolutionsteorier och skadeteorier. Det sistnämnda påståendet är delvis resultatet av en förändring i terminologin: i vissa nya skrifter hänvisar termen "evolutionsteorier" inte till teorier om "programmerat åldrande", som antyder den evolutionära förekomsten av åldrande som ett fördelaktigt fenomen, utan till ett tillvägagångssätt som beskriver varför organismer bör åldras i motsats till frågan om biokemiska och fysiologiska grunder för åldrande.

Varför åldrande inträffar

Evolutionär-genetisk synsätt

Hypotesen som låg till grund för det genetiska tillvägagångssättet föreslogs av Peter Medawar 1952 [36] och är nu känd som " mutationsackumulationsteorin " .  Medawar märkte att djur i naturen mycket sällan lever till en ålder då åldrandet blir märkbart. Enligt hans idé utsätts alleler som uppstår under senare perioder av livet och som uppstår till följd av mutationer i könsceller, för ett ganska svagt evolutionärt tryck, även om egenskaper som överlevnad och fortplantning lider av deras verkan. Således kan dessa mutationer ackumuleras i genomet under många generationer. Men varje individ som har lyckats undvika döden under lång tid upplever sina effekter, vilket visar sig som åldrande. Detsamma gäller för djur under skyddade förhållanden.

Senare, 1957, föreslog D. Williams [42] förekomsten av pleiotropa gener som har olika effekter på organismers överlevnad under olika livsperioder, det vill säga de är användbara i unga år, när effekten av naturligt urval är stark, men skadlig senare, när effekten naturligt urval är svag. Denna idé är nu känd som " antagonistisk pleiotropi " ( engelska:  Antagonistic pleiotropy ).

Tillsammans utgör dessa två teorier grunden för moderna idéer om åldrandets genetik [41] . Identifieringen av ansvariga gener har dock bara haft begränsad framgång. Bevis för ackumulering av mutationer är fortfarande kontroversiellt [43] , medan bevis för pleiotropa gener är starkare men inte väl underbyggda. Exempel på pleiotropa gener inkluderar telomerasgenen i eukaryoter och sigmafaktorn σ 70 i bakterier. Även om många gener är kända för att påverka livslängden för olika organismer, har inga andra tydliga exempel på pleiotropa gener ännu hittats [44] .

Evolutionärt-fysiologiskt tillvägagångssätt

Teorin om antagonistisk pleiotropi förutspår att det måste finnas gener med en pleiotrop effekt, vars naturliga urval leder till början av åldrandet. Flera gener med pleiotrop effekt i olika skeden av livet har visserligen hittats - sigma-70 i E. coli , telomeras i eukaryoter, men inget direkt samband med åldrande har visats, dessutom har det inte visats att detta är en typisk fenomen för alla organismer, ansvarig för allt åldrande effekter. Det vill säga, dessa gener kan endast betraktas som kandidater för rollen av gener som förutsägs av teorin. Å andra sidan visas ett antal fysiologiska effekter utan att bestämma vilka gener som är ansvariga för dem. Ofta kan vi prata om kompromisser som liknar de som förutsägs av teorin om antagonistisk pleiotropi, utan att tydligt definiera vilka gener de är beroende av. Den fysiologiska grunden för sådana kompromisser ligger i den så kallade Disposable somateorin [ 45 ] .  Denna teori frågar hur organismen ska hantera sina resurser (i den första versionen av teorin handlade det bara om energi) mellan underhåll, reparation av soma och andra funktioner som är nödvändiga för överlevnad. Behovet av kompromisser uppstår från de begränsade resurserna eller behovet av att välja det bästa sättet att använda dem.

Underhåll av kroppen bör endast göras så mycket som är nödvändigt under den normala tiden för överlevnad i naturen. Till exempel, eftersom 90 % av vilda möss dör under det första levnadsåret (främst av kyla), kommer investeringen av resurser i överlevnad över tid endast att påverka 10 % av befolkningen. Den treåriga livslängden för möss är helt tillräcklig för alla behov i naturen, men ur evolutionens synvinkel bör resurser till exempel läggas på att förbättra bevarandet av värme eller reproduktion istället för att bekämpa ålderdomen. Således passar en muss livslängd bäst de ekologiska förhållandena i dess liv.

Engångskroppsteorin gör flera antaganden om åldrandeprocessens fysiologi. Enligt denna teori är åldrande ett resultat av de ofullkomliga reparations- och underhållsfunktionerna hos somatiska celler som är anpassade för att möta miljöbehov. Skador är i sin tur resultatet av stokastiska processer förknippade med cellers vitala aktivitet. Livslängden styrs av kontrollen av gener som är ansvariga för dessa funktioner, och odödligheten hos generativa celler, till skillnad från somatiska celler, är resultatet av stora resursutgifter och, möjligen, frånvaron av vissa källor till skada.

Hur åldrande uppstår

Molekylära mekanismer

Det finns bevis för flera stora mekanismer för skador på makromolekyler, som vanligtvis fungerar parallellt med varandra eller är beroende av varandra [41] . Det är troligt att någon av dessa mekanismer kan spela en dominerande roll under vissa omständigheter.

I många av dessa processer spelar reaktiva syrearter (särskilt fria radikaler ) en viktig roll , en uppsättning bevis för deras inflytande erhölls för ganska länge sedan och är nu känd som " fria radikalteorin om åldrande ". Idag är dock åldrandets mekanismer mycket mer detaljerade. Till exempel fann man att arten av DNA-metylering i genomet är nära relaterad till kronologisk ålder [46] [47] [48] [49]

Teorin om somatiska mutationer

Många studier har visat en ökning av antalet somatiska mutationer och andra former av DNA- skador med åldern , vilket tyder på att DNA- reparation är en viktig faktor för att upprätthålla cellernas livslängd. DNA-skador är typiska för celler och orsakas av faktorer som hård strålning och reaktiva syrearter, och därför kan DNA-integriteten endast upprätthållas genom reparationsmekanismer. Det finns faktiskt ett samband mellan livslängd och DNA-reparation, vilket visas av enzymet poly - ADP - ribospolymeras - 1 ( PARP -1), en viktig aktör i det cellulära svaret på stressinducerad DNA-skada [50] . Högre nivåer av PARP-1 är förknippade med längre livslängd.

Ackumulering av förändrade proteiner

Proteincykling är också viktigt för cellöverlevnad , för vilket utseendet på skadade och överskott av proteiner är avgörande. Oxiderade proteiner är ett typiskt resultat av påverkan av reaktiva syrearter, som bildas som ett resultat av många metaboliska processer i cellen och ofta stör proteinets korrekta funktion. Men reparationsmekanismer kan inte alltid känna igen skadade proteiner [34] och blir mindre effektiva med åldern [41] på grund av en minskning av proteasomaktivitet [51] . I vissa fall är proteiner en del av statiska strukturer, såsom cellväggen , som inte lätt kan brytas ner. Proteinomsättningen beror också på chaperoneproteiner , som hjälper proteiner att få den nödvändiga konformationen . Med åldern observeras en minskning av reparationsaktiviteten [52] , även om denna minskning kan vara resultatet av en överbelastning av chaperoner (och protoasomer) med skadade proteiner.

Det finns bevis för att ackumulering av skadade proteiner inträffar med åldern och kan vara ansvarig för åldersrelaterade sjukdomar som Alzheimers sjukdom , Parkinsons sjukdom och grå starr .

Mitokondrieteori

Den mitokondriella teorin om åldrande föreslogs först 1978 (mitokondriell teori om utveckling, åldrande och malign tillväxt) [53] [54] . Dess kärna ligger i det faktum att en nedgång i reproduktionen av mitokondrier i högt differentierade celler på grund av en brist på mitokondriella proteiner som kodas i kärnan skapar förutsättningar för uppkomsten och selektivt urval av defekt deletion mtDNA, en ökning av andelen som gradvis minskar energitillförseln av celler. 1980 föreslogs en radikal mitokondriell teori om åldrande [55] . Det finns nu mycket data[ var? ] vilket indikerar att fria radikaler inte är orsaken till naturligt åldrande . Dessa data motbevisar inte den mitokondriella teorin om åldrande ( 1978 ), som inte förlitar sig på fria radikaler, men bevisar falskheten i den radikala versionen av den mitokondriella teorin om åldrande (1980) .

Vikten av kopplingen mellan molekylär stress och åldrande har föreslagits baserat på observationer av effekten av mutationsackumulering i mitokondrie -DNA ( mtDNA ) [56] . Dessa data stöddes av observationen av en ökning med åldern av antalet celler som saknar cytokrom c -oxidas ( COX), vilket är associerat med mtDNA-mutationer. Sådana celler har ofta störningar i ATP -produktion och cellulär energibalans.

Förlust av telomerer

I många mänskliga celler är förlusten av cellers förmåga att dela sig associerad med förlusten av telomerer i ändarna av kromosomerna, som går förlorade efter ett visst antal delningar. Detta beror på frånvaron av enzymet telomeras , som normalt endast uttrycks i köns- och stamceller. Telomeras tillåter dem att kontinuerligt dela sig och bilda vävnader och organ. Hos vuxna uttrycks telomeras i celler som måste dela sig ofta, men de flesta somatiska celler producerar det inte. Telomeras anses vara nyckeln till cellulär odödlighet, "ungdomskällan". Detta enzym tillåter celler att föröka sig snabbt utan att åldras.

Eftersom det för närvarande är okänt i vilken utsträckning förstörelsen av telomerer påverkar åldringsprocessen [57] är den huvudsakliga forskningen inriktad på processerna för att upprätthålla integriteten hos DNA och i synnerhet dess telomera regioner. Michael Fossel föreslog i en intervju att telomerasbehandling inte bara kan användas för att bekämpa cancer , utan även för att bekämpa mänskligt åldrande och därmed öka den förväntade livslängden. Han tror att under det kommande decenniet kommer de första testerna av telomerasmetoder för att öka människans förväntade livslängd att genomföras.

Det har nyligen visat sig att oxidativ stress (överdriven frisättning av reaktiva syreämnen) också kan ha en effekt på telomerförlust, vilket kraftigt påskyndar denna process i vissa vävnader [58] .

Epigenetisk teori om åldrande

Celler förlorar långsamt undertryckta kromatinmarkörer över tiden, vilket kan vara associerat med celldifferentiering i kroppen. Förlusten av repressionsmarkörer bör förr eller senare leda till depression av vilande transposoner, till en ökning av mängden DNA-skada som orsakas av dem, följt av aktivering av cellulära DNA-reparationssystem. De senare orsakar, förutom att delta i DNA-reparation, även otillåtna rekombinationer i telomerer. Det är också möjligt att transposonrekombinaser direkt kan initiera sådana rekombinationer. Som ett resultat omvandlas förlängda sektioner av telomert DNA till ringar och förloras, och telomerer förkortas med längden på det förlorade cirkulära DNA:t. Denna process påskyndar förlusten av telomert DNA tiofaldigt, och den efterföljande apoptosen av de flesta celler förutbestämmer åldrande som ett biologiskt fenomen. Den föreslagna teorin är ett alternativ till hypotesen om genetiskt programmerat åldrande och hypotesen om åldrande som en konsekvens av ackumulering av fel och skador, förklarar mekanismen för accelererad förlust av telomerer vid oxidativ stress och DNA-skada, samt sambandet mellan åldrande och förekomsten av tumörer [59] .

System- och nätverksmekanismer

I de tidiga stadierna av åldrandeforskningen sågs många teorier som konkurrerande för att förklara effekterna av åldrande. Men idag tror man att många mekanismer för cellskador fungerar parallellt, och celler måste också spendera resurser för att bekämpa många mekanismer. För att undersöka samspelet mellan alla mekanismer för skadekontroll har en systemansats för åldrande föreslagits som försöker ta hänsyn till ett stort antal sådana mekanismer samtidigt. Dessutom kan detta tillvägagångssätt tydligt skilja de mekanismer som verkar i olika skeden av en organisms liv. Till exempel leder den gradvisa ackumuleringen av mutationer i mitokondrie-DNA ofta till ackumulering av reaktiva syrearter och en minskning av energiproduktionen, vilket i sin tur leder till en ökning av graden av skada på DNA och cellulära proteiner.

En annan aspekt som gör systemansatsen attraktiv är förståelsen för skillnaden mellan olika typer av celler och vävnader i kroppen. Till exempel är celler som aktivt delar sig mer benägna att drabbas av mutationsackumulering och förlust av telomerer än differentierade celler. Samtidigt är det nödvändigt att klargöra att denna avhandling inte gäller snabbt och upprepade gånger delande transformerade och tumörceller som inte förlorar telomerer och inte ackumulerar mutationer. Differentierade celler är mer benägna att drabbas av proteinskador än celler som snabbt delar sig och "späder ut" skadade proteiner med nysyntetiserade. Även om en cell förlorar sin förmåga att föröka sig på grund av åldringsprocesser, förändras balansen mellan skademekanismerna i den.

Befolkningsmetod

Ett annat tillvägagångssätt för studiet av åldrande är studiet av befolkningsdynamiken i åldrandet . Alla matematiska modeller av åldrande kan grovt delas in i två huvudtyper: datamodeller och systemmodeller [60] . Datamodeller är modeller som inte använder eller försöker förklara några hypoteser om de fysiska processerna i systemen för vilka dessa data erhålls. Datamodeller inkluderar i synnerhet alla modeller av matematisk statistik. I motsats till dem byggs systemmodeller huvudsakligen på grundval av fysiska lagar och hypoteser om systemets struktur, det viktigaste i dem är verifieringen av den föreslagna mekanismen.

Den första lagen om åldrande är Gompertz-lagen, som erbjuder en enkel kvantitativ modell för åldrande. Denna lag gör det möjligt att separera två typer av parametrar för åldringsprocessen. Studier av lagen om åldrandes avvikelse från Gompertz-kurvan kan ge ytterligare information om de specifika mekanismerna för åldrande i en given organism. Den mest kända effekten av denna avvikelse är platågandet av dödligheten vid en senare ålder istället för den exponentiella tillväxt som observerats i många organismer [9] . För att förklara denna effekt har flera modeller föreslagits, bland vilka är variationer av Strehler-Mildwan-modellen [61] och tillförlitlighetsteori [62] [63] .

Systemmodeller tar hänsyn till många individuella faktorer, händelser och fenomen som direkt påverkar organismers överlevnad och födseln av avkommor. Dessa modeller betraktar åldrande som en balans och omfördelning av resurser både i fysiologiska (under en organisms liv) och i evolutionära aspekter. Som regel, särskilt i det senare fallet, talar vi om fördelningen av resurser mellan de direkta kostnaderna för födseln av avkommor och kostnaderna för föräldrarnas överlevnad [60] .

Cellulärt svar på åldrande

En viktig fråga om åldrande på cell- och vävnadsnivå är det cellulära svaret på skador. På grund av skadans stokastiska natur åldras enskilda celler, till exempel på grund av att de når Hayflick-gränsen , snabbare än andra celler. Sådana celler har potential att hota hela vävnadens hälsa. Detta hot är störst bland snabbt delande stamceller, såsom benmärg eller tarmepitelceller , grund av den stora potentialen hos sådana vävnader att skapa muterade, möjligen cancerceller. Det är känt att det är cellerna i dessa vävnader som snabbt svarar på skador genom att initiera apoptosprogrammet. Till exempel, även låga doser av strålning (0,1 Gy ) inducerar apoptos i tarmepitelceller, och även mild kemisk stress inducerar apoptos i stamceller hos gamla möss.

Som regel, i sådana vävnader, är massiv apoptos ett tecken på en ökning av antalet cellskador. Å andra sidan, i andra vävnader, kan svaret på en ökning av skadenivån vara att celler stoppas i ett visst skede av cellcykeln för att stoppa delningen [41] . Balansen mellan apoptos och arrestering av skadade celler är viktigast som en kompromiss mellan åldrande och cancer [64] . Det vill säga, antingen måste kroppen döda de skadade cellerna, eller låta dem existera, vilket ökar risken för cancer. Således kan p53 och telomerförkortning, viktiga faktorer för att inducera cellapoptos, ses som ett exempel på antagonistisk pleiotropi, som diskuterats ovan.

För att sammanfatta, enligt moderna koncept, åldras cellen som ett resultat av ansamling av skador. Hastigheten för denna ackumulering bestäms först och främst av genetiskt bestämda kostnader för reparation och underhåll av cellulära strukturer, som i sin tur bestäms av kroppen för att tillgodose dess miljöbehov. Långlivade organismer har höga kostnader (ibland längre metabolismer), vilket resulterar i långsammare skadeackumulering. För att bekämpa risken med skadade celler har kroppen skapat ett system av mekanismer för att hantera dem, vilket ofta innebär en andra uppsättning kompromisser.

Politisk kamp mot åldrande

I juli 2012 först i Ryssland , och sedan i USA, Israel och Nederländerna tillkännagavs [65] början av skapandet av politiska partier för livsförlängning. Dessa partier syftar till att ge politiskt stöd till den vetenskapliga och tekniska revolution som för närvarande pågår [66] inom området livsförlängning och att säkerställa den snabbaste och samtidigt smärtfria övergången av samhället till nästa steg i dess utveckling - med en radikal ökning av mänsklig livslängd, föryngring och åldrande stoppas för att så att majoriteten av människor som lever för närvarande har tid att dra fördel av vetenskapens landvinningar och öka sina liv. Världens ledande forskare inom åldrandeområdet anser att åldrande officiellt bör inkluderas i listan över sjukdomar och sjukdomssyndrom från Världshälsoorganisationen, om vilken ett samlat brev skickades till WHO efter resultaten av den tredje internationella konferensen "Genetics of Aging and Longevity", som hölls i Sochi i april 2014 .

Se även

Anteckningar

  1. Komarovsky, P. Polina Loseva - Hur man bekämpar åldrande  : Moturs: [ arch. 23 september 2021 ] // Rationella svar. - 2021. - 22 september.
  2. Adiv A. Johnson, Maxim N. Shokhirev, Boris Shoshitaishvili. Förnya de evolutionära teorierna om åldrande  //  Aging Research Reviews. — 2019-11. — November ( bd. 55 ). — S. 100947 . — ISSN 1872-9649 . - doi : 10.1016/j.arr.2019.100947 . Arkiverad från originalet den 21 december 2021.
  3. Bromsning av dödligheten i sena livet, utjämning av dödligheten, dödlighetsplatåer . Hämtad 29 oktober 2007. Arkiverad från originalet 12 mars 2012.
  4. 1 2 3 4 5 Åldrande  _ _ Encyclopedia Britannica . Hämtad 29 oktober 2007. Arkiverad från originalet 29 september 2007.
  5. Gompertz- kurva  . wolfram mathworld . Hämtad 29 oktober 2007. Arkiverad från originalet 13 september 2007.
  6. Northern Cod - En fråga om  överlevnad . Hämtad 29 oktober 2007. Arkiverad från originalet 9 maj 2012.
  7. Bromsning av dödligheten i sena livet, utjämning av dödligheten,  dödlighetsplatåer . Att reda ut hemligheterna bakom mänsklig livslängd . Hämtad 29 oktober 2007. Arkiverad från originalet 12 mars 2012.
  8. Angelos Economos. Ett icke-Gompertzian paradigm för dödlighetskinetik för metazoaniska djur och misslyckandekinetik för tillverkade produkter   // Ålder . - 1979. - Vol. 2 . - S. 74-76 . Arkiverad från originalet den 30 september 2007.
  9. 1 2 Rose MR, Rauser CL, Mueller LD, Benford G. En revolution för åldrandeforskning  // Biogerontology. - 2006. - T. 7 , nr 4 . - S. 269-277 . — PMID 16612665 .
  10. 400 år gammal mussla hittad. — Nyheter och evenemang vid Bangor University . Tillträdesdatum: 30 januari 2008. Arkiverad från originalet den 13 december 2007.
  11. Dödlighetsmönster tyder på lycka till åldrande i Hydra  //  Experimentell Gerontologi. - 1998. - Vol. 33 . - S. 217-225 . Arkiverad från originalet den 9 juli 2007.
  12. ↑ Vissa djur åldras, andra kanske inte  . senescence.org . Tillträdesdatum: 29 oktober 2007. Arkiverad från originalet den 16 juli 2007.
  13. Finch, C.E. Longevity, Senescence, and the Genome / University of Chicago Press, Chicago och London.. - 1990.
  14. John R. Speakman. Kroppsstorlek, energimetabolism och livslängd  (engelska)  // The Journal of Experimental Biology  : journal. — Biologbolaget, 2005. - Vol. 208 . - P. 1717-1730 . Arkiverad från originalet den 7 augusti 2007.
  15. 1 2 3 4 Åldrandets  utveckling . Hämtad 29 oktober 2007. Arkiverad från originalet 27 september 2007.
  16. 1 2 Maximal livslängd för vissa växter och  djur . Microsoft encarta . Arkiverad från originalet den 9 oktober 2007.
  17. 1 2 3 Maximal ålder för vissa fröväxter  . Encyclopedia Britannica . Arkiverad från originalet den 15 februari 2008.
  18. 1 2 Livslängd för några medicinalväxter . Arkiverad från originalet den 16 juli 2007.
  19. Thomas Howard et al. Defining senescense and death  (engelska)  // Journal of experimental botany. - 2003. - Vol. 54 , nr. 385 . - P. 1127-1132 .
  20. 1 2 Leonard Guarente, Gary Ruvkun och Richard Amasino. Åldrande, livslängd och åldrande   // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America . - 1998. - Vol. 95 , nr. 19 . - P. 11034-11036 .
  21. 1 2 Bleecker, A. & Patterson, S. Åldring , Abscission och Meristem Arrest in Arabidopsis  // Plant Cell  . - 1997. - Vol. 9 . - P. 1169-1179 .
  22. Nood, E., LD & Guiamet, JJ {{{title}}} // Handbook of the Biology of Aging / Schneider, EL & Rowe, JW. - 1996. - S. 94-118 .
  23. 1 2 3 4 Peter Laun et al. Yeast as a model for chronolohical and reproductive aging – A comparison  (engelska)  // experimental gerontology : journal. - 2006. - Vol. 41 . - P. 1208-1212 .
  24. 1 2 Martin Ackerman et al. Åldrande i en bakterie med asymmetrisk uppdelning  (engelska)  // Vetenskap. - 2003. - Vol. 300 .
  25. Eric J. Stewart et al. Åldrande och död i en organism som förökar sig av morfologiskt symmetrisk division  (engelska)  // PLoS Biology  : journal. - 2005. - Vol. 3 , nr. 2 . —P.e45 . _
  26. Dukan S., Nyström T. Bakteriell åldrande: stasis resulterar i ökad och differentiell oxidation av cytoplasmatiska proteiner som leder till utvecklingsinduktion av värmechockregulonet  // Genes and Development  : journal  . - 1998. - Vol. 12 . - P. 3431-3441 . Arkiverad från originalet den 27 september 2007.
  27. Thomas Nystroem. Bakteriell senescens, programmerad död och överlagd sterilitet  (engelska)  // ASM News : journal. - 2005. - Vol. 71 , nr. 8 . — S. 363 . Arkiverad från originalet den 29 februari 2008.
  28. 1 2 3 Institutet för genetik och cytologi vid National Academy of Sciences i Vitryssland, O. V. Kvitko, "STUDY OF CELLULAR AGEING" (otillgänglig länk) . Tillträdesdatum: 20 maj 2009. Arkiverad från originalet 23 april 2008. 
  29. Jung Y, Brack AS (2014). Cellulära Mechanisms of Somatic Stem Cell Aging Arkiverad 25 maj 2021 på Wayback Machine . Curr Top Dev Biol. 2014; 107:405-438. doi : 10.1016/B978-0-12-416022-4.00014-7
  30. Exempel på video från mänsklig embryonal fibroblastkultur (länk ej tillgänglig) . Hämtad 20 maj 2009. Arkiverad från originalet 24 februari 2008. 
  31. Stamtavla för fibroblastodlingsceller (otillgänglig länk) . Tillträdesdatum: 20 maj 2009. Arkiverad från originalet 21 februari 2008. 
  32. Tohru Minamino, Issei Komuro. Critical Rolls of Insulin-Induced Senescence in Diabetic Vasculopathy  (engelska)  // Vascular Disease Prevention : journal. - 2007. - Vol. 4 , nr. 3 . - S. 194-200 . Arkiverad från originalet den 12 juni 2018.
  33. Ryley J., Pereira-Smith OM Microfluidics-anordning för analys av enkelcellsgenexpression i Saccharomyces cerevisiae   // Yeast . - 2006. - Vol. 23 , nr. 14-15 . - P. 1065-1073 . Arkiverad från originalet den 23 oktober 2007.
  34. 12 Thomas Nyström . Villkorliga senescenseinbakterier: de odödligas död  (engelska)  // Molecular Microbiology : journal. - 2003. - Vol. 48 . - S. 17-23 .
  35. Weissmann A. Essays on Hereedity and Kindred Biological Problems  (engelska) / Oxford Clarendon Press. - 1889. - Vol. ett.
  36. 1 2 Medawar PB Ett olöst problem i biologi / Lewis. — London, 1952.
  37. Elina Drevina. Varför vi blir gamla (länk ej tillgänglig) . Digest Intelligent Information Technologies (3 december 2009). Hämtad 23 december 2009. Arkiverad från originalet 27 december 2009. 
  38. Finch C. Åldrande, livslängd och genomet / University of Chicago Press . — 1990.
  39. Robin Holliday. Åldrande är inte längre ett olöst problem i biologi  (engelska)  // Annals of New York Academy of Sciences. - 2006. - Vol. 1067 . - S. 1-9 .
  40. Leonard Hayflick. Biologiskt åldrande är inte längre ett olöst problem  //  Annals of New York Academy of Sciences. - 2007. - Vol. 1100 . - S. 1-13 .
  41. 1 2 3 4 5 Thomas BL Kirkwood. Förstå den udda vetenskapen om  åldrande  // Cell . - Cell Press , 2005. - Vol. 120 . - s. 437-447 .
  42. Williams GC Pleiotropi, naturligt urval och evolutionen av åldrande  // Evolution  :  journal. - Wiley-VCH , 1957. - Vol. 11 . - s. 398-411 .
  43. Shaw FH, Promislow DEL, Tatar M., Huges KA, Geyes CJ Toward reconsiling inferences angående geetiska variationer i Drosophila melamogaster  //  Genetik. - 1999. - Vol. 152 . - s. 553-566 .
  44. Leroi AM, Barke A., De Benedictics G., Francecshi C., Gartner A., ​​Feder ME, Kivisild T., Lee S., Kartal-Ozer N., et al. Vilka bevis finns det för att det finns individuella gener med antagonistiska pleiotropa effekter? (engelska)  // Mech. Aging Dev.. - 2005. - Vol. 126 . - s. 421-429 .
  45. Kirkwood TBL Evolution av åldrande   // Nature . - 1977. - Vol. 270 . - S. 301-304 .
  46. Carola Ingrid Weidner, Qiong Lin, Carmen Maike Koch et al. och Wolfgang Wagner (februari 2014). Åldrande av blod kan spåras av DNA-metyleringsförändringar på bara tre CpG-ställen Arkiverad 9 februari 2014 på Wayback Machine . Genome Biology, 15:R24 doi:10.1186/gb-2014-15-2-r24
  47. Steve Horvath (2013) DNA-metyleringsålder för mänskliga vävnader och celltyper. Genome Biology, 14(10):R115 doi:10.1186/gb-2013-14-10-r115
  48. Bocklandt S, Lin W, Sehl ME, Sánchez FJ, Sinsheimer JS, et al. (2011) Epigenetic Predictor of Age. PLoS ONE 6(6): e14821. doi:10.1371/journal.pone.0014821
  49. West, J., Widschwendter, M., & Teschendorff, A.E. (2013). Distinkt topologi av åldersassocierad epigenetisk drift i den mänskliga interaktomen. PNAS, 110(35), 14138-14143. doi:10.1073/pnas.1307242110
  50. Burke A. Physiology and patophysiology of poly(ADP-rebosyl)  ation  // Bioessays. - 2001. - Vol. 23 . - s. 795-806 .
  51. Carrard G., Bulteau AL, Petropoulos I., Friguet B. Nedsättning av proteasomstruktur och funktion vid åldrande  //  International journal of Biochemistry and Cell Biology. - 2002. - Vol. 34 . - P. 1461-1474 .
  52. Soti C. och Csermey P. Åldrande och molekylära chaperoner  //  Experimentell Gerontologi. - 2003. - Vol. 38 . - P. 1037-1040 .
  53. Lobachev AN Roll av mitokondriella processer i utvecklingen och åldrandet av organismen. Åldrande och cancer , Kemiska sammandrag. 1979v. 91 N 25 91:208561v. Deponerad Dok. VINITI 2172-78, 1978, sid. 48 , < http://aiexandr2010.narod.ru/rol.pdf > Arkiverad 6 juni 2013 på Wayback Machine 
  54. Lobachev A.N. Mitokondriell biogenes under celldifferentiering och åldrande , VINITI 09/19/85, nr 6756-B85 Dep., 1985, sid. 28 , < http://aiexandr2010.narod.ru/Biogenesis.pdf > Arkiverad 3 juli 2013 på Wayback Machine 
  55. Miquel J, Economos AC, Fleming J, et al. Mitokondriell roll vid åldrande av celler , Exp Gerontol, 15, 1980, sid. 575–591 
  56. Wallace DC mitokondriella sjukdomar hos människa och mus   // Vetenskap . - 1999. - Vol. 283 . - P. 1482-1488 .
  57. Aubrey De Gray . Telomerförkortning i barndom kontra vuxen ålder: en kvalitativ skillnad (länk otillgänglig) . Institutionen för genetik, University of Cambridge, Storbritannien. Hämtad 24 augusti 2018. Arkiverad från originalet 23 december 2010. 
  58. Von Zglinicki T. Oxidativ stress förkortar telomerer  //  Trender inom biokemiska vetenskaper. - 2002. - Vol. 27 . - s. 339-344 .
  59. Galitsky V.A. Åldrandets epigenetiska natur  // Tsitol. - 2009. - T. 51 . - S. 388-397 . Arkiverad från originalet den 15 juni 2013.
  60. 1 2 Novoseltsev V.N., Novoseltseva Zh.A., Yashin A.I. Matematisk modellering i gerontologi - strategiska perspektiv  // Uspekhi gerontologii. - 2003. - T. 12 . - S. 149-165 .
  61. Mueller LD, Rose MR Evolutionsteorin förutspår dödlighetsplatåer i sena livet  //  Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA: journal. - 1996. - Vol. 93 . - P. 15249-15253 .
  62. Gavrilov & Gavrilova, 2001 .
  63. Handbook of the Biology of Aging: [ eng. ]  / Red.: EJ Masoro & SN Austad. — 6:e uppl. - San Diego, CA, USA: Academic Press, 2006. - S. 3-42. — ISBN 0-12-088387-2 .
  64. Tyner SD, Venkatachalam S., Choi J., Jones S., Ghebranious N., Igelmann H., Lu X., Soron G., Gooper B., Brayton C., et al. p53-muterade möss som visar tidigt åldrande-associerade fenotyper  (engelska)  // Nature: journal. - 2002. - Vol. 415 . - S. 45-53 .
  65. Ett enfrågeställningspolitiskt parti för livslängdsvetenskap . Hämtad 2 augusti 2012. Arkiverad från originalet 23 mars 2016.
  66. Forskares öppna brev om åldrande . Hämtad 2 augusti 2012. Arkiverad från originalet 29 april 2015.

Litteratur

Uppslagsverk

Allmänna vetenskapliga recensioner

Separata teorier

Organisationer, resurslistor

Databaser

  • AnAge (engelsk, Animal Aging and Lifespan Database), licensierad under Creative Commons

Dynamiska bilder