Большие биологические часы (введение в интегральную медицину)
Автор - В.М. Дильман, доктор медицинских наук, профессор. Научные и врачебные исследования посвящены проблемам эндокринологии, онкологии, теоретической гинекологии, геронтологии. Основные монографии: Клиническое применение основных гормонов и их аналогов. Вильнюс, 1961; Старение, климакс и рак. Медицина, 1968; Эндокринологическаяонкология. Медицина, 1974; Закон отклонения гомеостаза и болезни старения. P.S.G. Published Company, 1981, США.
Природа - сфинкс. И тем она верней cвоим искусом губит человека, Что, может статься, никакой от века Загадки нет и не было у ней.
Ф. Тютчев Предисловие.
Сейчас еще нельзя утверждать, что науке известны истинные причины старения человека. Между тем ответ на этот вопрос ищут с незапамятных времен: ведь в сущности каждый рано или поздно задумывается над этой проблемой.
На протяжении многих десятков лет геронтологи - специалисты, занимающиеся проблемой старения, выдвигали ряд концепций и теорий для объяснения механизмов старения. Но эти теории остаются доступными лишь определенному кругу специалистов, тогда как результаты подобных научных разработок представляют интерес для каждого. Это обстоятельство прежде всего и послужило основанием для написания данной книги.
Научные материалы, положенные в ее основу, разрабатывались автором более тридцати лет. Однако их главный результат может быть сформулирован весьма кратко: у высших организмов, включая человека, старение непосредственно связано с механизмом развития, а именно те же самые факторы, которые обеспечивают развитие организма, продолжают действовать и после его завершения, являясь одновременно и причиной, приводящей к старению. Так как механизмы развития реализуются по жесткой генетической программе, то соответственно и признаки нормального старения исключительно единообразны у всех особей каждого вида, включая человека.
В естественных условиях из многих сотен известных болезней лишь 8-10 служат причиной смерти каждых 85 человек из 100 в пожилом возрасте. Но то, что эти болезни возникают обязательно, как бы по определенному плану, начертанному механизмом развития, является источником оптимизма. Действительно, если бы старение и болезни, сцепленные с ним, возникали вследствие действия множества разнообразных и случайных
причин, то это крайне затруднило бы поиски противодействия их развитию.
Однако для того чтобы оптимизм вышел за пределы теории, необходимо познание тех механизмов, которые, с одной стороны, определяют развитие организма, а с другой - приводят к трансформации программы развития в программу старения. Поэтому второй задачей книги явилось популярное изложение существующих представлений о сущности данных механизмов. Эти же механизмы определяют и видовой лимит длительности жизни - вот почему книга названа "Большие биологические часы".
В то же время глубокому проникновению во все эти сложные проблемы мешает строгая специализация знаний, которая порождена бурным развитием современной науки. Конечно, без специализации невозможно понять сущность отдельных явлений; но одновременно специализация разъединяет и их единую ткань, представляя их изолированными и обособленными, тогда как диалектика всегда учит искать взаимосвязь и взаимодействие между процессами в природе. В книге сделана попытка преодолеть разделение, вызванное узкой специализацией,- отсюда ее подзаголовок "Введение в интегральную медицину".
Сразу оговорюсь, что речь в этом случае идет не о собственно медицине, а о биологических явлениях, часть которых вследствие современной специализации изучается медициной. Поэтому, вполне осознавая существование многих различий в развитии и болезнях таких далеких видов, как, например, горбуша, крыса и человек, в книге рассматривается то, что преимущественно объединяет их на единой эволюционной лестнице живой природы.
Все перечисленные причины и побудили меня взяться за не совсем обычную для себя работу - написать книгу научно-популярную, рассчитанную, как это было бы для меня привычней, не на коллег, а на гораздо более широкий круг читателей.
Эта книга адресуется всем тем, кто заинтересован в понимании общебиологических законов развития живых организмов. Прежде всего -биологам и медикам различных специальностей, которые стремятся все глубже попять, каким образом взаимосвязаны развитие, старение и болезни старения, а также физиологам, которые изучают конкретные механизмы деятельности нормального организма. Кроме того, возможно, мою работу прочтут специалисты в области точных наук, и в особенности математики, которые ищут объекты для математического моделирования биологических процессов; кибернетики, которых интересуют аналогии и общность законов управления в живой и неживой природе; физики и химики, которые в течение многих лет стремились разгадать, каким образом живые организмы противодействуют закону возрастания энтропии.
Но более всего эта книга направлена в адрес просто думающего читателя, как бы ни был он далек по роду своей деятельности от рассматриваемых здесь проблем. Ибо история науки показывает, что так называемые дилетанты, то есть те, кто ищет ответ на вопросы, лежащие за пределами их специальности, часто благодаря непредвзятости подхода вносят очень весомый вклад в развитие науки. Наконец, я хотел бы адресовать эту книгу школьникам, от которых после публикации своих очерков в журнале "Наука и жизнь" в 1972-1973 и 1979-1980 гг. получал много писем с раздумьями о загадках жизни. Быть может, книга поможет моим юным читателям в выборе их трудового пути.
Ничто так не способствовало изучению природы, как специализация наук, и ничто так не препятствует пониманию природы, кап разделение целостного представления о ней, основанное па принципах специализации.
Глава 1. Из истории геронтологии
Как заметил ведущий английский геронтолог А. Комфорт, две мечты человечества на протяжении веков влекли к себе поколения исследователей. Одна из них - это мечта о философском камне, превращающем металлы в золото. Вторая, еще более древняя мечта - об эликсире молодости. Сейчас фантазии алхимиков стали реальностью, хотя, конечно, не золото предмет исканий в ядерных превращениях элементов. Мечта же о вечной молодости остается все еще не осуществленной. Но означает ли это, что разгадка законов живой природы не даст в руки человека каких-то новых, принципиальных способов расширения видовых пределов жизни? Ведь мысль о превращении металлов в золото столетиями казалась серьезным ученым абсурдной, как идея о вечной молодости кажется многим абсурдной сегодня.
Между тем поиски "эликсира молодости" продолжаются. Однако проблема расширения видовых пределов жизни, по существу, стала принадлежностью футурологии, или прогностики; к сожалению, к этой области особенно большую склонность питают ученые, не работающие непосредственно в прогнозируемой ими сфере.
Применительно к данной проблеме в футурологии был создан новый термин, или, как некоторые предполагают, новая наука - ювенология, ищущая способы беспредельно продлить молодость. Однако, как и прежде, при поисках чудодейственного эликсира в современных ювенологических исканиях называется цель - вечная молодость, но не указываются пути и средства к ее достижению. Поэтому ювенология при сопоставлении ее с точными науками обнаруживает черты фантастичности, когда ставит перед собой задачу увеличения продолжительности жизни человека до 200 лет и более. Ведь еще не решены главные вопросы медицины - не устранены болезни старения, являющиеся основной преградой на пути к достижению даже видового лимита жизни человека, которым условно большинство исследователей считают 120 лет. Конечно, все отмеченное не исключает того, что когда-нибудь ювенология еще скажет свое слово, ибо, как считает выдающийся физиолог, Ганс Селье, наука развивается "от грез... к исследованию".
Итак, проблема продления жизни - проблема древняя. По мере того как возникали, совершенствовались и изменялись человеческие знания о живой природе, модифицировались и представления о сущности старения. Особенно большое влияние на формирование взглядов в области этих сугубо биологических и человеческих проблем оказывало развитие естественных наук.
Когда великие завоевания в физике, в частности в механике, открыли перед изумленным человеком удивительный порядок в природе, где, казалось, все предопределено, или детерминировано, живая природа, включая человека, стала представляться подобием обычных, хотя и сложных машин. В связи с этим и старение начали рассматривать как естественный результат выхода из строя вследствие износа или усталости "деталей" в сложной машине человеческого тела, подобно тому, как изнашиваются и устают даже совершенные металлы современных конструкций.
Позже были добыты знания об энергетике природы, дополнившие картину мира. Стало ясно, почему "ничто не вечно под луною": законы термодинамики с неумолимой последовательностью возрастания энтропии несут в себе запреты, ограничивающие во времени существование любой системы.
Между тем именно живые системы организмов благодаря обмену веществ и поступлению энергии из внешней среды, то есть как открытые системы, обладают способностью временно противодействовать запрету, налагаемому термодинамическими законами природы. Но если противодействие этим законам может осуществляться хотя бы в пределах видовой продолжительности жизни каждого индивидуума, то почему же все-таки его существование конечно? Очевидно, должны существовать какие-то специальные причины, постепенно нарушающие те свойства, которые отличают природу живых организмов от всех других явлений природы.
Когда были открыты законы генетики, а затем стали ясны структурные основы генов, построенных у высших организмов из сложных молекул дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК), многие ученые стали считать, что случайные или чем-либо вызванные ошибки в строении ДНК, так называемые мутации, накапливаясь, а затем постепенно воспроизводясь в процессе клеточного деления или работы клеток, ведут к "катастрофе накопления ошибок". В этой ситуации работа организма дезорганизуется, что и соответствует физиологическому старению. Организм или выходит из строя вследствие накопления ошибок в своей работе, или становится уязвимым для воздействия многочисленных внешних факторов - от микробов и вирусов до эмоционального стресса, и тогда его гибель определяется суммой случайных причин, всегда существующих при взаимодействии организма со сферой его обитания.
Мутации и накопление ошибок действительно могут иметь значение при формировании многих явлений старения. Они также играют большую роль в эволюции живой природы. Поэтому теории старения, основанные на учете этих процессов, служат и в настоящее время предметом серьезных исследований. В частности, ученых занимает вопрос, почему организмы, обладающие способностью ремонтировать ДНК при нарушении ее структуры, с течением времени делают это хуже, чем в период своего расцвета.
Теории старения "мутационного рода" в какой-то степени отвечают современным воззрениям на физическую природу мира, в котором многое подчиняется статистически-вероятностным закономерностям, тогда как строгий порядок детерминированных явлений, характерный для классической механики, представляется слишком грубой моделью того, что есть в живой природе.
Уже в следующей главе этой книги читатель сможет ознакомиться с рядом доводов, подтверждающих, что именно закономерные, а не статистические явления управляют сложным оркестром организма не только в период развития и роста, но и на всем пути его существования, то есть в старости так же, как я в детстве, когда порядок детерминированных процессов развития очевиднее для всех. Поэтому мутации и подобные им явления не могут играть фундаментальной роли в механизме старения.
Естествен вопрос: почему же деятельность организма с возрастом действительно нарушается, причем в этих нарушениях виден порядок, который может существовать только при полной детерминированности явлений? Так, например, у всех видов млекопитающих по мере старения увеличивается количество жира в теле, у всех прекращается детородная функция и т. д. На этот вопрос наука не дает пока однозначного ответа.
Мы кратко проследили, как общие представления о физической природе мира изменяли подходы к пониманию процесса старения. Далеко не от всего ранее приобретенного отказывались при новом витке в накоплении знаний. Однако неверно также утверждать, как это делает ряд исследователей, что существует не менее 100 различных теорий старения, или, точнее, 100 различных представлений об этом явлении. Большинство теорий, которые можно было бы найти в длинном историческом списке, постепенно утратило свое значение. Сейчас, по существу, всерьез речь может идти лишь о нескольких принципиальных подходах к проблеме старения, в частности о вероятностном и детерминированном подходах, которых мы только что коснулись.
Гипотеза, предлагаемая в данной книге, за эти рамки выходит, хотя она, разумеется, опирается на многое из созданного ранее. В основе этой гипотезы - современные тенденции понимания природы как единой системы.
Такое стремление существует в науке почти изначально. Особенно отчетливо оно выражено в представлениях великих мыслителей Древней Греции, которые уже начали различать в хаосе незнания законы диалектики и единства мира.
В современную эпоху одной из ветвей такого подхода стала кибернетика -наука, занимающаяся общими принципами работы и управления в различных системах, и, естественно, в живых системах. В частности, здесь нелишне отметить, что конкретные данные о нейроэндокринной системе, то есть именно о системе управления в сложных организмах, нередко служили основой для более сложных общих выводов теоретической кибернетики, которая затем приобрела признаки интегральной науки, рассматривающей преждевсего принципы управления и взаимодействия.
С этой точки зрения излагаемую в книге концепцию правильно было бы отнести к классу кибернетических, или системных, представлений о механизме старения. Этим определяются многие особенности данных очерков. Так, например, автор часто сопоставляет процессы, происходящие в организме того или иного животного, с тем, что происходит в более сложном организме человека. Каждому ясно, что между видами существуют определенные, иногда крайне важные различия. Но при системном подходе к явлению старения большее значение приобретает то, что помогает найти общность в различном и единство во всем.
Однако общие принципы кибернетики не могут путем простой экстраполяции на проблему старения объяснить его механизмы. Кибернетика помогает понять, как работает система, но она не может сама по себе, вне конкретных данных и без помощи конкретных идей объяснить, почему в процессе нормального старения системы регуляции перестают выполнять свою основную роль. И более того, почему действие самих кибернетических систем управления формирует то, что мы называем нормальным старением.
В этой последней фразе заключен особый смысл, который будет открываться читателю по мере ознакомления с представленными в книге материалами. Если же сказать в двух словах, то нормальное старение не существует само по себе, как функция астрономического времени, а является следствием работы организма, который, действуя на кибернетических принципах, осуществляет программу развития организма, а затем трансформирует эту программу в механизм старения.
Однако это еще не все. Принято считать, что нормальное физиологическое старение - это одно, а определенные болезни, сцепленные со старением, -совсем другое. С моей точки зрения, которую я в этой книге достаточно подробно аргументирую, нет принципиальных различий не только между механизмами развития и старения организма, но и механизмами развития болезней, сцепленных со старением. Поэтому хотя данная книга отнюдь не посвящена специально медицинским проблемам, в ней часто рассматриваются медицинские примеры с биологических, или общих, позиций.
Действительно, если определенные болезни сцеплены с нормальным механизмом развития и старения, то между самими этими болезнями могут существовать общие черты или даже общие признаки, указывающие на их взаимосвязь. Разумеется, такая позиция требует осознания степени видимой сейчас интеграции медицины, а если смотреть еще более широко, требует стремления обнаружить единство, скрытое диалектически в самой природе развития, старения и болезней старения.
Но если нет четкой границы между развитием организма и болезнями, сцепленными со старением, то есть нет различия между нормой и патологией, то все же такое разграничение условно должно быть проведено. Это необходимо прежде всего потому, что целью науки является не только само по себе познание, но и стремление к совершенствованию и сохранению природы. В данном случае это освобождение человека от бремени болезней старения. А для этого, в частности, необходима линия отсчета, отграничивающая условно то, что мы принимаем за норму, оттого, что практически обосновано считать болезнью. Отклонение от этой линии отсчета являлось бы сигналом к принятию определенных мер воздействия. Именно о такой линии отсчета, основанной на представлении об идеальной норме, также идет речь в настоящей книге.
В этом отношении я стремлюсь доказать, что после окончания развития и роста организма пределы нормы едины для всех возрастов и индивидуальны для каждого (конечно, если в этот период человек здоров). Это и есть тот идеал, к которому следует стремиться, если не только пытаться противодействовать старению и болезням старения, но и искать пути для расширения видовых пределов жизни человека. Ведь никто не умирает от старости - человек и в старости умирает от болезней, причем в подавляющем большинстве случаев от болезней, строго определенных. Вот почему концепция, рассматриваемая в данной книге, распространяется и на явление естественной смерти высших организмов, включая человека. Причем эта концепция обосновывает положение, что естественная смерть - смерть регуляторная, и поэтому она определяется причинами, на которые возможно воздействовать.
Такая трактовка позволяет рассмотреть в едином контексте как роль внешних факторов в формировании болезней старения, так и механизмы, обеспечивающие живой системе определенную степень стабильности, несмотря на действие этих факторов.
Развиваемая в этой книге концепция, однако, не мешает использованию многих фактов, которые внешне как бы полностью находятся с ней в противоречии. Так, например, хотя я считаю, что мутационные теории старения являются дефектными, поскольку они не устанавливают связи между развитием и старением организма, в книге рассматривается, каким образом изменения регуляции и обмена веществ способствуют увеличению "вклада" мутаций в картину старения и таких болезней, как атеросклероз и рак.
Таким образом, на основе рассматриваемой в книге модели появляется возможность искать взаимосвязь между главными и дополнительными факторами развития, старения и болезней старения.
Никто не умирает от старости: люди и в старости умирают от болезней -в принципе излечимых, так как они вызываются нарушением регуляции. Естественная смерть у высших организмов - смерть регулярная.
Глава 2. Загадки живой природы
Живая природа хранит в себе три древние загадки: возникновения жизни, эволюции и смерти.
Чтобы разгадать первую из них, в настоящее время предпринимаются усиленные попытки воспроизвести процесс возникновения жизни в искусственных условиях.
Не менее сложна и вторая загадка - загадка эволюции, или усложнения и совершенствования живых систем при сохранении одних и тех же структурных элементов живой материи.
Действительно, природа одновременно и удивительно единообразна и поразительно разнообразна. Наиболее простые живые организмы - вирусы -имеют такое же строение, как и носители наследственности у высших организмов - гены. Белки у бактерий и у человека построены из одних и тех же строительных блоков - аминокислот.
Как же обеспечивается в природе стабильность основных ее элементов и поразительное усовершенствование их в процессе эволюции на пути от простейших одноклеточных к высшим организмам? От ответа на этот вопрос зависит многое. В том числе и разгадка смерти.
Мы привыкли считать, что всякая жизнь завершается смертью, что "жить -значит умирать" (Энгельс Ф. Диалектика природы).
Но что делает смерть неизбежной?
Прежде чем рассмотреть этот вопрос, напомню читателю: в природе, как известно, существуют два принципиально различных механизма смерти - от внешних и от внутренних причин.
Теоретически некоторые простейшие одноклеточные организмы бессмертны, так как после каждого деления подобного существа возникают два полностью одинаковых дочерних потомка, обладающих всеми свойствами исходного организма. В благоприятных условиях процесс последовательных делений может продолжаться неограниченно. Классический пример: деление одноклеточного организма - парамеции - в течение 8400 поколений. В данном случае не имеет значения, что в действительности лишь экземпляры некоторых простейших создают поколения, способные делиться вегетативно (без полового размножения) неопределенно долго. Если бы эта способность наблюдалась только у одного вида простейших или даже у одной ветви, то и тогда это было бы основанием для утверждения, что теоретически существует жизнь без внутренних причин смерти приналичии определенных благоприятных условий внешней среды. Свойство потенциального бессмертия можно увидеть и на примере сложных многоклеточных организмов, еслив их 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 происходит 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.
Когда же клетка становится раковой, ее потомки могут жить и в культуре ткани, и в организме беспредельно, если их последовательно пересаживать, или трансплантировать. Знаменитый немецкий ученый Пауль Эрлих еще в 1906 г. 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, как это ни парадоксально, рак обеспечивает потенциальное бессмертие клеток.
И все же и одноклеточные организмы, и раковые клетки погибают. Действительно, давно подсчитано, что если бы не происходило гибели одноклеточных, то потомки одной инфузории довольно скоро заняли бы объем, превышающий объем земного шара. Что же ограничивает длительность жизни одноклеточных существ? Таким ограничителем является прежде всего состояние среды их обитания.
Живой организм находится в очень тесных взаимоотношениях с внешним миром. Наличие или отсутствие пищи, физические условия среды, степень ее загрязнения - вот те главные факторы, с которыми неразрывно связана жизнедеятельность организма.
Вместе с тем любой организм может существовать, лишь если состав его тела поддерживается в определенных, обычно довольно узких пределах. Это положение великий французский физиолог Клод Бернар более 100 лет назад сформулировал следующим образом: постоянство внутренней среды является необходимым условием свободной жизни организма.
Закон постоянства внутренней среды организма - фундаментальный закон биологии. Я бы даже обозначил его как Первый фундаментальный биологический закон (хотя порядковый номер в данном случае мало что говорит: все фундаментальные законы характеризуются тем, что ни один из них не может быть нарушен).
Обмен веществ, основанный на поступлении в организм пищи, воды и кислорода, прежде всего обеспечивает постоянство внутренней среды. У одноклеточных существ резервы энергетических материалов в организме очень невелики и соответственно их зависимость от поступления пищи, как правило, крайне выражена. Еще больше одноклеточные зависят от физических условий среды. Нежная оболочка клетки - клеточная мембрана - не может быть надежной защитой от повреждающих внешних факторов. Это понятно: ипоступление пищи, и выделение отходов происходит через эту мембрану. По существу, одноклеточные организмы находятся в равновесии со своей средой обитания, и постоянство состава их тела, то есть требование, соответствующее Первому биологическому закону, может быть выполнено лишь в той степени, в которой сохраняется постоянство внешней среды. Изменения во внешней среде, вызванные, к примеру, самой жизнедеятельностью одноклеточных организмов, могут послужить причиной их гибели.
Таким образом, в большинстве случаев смерть у одноклеточных обусловлена действием внешних факторов, то есть является смертью от внешних причин. Это-то и дает основания утверждать, что теоретически некоторые простейшие могут оказаться бессмертными в условиях, когда внешняя среда этому благоприятствует.
Если говорить о человеке, то здесь внешние причины смерти связывают прежде всего с так называемыми болезнями цивилизации. Считается, что избыточное, или неправильное, питание, недостаточная физическая активность, психическое перенапряжение (эмоциональный стресс), токсические вещества, распространенные во внешней среде (например, канцерогены - химические вещества, вызывающие рак), - все это причины основных болезней человека: атеросклероза и рака. Тем самым предполагается, что и у человека именно внешние факторы определяют основные причины смерти.
Однако вряд ли стоит доказывать, что устранение внешних причин болезней не спасет высшие организмы от смерти. Для каждого вида организмов характерен определенныйпредел длительности жизни. Крыса не может прожить более четырех лет, слон - более 80, и никто не наблюдал, чтобы крыса жила дольше, чем это в норме свойственно слону.
Устранение внешних неблагоприятных факторов может лишь привести к тому, что продолжительность жизни индивидуума совпадет с видовым ее пределом. Так, если средняядлительность жизни человека составляет сейчас около 70 лет, то видовой ее предел, как уже было сказано, считается равным 120 годам. Пока же у большинства организмов видовых пределов жизни достигают только отдельные представители.
Сегодня наиболее общепринято считать, что существуют два независимых явления, ограничивающих длительность жизни: физиологический процесс старения и болезни, которые с возрастом все в большей степени поражают человека. При этом вычислили, что если будут устранены основные болезни старения -атеросклероз и рак, то 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. На этом основании предполагается, что в условиях старения без болезней человек будет умирать в возрасте, близком к 100 годам. Картина весьма заманчива. Ведь пока что бремя болезней часто делает очень тяжелой жизнь человека еще в среднем, не говоря уже о пожилом возрасте.
Однако это оптимистическое построение, к сожалению, уязвимо. Главным образом в силу разделения естественных причин смерти на болезни и физиологическое старение. Действительно, каким образом физиологическое старение обрывает жизнь? Опять же вследствие развития болезней. Другое дело, что вероятность их с годами возрастает. Более того, это, как правило, вполне определенные болезни. Мы уже упоминали, что в среднем и пожилом возрасте десять главных болезней из многих сотен возможных служатпричиной смерти каждых 85 человек из 100. Ими являются: ожирение, сахарный диабет тучных, атеросклероз, гипертоническая болезнь, метаболическая (обменная) иммунодепрессия, аутоиммунные болезни, психическая депрессия и рак. Эти болезни, а также климакс и гиперадаптоз по причинам, которые станут читателю понятными чуть позже, я обозначаю как нормальные болезни старения.
Есть много доводов в пользу того, что в возникновении этих болезней очень большое значение имеют внешние факторы. Так, ожирение, сахарный диабет тучных и атеросклероз возникают в результате переедания и снижения физической активности. В свою очередь, ожирение вызывает метаболическую иммунодепрессию, то есть снижение иммунитета, обусловленное избыточным использованием жира как источника энергии. Метаболическая иммунодепрессия способствует развитию рака. Стресс, психическое перенапряжение и длительно задержанные отрицательные эмоции вызывают гипертоническую болезнь, психическую депрессию и ускоряют течение рака.
Все это так. Но вместе с тем остается несомненным: хотя устранение неблагоприятных внешних факторов может увеличить длительность жизни, оно не может расширить ее видовой лимит.
В чем же здесь дело? Почему старение сочетается с определенной группой болезней, а не с любыми болезнями из многих сотен известных патологических процессов? Чем определяется видовой лимит жизни - физиологическим старением, то есть изнашиванием, истощение организма, связанным с прекращением обновления его клеток, или определенными болезнями, которые возникают под влиянием внутренних причин? И если верно последнее, то, что это за внутренние причины, которые действуют с такой закономерностью?
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, погибает. Смерть наступает независимо от условий внешней среды - как будто кончается завод часов.
Подобная смерть от внутренней причины - не исключение. Еще" отчетливее ее можно наблюдать у более сложного организма - горбуши.
Эта рыба в течение четырех-пяти лет живет в Тихом океане. В этот период происходит созревание и увеличение размера тела, а в печени и теле накапливается жир. Но вот приближается период размножения, и горбуша начинает свой длинный путь, иногда в тысячи километров, к устью той реки, в которой она появилась на свет. С самого начала этого пути рыба в качестве источника энергии использует главным образом печеночные резервы жира. Запас жиров снижается, но растет концентрация в крови холестерина, который синтезируется из жира. И в течение одного-двух месяцев рыба "стареет". У нее 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 одну-две недели рыбы-родители погибают. Причиной смерти являются 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 о существовании запрограммированной смерти. Жизнь рыбы как бы оканчивается в соответствии с программой, хранящейся в генах, - будто в них записан сигнал "стоп", который остро обрывает жизнь.
Описание естественной смерти горбуши очень часто используется как пример, характеризующий наличие генетической программы старения и смерти. Но так ли это?
Действительно, каждому виду свойствен свой 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". Известно, что в культуре ткани, то есть вне организма, некоторые клетки плода человека способны делиться 50+-10 раз, а затем погибают. Если клетки взять от человека более старшего возраста или у лиц с преждевременным старением, то пропорционально уменьшается число делений, предшествующих гибели клетки. На основании этих данных стало модным считать, что часы, отмеряющие время жизни, заключены в каждой клетке. Предполагается, что гибель клеток или ослабление функций в тех клетках, которые не делятся после окончания развития, в конечном счете приводит к ослаблению и гибели самого организма. Таким образом, естественную смерть горбуши часто рассматривают как иллюстрацию к этому построению.
Но имеется существенное наблюдение, которое отнюдь не укладывается в эти рамки. Американские ученые О. Робертсон и Б. Векслер (1962) удалили половые железы у нескольких экземпляров родственного горбуше пресноводного вида рыбы и содержали затем их в специальных резервуарах. Это кажется невероятным, но длительность жизни кастрированных рыб удвоилась и даже в некоторых случаях утроилась! Приведенный пример поучителен в ряде отношений.
Во-первых, он демонстрирует наличие смерти от внутренних причин у такого достаточно сложного организма, как горбуша. Во-вторых, эффект кастрации показывает, что видовые пределы жизни могут быть расширены, то есть что возможно вмешательство в программу, которая с незыблемой генетической закономерностью воспроизводится из поколения в поколение, из года в год, так сказать, от века.
Но, пожалуй, самый важный вывод заключается в следующем. В основе механизма запрограммированной гибели горбуши лежат регуляторные сдвиги, а именно такие сдвиги в регуляции обмена, которые приводят к резкому повышению содержания холестерина в крови. При этом гибнет каждый индивидуум, каждая горбуша, ибо ни одна рыба этого вида уже никогда после нереста не возвращается в океан.
Принято считать, что смерть связана с истощением, изнашиванием, самоотравлением организма продуктами его жизнедеятельности, гибелью функционально важных клеток,например клеток нервной системы - нейронов, то есть связана со стойкими и грубыми дефектами, или органическими нарушениями.
На примере механизма гибели горбуши становится очевидным, что в основе смерти лежат нарушения регуляции, то есть функциональные и поэтому в принципе обратимые нарушения. Иначе говоря, запрограммированная гибель горбуши связана с нарушением закона постоянства внутренней среды организма, или с отступлением от основного биологического закона. В результате чрезмерное повышение уровня холестерина практически непосредственно приводит к смерти.
Теперь зададимся еще двумя вопросами. Что же вызывает изменение в продуцировании холестерина? И являются ли нарушения, наблюдаемые у горбуши, частным случаем или регуляторный тип смерти наблюдается в природе и у других видов, включая человека? Ясно, что эти вопросы в определенной мере взаимосвязаны.
Стоит отметить, что если пример с горбушей во многом поучителен, то именно в отношении поиска общих причин, вызывающих регуляторные нарушения, он может завести 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 внутренней причины. Иными словами, созревание половых желез "запускает" механизм размножения, а затем и естественной гибели горбуши. Исходя из подобных примеров, многие биологи приходят к выводу, что цель живой природы - размножение, воспроизведение себе подобных; как только эта цель достигнута, включаются механизмы, обрывающие жизнь. Внешне такое построение выглядит весьма правдоподобно.
Но вдумаемся: признавая справедливость этого вывода, мы тем самым должны были бы признать, что у природы имеется цель и что этой целью является смерть индивидуума после окончания воспроизведения. Между тем можно утверждать вполне определенно: у природы нет и не может быть такой цели (как, впрочем, и никакой другой).
Как же могут быть совмещены эти друг друга исключающие положения? То, что действительно зафиксировано в генетическом коде организма,- это воспроизведение себе подобных. Этот процесс должен быть материально обеспечен. У горбуши, вероятно, в силу ряда условий обитания, большинство половых клеток погибает после нереста, так и не будучи оплодотворенными. Но способность производить большое количество половых клеток смягчает действие этого неблагоприятного для размножения фактора.
В чем смысл накопления жира в печени и в емкости "горба", если горбуше суждено в ближайшее время после нереста погибнуть? В том, что из жира образуется холестерин, а каждая половая клетка должна содержать много холестерина. Этот холестерин является материалом для построения оболочек (мембран) клеток, которые после оплодотворения должны начать развиваться в сложный организм. Одновременно повышение содержания холестерина в крови вызывает у горбуши поражение сосудов и в конечном итоге приводит организм к гибели. Таким образом, по существу, избыток холестерина в крови служит обеспечению процесса размножения, а гибель горбуши является лишь побочным следствием, вызванным нарушением постоянства внутренней среды организма. Постоянство внутренней среды в медицине обозначается термином "гомеостаз" ("гомео" - подобный, "стаз" - состояние). Поэтому явление, о котором только что шла речь, я считаю правильным квалифицировать как закон отклонения гомеостаза.
Гомеостаз - необходимое условие жизни. Однако сложность состоит в том, что и закон отклонения гомеостаза записан в генетическом коде, то есть сами высшие организмы одновременно подчиняются и закону сохранения и закону отклонения гомеостаза.
Но прежде чем перейти к подробному рассмотрению этого вопроса, читателю придется преодолеть небольшие трудности, чтобы ознакомиться с некоторыми основами строения и функций человеческого тела,- именно этому и посвящена следующая глава.
Это тяжеловесное слово - гипоталамус - необходимо запомнить Гибрид нервной и эндокринной системы, место стыковки двух миров - внутреннего и внешнего гипоталамус - это чудо природы
Глава 3. Иерархия управления в организме: роль гипоталамуса
Как дом сложен из кирпичей, тело состоит из клеток, соединяющих их тканей и систем; все это в целом представляет собой единую сверхсистему организма.
Мириады клеточных элементов не могли бы работать как единое целое, если бы в организме не существовал утонченный механизм регуляции. Особую роль в регуляции играют нервная система и система эндокринных желез. Но в сложном механизме регуляции есть несколько этажей, и первым из них является клеточный уровень. Клетка - основа жизни. Это старинное выражение и сейчас остается верным, приобретая все более и более глубокий смысл.
Каждая клетка - миниатюрный носитель жизни, который подчинил собственную свободу деятельности организма в целом. В каждой клетке тела заключена генетическая информация, достаточная для того, чтобы был воспроизведен весь организм. Эта информация записана в структуре дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и заключена в генах, расположенных в ядре. Поэтому ядро долгое время считалось главной составной частью клетки. Затем было понято значение других компонентов клетки, и перед учеными открылась удивительная картина.
В клетках всех высших организмов были обнаружены образования -митохондрии, являющиеся как бы печью, где происходит основное сжигание топлива, используемого организмом. Это топливо - углеводы (глюкоза) и жиры (жирные кислоты). Митохондрии имеют свой отдельный аппарат наследственности и деления. Многие данные позволили предположить, что на каком-то этапе эволюции митохондрии существовали самостоятельно, а затем соединились с примитивной клеткой, обеспечив ее совершенным способом сжигания топлива, что увеличило ее энергетические ресурсы.
Клетка имеет свои внутриклеточные регуляторы, причем их структура одинакова и у микробов, и в клетках высших организмов. Одна из групп этих регуляторов построена из продуктов обмена глюкозы (циклические нуклеотиды), главным представителем которых является циклический аденозиномонофосфат (или цАМФ); вторая - жирных кислот (простагландины). Так, из энергетических субстратов создается система регуляции для использования этих субстратов.
Природа снабдила клетку многими устройствами и механизмами, но, пожалуй, вряд ли прежде кто-либо ожидал, что оболочка клетки - мембрана -играет столь большую роль. Вначале казалось, что мембрана просто отграничивает и защищает внутреннее содержимое клетки, пассивно обеспечивая поступление сюда необходимых веществ и выброс отходов. Но ведь энергетическая система всех клеток построена одинаково. Поэтому если бы мембраны клеток были просто отграничивающими оболочками, то, например, сигнал к усилению деятельности клеток печени без препятствий передался бы всем клеткам тела. Это порождало бы хаос. В действительности же оболочка каждой клетки - мембрана - построена таким образом, что она воспринимает только нужные ей сигналы.
В общих чертах мембраны клеток состоят из липидов, главным образом холестерина, который образует как бы каркас мембраны. В структуре этого каркаса находятся белкии молекулы Сахаров. Все это вместе создает образования, которые воспринимают лишь необходимые для клетки сигналы. Эти антенны, или рецепторы, настроены на восприятие одних сигналов и нечувствительны к другим. В соответствии с сигналами, поступающими с рецепторов мембраны, клетка меняет свою активность, скорость процесса деления и т. д. Так, благодаря мембране клетка отвечает только на нужный ей сигнал, или согласовывает первый уровень регуляции - внутриклеточный - с требованиями, предъявляемыми клетке организмом (рис. 1).
Второй уровень регуляции - надклеточный - создается гормонами. Гормоны - специальные вещества, вырабатывающиеся в эндокринных железах; поступая в кровь, они оказывают влияние на деятельность чувствительных к ним клеток. Действие гормонов, например, таких эндокринных желез, как надпочечники и паращитовидные железы, прежде всего направлено на выполнение закона постоянства внутренней среды.
Если вспомнить, что первично жизнь зародилась в водной среде, то не может не восхитить, что состав и концентрация солей (ионов), омывающих клетку, практически точно соответствуют солевой среде Мирового океана в докембрийском периоде, когда в процессе эволюции создавалась структура современной клетки. В течение миллионов и миллионов лет состав клеток остается постоянным, несмотря на столь сложные их преобразования в специализированные ткани и органы в ходе дальнейшей эволюции живой природы.
Концентрация в крови кальция и фосфора, контролируемая главным образом паращитовидными железами, концентрация натрия и калия, контролируемая главным образом надпочечниками, строго охраняется в течение всей жизни индивидуума. Даже болезни, связанные со старением, не в состоянии вызвать существенных сдвигов этих жизненно важных элементов. Механизм смерти как бы обходит стороной эти показатели внутренней среды, одинаково важные и для одиночной клетки в первичном Мировом океане, и для нервной клетки головного мозга человека. Эти свойства охраняются, вероятно, столь стойко ради сохранения самой жизни.
Это обстоятельство в значительной мере объясняет большую свободу режима деятельности других эндокринных желез, а именно тех, которые принимают участие в обеспечении развития организма. Кроме того, ясно, что развитие требует содружественной, координированной работы ряда эндокринных желез. Поэтому в высокоспециализированных живых системах, включая человека, функционирует особая эндокринная железа, объединяющая деятельность ряда эндокринных желез; это как бы пульт управления и координации. Интеграция эндокринных желез осуществляется гипофизом, расположенным в хорошо защищенном костными образованиями "турецком седле", непосредственно под корой головного мозга в самой центральной точке черепной полости.
Каждой периферической эндокринной железе соответствует в гипофизе специальный гормон-регулятор. Это создает ряд отдельных систем, например: гипофиз - половые железы, гипофиз - щитовидная железа, гипофиз -надпочечники. Но благодаря тому что регуляция всех этих систем замыкается на уровне гипофиза, между системами осуществляется взаимодействие. Гипофиз представляет, таким образом, третий уровень регуляции у высших организмов.
Возникновение в процессе эволюции центрального регулятора - гипофиза - явилось важной ступенью в совершенствовании управления телом. Но гипофиз, регулируя состояние эндокринных желез, "слеп" в отношении внешнего мира. Этот регулятор может получать сигналы, оповещающие о том, что происходит в теле, но он не имеет прямой связи с внешней средой. Между тем для того, чтобы факторы внешней среды постоянно не нарушали жизнедеятельности организма, должно осуществляться приспособление тела к меняющимся внешним условиям.
О воздействии внешнего мира мы "узнаем" через кожу, глаза, органы обоняния, слуха и вкуса. Органы чувств передают полученную информацию в центральную нервную систему. Но, например, если антенны-рецепторы кожных клеток зафиксируют снижение температуры окружающей среды, этого еще недостаточно для того, чтобы не замерзнуть. Необходимо, чтобы информация о снижении температуры поступила в органы, которые способны повысить образование в организме тепла и снизить его расход. Таким устройством-регулятором, передающим информацию, полученную из внешнего мира, в рабочие органы, к соответствующим клеткам различных тканей, является гипоталамус.
Это тяжеловесное слово - гипоталамус - необходимо запомнить.
Гипоталамус - чудо природы. С одной стороны, это типичная нервная ткань, состоящая из клеток нервной системы нейронов. Эти клетки посредством многочисленных нервных волокон связаны со всеми отделами нервной системы. Поэтому все, что нервная система "знает" о внешнем мире или о внутреннем мире организма, она легко и быстро может передать в гипоталамус.
С другой стороны, гипоталамус - типичная эндокринная железа, выделяющая специальные гормоны. Эти гормоны регулируют деятельность гипофиза - железы-регулятора многих отделов эндокринной системы. Кроме того, гипоталамус направляет свои гормоны и в отдаленные области тела, где эти гормоны выполняют регуляторную роль.
Таким образом, если центральная нервная система получила сигнал из органов чувств, то этот сигнал передается в гипоталамус, который, в свою очередь, посылает сигнал в гипофиз, а последний - в рабочие органы. В некоторых случаях гипоталамус непосредственно через нервный аппарат или через гипоталамические гормоны воздействует на ткани тела. Так, благодаря гипоталамусу осуществляется взаимосвязь между внешним миром и внутренним миром организма.
Гипоталамус - конкретное место стыка двух миров. Для этой особой связи между внешним и внутренним природа создала и особую форму: гипоталамус -гибрид нервной и эндокринной системы. Благодаря своему необычному устройству гипоталамус преобразовывает быстродействующие сигналы, поступающие из нервной системы, в медленнотекущие, но специализированные реакции эндокринной системы.
С первого взгляда может показаться непонятной необходимость существования и гипофиза, и гипоталамуса. Казалось бы, что гипоталамические гормоны могли бы во всех случаях без промежуточного звена - гипофиза -непосредственно оказывать влияние на организм. Однако при этом гипоталамус много терял бы как орган регуляции. Для воздействия на процессы, протекающие в теле, необходимо достаточно большое количество гормонов. Поэтому гипоталамус должен был бы очень много растрачивать сил на производство гормонов и соответственно их меньше оставалось бы для регуляции. Действие гипоталамических гормонов, по существу, представляет собой продолжение нервного влияния, и эти гормоны оказывают на гипофиз именно такое регулирующее действие. Отсутствие у гипоталамуса ряда рабочих функций позволяет ему после передачи сигнала на гипофиз освобождаться для восприятия новых сигналов, поступающих из внешнего и внутреннего мира. Так, на первый взгляд обременительное дублирование аналогичных функций в гипоталамусе и гипофизе в действительности создает оптимальные условия для осуществления регуляции. Гипоталамус, таким образом, является четвертым уровнем регуляции в организме (см, рис. 1).
Пятый уровень регуляции - центральная нервная система, включающая и кору головного мозга.
Беспрерывные изменения внешней среды требуют постоянного приспособления к ним функций тела. То же относится к регуляции, связанной с сознанием, или с выполнением произвольных действий, порожденных мыслью. Естественно поэтому, что сигналы, исходящие из различных отделов мозга, влияют на деятельность гипоталамуса. Более того, активность гипоталамуса как части мозга в какой-то степени контролируется другими отделами нервной системы.
Наконец, особая эндокринная железа, также находящаяся в мозге, -эпифиз- оказывает регулирующее влияние на гипоталамус; в частности, изменяет его чувствительность к действию гормонов.
И все же именно гипоталамус, а не другие отделы нервной системы, является центральным регулятором внутренней среды организма. И вот почему. Сигналы из различных отделов мозга прежде всего поступают в гипоталамус, здесь они как бы фильтруются, и необходимая информация направляется в тело уже в форме гипоталамических сигналов.
Чем обусловлено такое значение гипоталамуса? В первую очередь тем, что гипоталамус - главный регулятор вегетативных (протекающих подсознательно) функций.
Действительно, многие функции должны осуществляться в нормальных условиях автоматически, постоянно, со строгой периодичностью. В этом отношении влияние центральной нервной системы, отражающей пестроменяющийся внешний мир и еще более непостоянный мир чувств и мыслей, не только не нужно, но и было бы неуместным, мешало бы тому, что должно совершаться по своим, внутренним законам. Так, например, если у крысы удалить кору головного мозга, то и тогда может осуществляться репродуктивная функция: оплодотворение, нормально протекающие роды и кормление потомства. Это показывает, что центральным уровнем регуляции для репродуктивной функции является гипоталамус. С другой стороны, если крысу подвергать сильному эмоциональному перенапряжению, например с помощью интенсивных звуковых сигналов, то произойдет выключение репродуктивной функции.
Иными словами, центральная нервная система может вмешаться в течение автоматического осуществления репродуктивной функции, если возникает необходимость приспособить деятельность организма к требованиям, предъявляемым внешней средой, но не контролирует эту деятельность без необходимости. Поэтому гипоталамус во многом функционирует автоматически, без контроля со стороны центральной нервной системы, повинуясь собственному ритму и сигналам, поступающим из тела.
Наряду с управлением репродуктивной системой на уровне гипоталамуса находится пульт управления многими другими функциями. Через гипофиз гипоталамус регулирует рост тела (гормон роста), деятельность щитовидной железы (тиреотропный гормон гипофиза), надпочечников (кортикотропин), функцию молочной железы (лактогенный гормон, или гормон, стимулирующий секрецию молока). В гипоталамусе и прилегающих к нему отделах мозга - ретикулярной формации"- находится центр сна, а также центр, контролирующий эмоции. В гипоталамусе находятся и центр аппетита, и центр теплопродукции и теплорегуляции.
Рис. 1
Многие исследователи считают, что в гипоталамусе имеются структуры, связанные с регуляцией удовольствия или наслаждения (центр наслаждения). Во всяком случае, если искусственно электрическим раздражением возбуждать активность определенных структур гипоталамуса, то животное будет стремиться к повторному раздражению, даже если путь к цели преграждает боль.
Многие из этих центров функционируют взаимосвязано, например отделы гипоталамуса, контролирующие аппетит, эмоции и энергетический обмен. В гипоталамусе имеются специальные структуры, или центры, с которыми связана регуляция сердечной деятельности, тонуса сосудов, иммунитета, водного и солевого балансов, функции желудочно-кишечного тракта, мочеотделения и т. д. Более того, в гипоталамусе есть отделы, имеющие прямое отношение к вегетативной нервной системе в целом.
В отличие от центральной нервной системы вегетативная нервная система регулирует деятельность внутренних органов, или, точнее, контролирует повторяющиеся, автоматические процессы в теле. Сама вегетативная система состоит как бы из двух частей - симпатической и парасимпатической, которые оказывают на ткани и органы противоположные влияния. Так, например, если возбуждение симпатического отдела приводит к повышению артериального (кровяного) давления, то возбуждение парасимпатического - к его понижению. Таким образом, эти два противоборствующих и взаимодействующих отдела нервной системы путем двойного обеспечения эффекта стабилизируют в определенных пределах величину отклонения всех тех процессов, которые регулируются вегетативной нервной системой. Поэтому при глубоком поражении гипоталамуса в эксперименте у животных развиваются трофические расстройства почти во всех органах с кровоизлияниями, вызванными нарушением питания, обмена и кровоснабжения; наступает дистрофия мышечных волокон и т. д.
Аппетит и рост, сон и бодрствование, эмоциональный подъем и психическая депрессия, наконец, размножение - все это во многом зависит от деятельности гипоталамуса. По существу, нет ни одной функции в сложной интеграции организма, которая не требовала бы участия гипоталамуса. Но в целом все его функции можно разделить на две группы.
Во-первых, гипоталамус приспосабливает деятельность организма к условиям внешней среды. Иными словами, если исключить механическую защиту, которая обеспечивается у специализированных организмов кожей, мышечной и костной тканями, то именно координирующая деятельность гипоталамуса защищает организм от повреждающих влияний внешней среды, то есть противодействует влиянию факторов, могущих привести к смерти от внешних причин.
Во-вторых, гипоталамус - это высший орган постоянства внутренней среды. Вместе с регулируемыми органами гипоталамус работает, как своеобразная замкнутая система, обеспечивая постоянство внутренней среды в соответствии с информацией, получаемой из внутреннего мира организма. В этой своей деятельности гипоталамус тщательно контролирует постоянные, регулярные процессы, которые должны протекать циклически, независимо от внешнего мира. Но он также приспосабливает организм к давлению внешней среды.
Кратко говоря, гипоталамус - главный интегратор информации, поступающей из тела, и вместе с тем тот коллектор, куда вливается информация из окружающей среды.
Более того, гипоталамические и гипофизарные гормоны влияют на состояние не только тела, но и мозга, и, в частности, как сказали бы в прежние времена, на состояние духа. Те же самые гормоны, которые контролируют секрецию молока (лактогенный гормон), коры надпочечников (кортикотропин) и мобилизацию жира (липотропин), подвергаются в мозге биологическим превращениям. В результате от этих гормонов отсоединяются более простые по строению вещества, которые воздействуют на провес запоминания и обучения, эмоциональную окраску событий, восприятие боли, иными словами, на выработку мозгом основных решений. Примечательно, что некоторые из этих веществ по структуре напоминают морфин и что скорость их образования может зависеть от состояния обмена веществ в организме. Таким образом, выражение, пришедшее к нам из глубин античного времени: "В здоровом теле здоровый дух", сейчас как бы материализовалось; это одно из условий, которым поддерживается стабильность внутренней среды организма.
Для того чтобы рассмотреть, как все это делается, необходимо напомнить тот кибернетический принцип, на котором основано обеспечение стабильности в системе, будь то простой термостат или сложная система живого организма. Стабильность в любой системе поддерживается благодаря механизму отрицательной обратной связи. Рассмотрим, как функционирует этот механизм. Представим себе условно эндокринную железу А, которая выделяет в кровь свой специфический гормон a1 (рис. 2). Этот гормон оказывает действие на чувствительные к нему клетки в соответствующих тканях (тканях-мишенях) и поэтому может быть обозначен как рабочий гормон. Представим ситуацию, в которой расход рабочего гормона увеличился и в результате снизилось его содержание в крови. Для восстановления постоянства внутренней среды должна усилиться деятельность железы А. Что же при этом происходит?
Железа А не существует в организме обособленно, она находится в определенной системе взаимоотношений под контролем своего регулятора -назовем его железой Б. Снижение концентрации рабочего гормона a1 воспринимает именно эта железа-регулятор. В норме, когда содержание рабочего гормона в крови постоянно, железа Б спокойна: рецепторы-антенны ее клеток до необходимой степени насыщены гормоном А1. Теперь же, когда концентрация гормона a1 снизилась, частично эти рецепт торы освобождаются от рабочего гормона. Прекращается тормозящее воздействие рабочего гормона на выработку железой Б регуляторного гормона, контролирующего деятельность железы А. Поэтому железа Б посылает к железе А своего посланника - гормон Б1 который стимулирует к деятельности железу А. Продукция гормона a1 увеличивается. Когда концентрация рабочего гормона А1 возрастет до нормы, он заполняет необходимое число свободных рецепторов-антенн на мембране клеток регулирующей железы Б. Возникает сигнал о том, что пора перестать стимулировать к работе железу А, так как постоянство внутренней среды (в данном случае концентрация гормона a1 в крови) восстановлено. В результате стимуляция рабочей железы регулятором уменьшается и устанавливается равновесие. Когда вновь произойдет снижение уровня в крови рабочего гормона, торможение железы-регулятора прекратится. Вновь увеличится концентрация гормона-регулятора - вновь усилится деятельность рабочей железы. Так поддерживается равновесие.
Описанное здесь взаимоотношение, при котором рабочий гормон тормозит свой регулятор, представляет собой типичный пример механизма отрицательной обратной связи. В этом кибернетическом понятии слово "отрицательный" обозначает, что регулятор тормозится действием периферического фактора (или сигнала), в данном случае рабочего гормона, тогда как снятие "отрицательного", тормозящего влияния приводит к стимуляции периферического звена системы - рабочей эндокринной железы. В этом и состоит внутренний смысл, суть механизма отрицательной обратной связи.
Аналогичный принцип регулирования заложен в любой саморегулирующейся системе, например даже в термостате. В нем имеется источник энергии, который в этой системе аналогичен рабочей железе А. И подобно тому, как рабочая железа вырабатывает свой рабочий гормон, этот источник выделяет теплоту. Роль железы-регулятора выполняет здесь реле - контактный термометр. Когда температура в шкафу термостата превысит заданную, то есть необходимую, столбик ртути в реле, поднимаясь от нагревания, выключит источник энергии. Таким образом, сработает механизм обратной связи. Напротив, как только система начинает охлаждаться, столбик ртути уменьшается и это вновь включает источник энергетического питания.
Некоторые системы гипоталамуса, которые поддерживают постоянство внутренней среды, строго регулируются в соответствии с механизмами отрицательной связи. Эти системы обеспечивают выполнение закона постоянства внутренней среды организма.
Но если в системе все уравновешено, все строго соизмерено, то каким образом может возникнуть та дополнительная энергия и тот дополнительный "строительный материал", которые должны быть израсходованы на развитие и рост организма? Задав этот вопрос, легко прийти к выводу, что постоянство внутренней среды, по существу, запрещает развитие организма. Каким же образом разрешается это противоречие между стабильностью - основой жизни, и развитием - источником жизни? К рассмотрению этого мы сейчас и перейдем.
Рис. 2 Принцип механизма обратной связи в эндокринной системе.
Б - железа-регулятор; А - рабочая железа; Б1 и Б2 - регулирующие гормоны; А1 и А2 - рабочие гормоны. Механизм отрицательной обратной связи:
при увеличении активности железы А увеличивается концентрация рабочего гормона a1, который тормозит активность регулятора Б, что в свою очередь приводит к снижению концентрации регулирующего гормона Б1 и соответственно к снижению активности железы А.
Механизм положительной обратной связи: увеличение интенсивности сигнала X увеличивает активность регулятора Б, что увеличивает уровень регулирующего гормона Б2 и, в свою очередь, увеличивает уровень рабочего гормона А2. Последний вызывает дальнейшую стимуляцию деятельности регулятора Б1 и т. д.
Если стабильность внутренней среды - обязательное условие свободной жизни организма, то непременным условием развития организма является запрограммированное нарушение стабильности. Соответственно наряду с законом постоянства внутренней среды существует закон отклонения гомеостаза.
Глава 4. Закон отклонения гомеостаза
Организм может существовать, если состав его внутренней среды поддерживается в определенных, довольно узких пределах. Это положение -сущность закона постоянства внутренней среды. Действительно, в норме величина артериального давления, концентрация в крови сахара, жира, холестерина и другие показатели колеблются весьма незначительно. Напротив, любое стойкое отклонение от нормальных пределов говорит о болезни: стойкое повышение артериального давления рассматривается как гипертония, сахара в крови - как сахарный диабет, холестерина и жира (триглицеридов) - как фактор риска атеросклероза. А коль скоро постоянство внутренней среды, или гомеостаз, должно столь строго охраняться, то необходимы и специальные механизмы его поддержания.
У одноклеточных организмов уже в силу недостаточной сложности их строения такие механизмы не могут быть совершенными. Поэтому-то смерть от внешних причин встала непреодолимым препятствием на пути к теоретической вечной жизни одноклеточных.
В процессе эволюционного превращения одноклеточных организмов в многоклеточные в конце концов развились механизмы, обеспечивающие поддержание постоянства внутренней среды путем специализации органов тела с их специализированными функциями
Вместе с тем это привело к непримиримому противоречию между потребностями развития и необходимостью стабильности, противоречию, породившему, с моей точки зрения, в процессе эволюции регуляторный тип смерти от внутренних причин.
Действительно, в каждый данный момент развития и роста многоклеточного организма должен соблюдаться закон постоянства внутренней среды, охраняемый системами гомеостаза. В то же время совершенно очевидно, что сами гомеостатические системы должны увеличивать свою мощность по мере развития, для того чтобы их деятельность могла обеспечивать потребности роста организма. Иными словами, развитие и рост организма были бы неосуществимы, если бы одновременно не увеличивалась и мощность гомеостатических систем. В определенном отношении увеличение мощности гомеостатических систем и есть развитие. Таким образом, получается, что если жизнь возможна только при соблюдении стабильности внутренней среды, то развитие и рост не могут осуществляться без нарушения закона стабильности.
Это положение можно выразить также следующим образом: у высших организмов необходимо совместить одновременно и в одном покой и движение -покой внутренней среды, обеспечивающий устойчивость организма, и движение, дающее развитие.
Можно предположить, что такое совмещение полностью противоположных требований осуществляется за счет саморазвития гомеостатических систем. Иначе говоря, системы, обеспечивающие стабильность, то есть защиту от внешнего мира, все время должны сами развиваться, увеличивая свою мощность; только в этом случае может быть обеспечено сохранение регуляции в движущейся системе.
Наиболее наглядно это можно проследить на основе тех изменений, которые наблюдаются в женском организме во время беременности. Эти изменения особенно явны во второй половине беременности, когда быстро увеличивается масса плода. В этот период у женщины происходит накопление жира, а нередко можно заметить также увеличение размеров носа или подбородка за счет набухания мягких тканей лица. Параллельно в крови повышается концентрация сахара и холестерина. Уровень сахара иногда становится столь значительным, что врачи определяют такое состояние как "диабет беременных". Иными словами, у женщины во время беременности происходит нарушение закона постоянства внутренней среды и как бы развиваются определенные болезни.
Справедлив вопрос: разве может столь жизненно необходимое явление, как беременность, сопровождаться болезнями, особенно если принимать во внимание, что в процессе эволюции вредные свойства давно были бы устранены естественным отбором? Рассмотрим это подробнее. Изменения, возникшие у беременной женщины, свойственны не только роду человеческому, они, например, так же отчетливо наблюдаются и у животных. Более того, можно заметить, что признаки "болезни, беременного организма" напоминают именно те отклонения, которые остро возникают у горбуши в период, предшествующий нересту, хотя у рыб в отличие от млекопитающих плод не развивается в материнском организме.
Приняв все это во внимание, приходится признать: отклонение от закона постоянства внутренней среды - это та запрограммированная "болезнь беременного организма", без которой невозможно развитие плода. Ведь чтобы нормально развиваться, плод должен быть обеспечен "строительным материалом" - он и доставляется в результате -описанных сдвигов. И материала этого требуется много, поскольку за относительно короткий срок из одной оплодотворенной клетки воспроизводятся миллиарды клеток вновь сформированного организма. Надо полагать, это происходит по такой примерно схеме.
Обязательная часть каждой клетки - холестерин. Он входит в каркас оболочки клетки - клеточную мембрану. Большинство видов клеток не может самостоятельно синтезировать столько холестерина, сколько нужно для построения оболочки, и эти клетки получают холестерин из печени. Мощность же печени плода еще мала, она не обеспечивает потребностей быстро увеличивающейся клеточной массы. Значит, холестерин должен поступать из материнского организма. Но и этот источник холестеринового сырья весьма ограничен. Ведь выполнение закона постоянства внутренней среды в том и состоит, что организм защищен как от недостатка, так и избытка чего-либо. Вот почему для обеспечения холестерином потребностей развития плода закон постоянства должен быть нарушен.
Существенной особенностью этого нарушения является то, что механизм, изменяющий гомеостаз, располагается во временно существующем органе -плаценте. Поэтому изменения гомеостаза, свойственные периоду беременности, являются временными - плацента вместе с родами заканчивает свое существование.
В период беременности плацента вырабатывает ряд гормонов, и в частности плацентарный гормон роста, который уменьшает сгорание глюкозы в материнском организме. Но, если глюкоза, поступающая с пищей, полностью не используется как топливо, то она превращается в жир - развивается ожирение. В организме имеются два источника энергии - глюкоза и жирные кислоты. Эти виды топлива в здоровом организме используются поочередно. Например, ночью, когда пища не поступает, основное топливо - жирные кислоты. Более того, в мышечной ткани углеводы не сгорают полностью в пламени жиров. В крови образуется запас глюкозы, служащий обеспечению энергией нервной системы. Когда количество жира в организме возрастает, как это имеет место при беременности, то из жировых депо начинают как бы просачиваться в кровь жирные кислоты. Поэтому при увеличении концентрации жирных кислот, которые тормозят использование тканями глюкозы, концентрация глюкозы в крови после еды еще более увеличивается. Возникает явление, которое свойственно сахарному диабету. Снижение энергетического использования глюкозы сопровождается увеличением использования альтернативного вида топлива - жирных кислот, их концентрация в крови увеличивается. Но жирные кислоты почти не проходят к плоду через плацентарный барьер. Поэтому в материнском организме из продуктов сгорания жирных кислот в повышенном количестве образуется холестерин - именно тот структурный компонент, который необходим для "сборки" оболочек клеток и для производства плодом ряда гормонов.
Вот чему служит диабет беременных, являющийся результатом "запланированного" нарушения постоянства внутренней среды в материнском организме, то есть "запланированной" болезнью.
Таким образом, в период беременности отклонение гомеостаза достигается за счет дополнительной эндокринной железы - плаценты, которая к тому же, не являясь постоянной частью нейроэндокринной системы, не включена в систему саморегуляции, ограничивающей активность любой другой эндокринной железы кибернетическим механизмом отрицательной обратной связи. Поэтому продукция плацентарных гормонов увеличивается практически до конца беременности параллельно увеличению размеров плаценты.
Но если отклонение гомеостаза действительно всегда является необходимым условием развития и роста организма, то каким образом обеспечивается такое отклонение после родов в процессе развития и роста ребенка, а затем и взрослого человека?
В ранние периоды жизни здоровые дети обычно производят впечатление "толстячков". Многие скульптуры древних ваятелей и картины художников увековечили эту особенность: дети в их изображении обладают приятной полнотой. Это и есть проявление все того же положения: для развития необходима дополнительная энергия, которая черпается из жира. В данном случае приятная упитанность ребенка как раз и отражает нарушение закона постоянства внутренней среды. И это не специальная особенность детей человеческих. Вот характерное описание, относящееся к периоду детства у волков.
"За последние недели волчата подросли и теперь размерами, да, пожалуй, и формой, напоминали взрослых сурков. Они так растолстели, что по сравнению с туловищем их лапы казались просто карликовыми, а пушистые серые шубки только - усугубляли полноту. Ничто, казалось, не предвещало, что со временем они превратятся в таких же стройных и мощных зверей, как и их родители" (Моуэт Ф. "Не кричи, волки" М., 1968), Да иначе и быть не может. Рост (и плода, и ребенка) связан с появлением новых клеток, а для них нужен, в частности, дополнительный холестерин, который, в свою очередь, синтезируется, когда увеличивается использование жира.
Но каким же образом обеспечивается усиление мощности гомеостатической системы, охраняемой законом постоянства внутренней среды?
Изучение этого вопроса приводит к выводу, что закон отклонения гомеостаза распространяется не на все регулируемые функции живого организма, а лишь на три из них. Но эти три функции контролируют три основных свойства живого организма.
Свойством, отличающим живую систему от неживой, является способность живой системы к размножению, приспособлению (адаптации) и регулированию потока энергии (или обмен веществ). Обмен веществ, обеспечивающий поддержание энергетических процессов, - это главное из трех основных свойств живой системы. В конечном итоге живая система - это энергетическая машина, потребляющая топливо - пищу для поддержания своей структуры и деятельности.
В то же время деятельность живой системы в значительной степени подчинена требованиям адаптации - приспособлению к меняющимся условиям внешней и внутренней среды организма. Чем выше способность к адаптации, тем выше жизнеспособность системы. Естественно, что в основе адаптации также лежат энергетические процессы.
Наконец, способность к размножению - это то свойство живой системы, которое обеспечивает сохранение вида. Процесс размножения также поддерживается деятельностью энергетической системы. Крайний вариант такой поддержки демонстрирует пример, относящийся к механизму естественной гибели горбуши.
Три основных свойства живого находятся в тесном взаимодействии. Но их объединяет еще требование, предъявляемое им развитием организма. Увеличение размеров тела, усиление защитных функций и созревание способности к размножению достаточно наглядно характеризуют увеличение мощности энергетической, адаптационной и половой (репродуктивной) систем по мере развития организма.
Три свойства живого нуждаются в структурной организации, то есть наличии определенного механизма, который позволял бы им проявляться в организме. Соответственно в каждом сложном организме существуют энергетическая, адаптационная и репродуктивная системы, которые можно обозначить как энергетический, адаптационный и репродуктивный гомеостат.
Термин "гомеостат" не только по звучанию, но в известной мере и по содержанию близок к слову "термостат". И не случайно. Подобно тому как это имеет место в термостате, предназначенном для поддержания определенной температуры, в энергетическом, адаптационном и репродуктивном гомеостате существует также механизм, которым регулируется соответствующее свойство, или функция. Но регулирование это особое.
Если деятельность классических кибернетических систем обычно направлена на поддержание постоянства в контролируемой системе, как это, например, имеет место в термостате, то в энергетическом, адаптационном и репродуктивном гомеостате происходит саморазвитие, увеличивающее мощность этих систем в соответствии с потребностями развития организма. Поэтому саморазвивающиеся гомеостатические системы правильнее было бы назвать динамо-кибернетическими.
Чтобы сохранить, например, стабильность температуры в той или иной системе, чувствительность регулятора к изменению температуры должна сохраняться постоянной. В термостате как только температура достигнет своего заданного предела, происходит необходимое воздействие на регулятор, что приводит к выключению системы нагревания.
Но представим себе, что чувствительность регулятора к температуре с течением времени будет постепенно снижаться. Это неизбежно приведет к нагреванию термостата до более высокой температуры, пока не произойдет необходимого воздействия на регулятор, выключающий тепловой элемент. Если понижение чувствительности регулятора пусть медленно, но неуклонно продолжится, то термостат будет все больше и больше разогреваться. Иными словами, количество тепла, производимое термостатом, или его мощность, будет возрастать.
Итак, отличие в принципе регуляции между классическими кибернетическими системами и динамо-кибернетическими и заключается в том, что в последних чувствительность регулятора изменяется. Это при сохранении механизма кибернетической регуляции приводит, однако, в конечном итоге к нарушению стабильности, то есть к отклонению гомеостаза.
Такая ситуация изменения "точки отсчета" чувствительности гипоталамуса, контролирующего три основные истины гомеостаза, действительно имеет место. Особенно четко это прослеживается в механизме возрастного включения репродуктивной функции. Пример тем более убедителен, что, с одной стороны, половое созревание должно быть каким-то образом задержано до той поры, пока закончится развитие и рост тела, а с другой - само половое созревание обладает наглядными чертами, характеризующими повышение мощности репродуктивной системы.
Если вспомнить общий принцип работы саморегулирующихся гомеостатических систем, легко понять, что половое созревание не может быть обусловлено первичным усилением мощности рабочей эндокринной железы - половой железы. Иначе увеличение продукции половых гормонов полностью тормозило бы деятельность регулятора-гипоталамуса в соответствии с механизмом отрицательной обратной связи. Это устраняло бы саму возможность и регулирования и развития. Следовательно, механизм полового созревания должен быть связан с изменениями состояния самого регулятора, то есть гипоталамуса. Так оно и есть.
В ряде исследований было показано, что порог чувствительности гипоталамуса изменяется в течение всей жизни. Вскоре после рождения гипоталамус обладает максимальной чувствительностью к тормозящему действию половых гормонов. Поэтому половой центр гипоталамуса в этот период заторможен тем небольшим количеством половых гормонов, которые уже вырабатываются незрелым организмом. Это и предотвращает преждевременное половое созревание, его темпы соизмеряются с общим развитием тела.
Суть механизма возрастного включения репродуктивной функции состоит в повышении порога чувствительности гипоталамуса к тормозящему действию половых гормонов. Благодаря этому повышению гипоталамус постепенно освобождается от торможения, осуществляемого половыми гормонами по механизму отрицательной обратной связи. В результате постепенно увеличивается активность гипоталамуса, а затем и гипофиза, который, в свою очередь, своими гормонами стимулирует половые железы. Однако повышение в крови концентрации половых гормонов не ведет в этой ситуации к снижению активности гипоталамуса: благодаря все продолжающемуся повышению порога чувствительности гипоталамус вновь и вновь освобождается от тормозящего влияния половых гормонов. Так увеличивается мощность репродуктивной системы и вместе с тем сохраняется механизм саморегуляции, свойственный гомеостатической системе.
Таким образом, наряду с механизмом, который направлен на поддержание равновесия и постоянства (гомеостаза) в каждый данный момент, существует механизм, который обеспечивает нарушение гомеостаза во времени и тем самым осуществляет выполнение программы раз вития организма. И если стабильность внутренней среды организма - закон существования организма, то запрограммированное нарушение гомеостаза - закон развития организма. Поэтому с законом постоянства внутренней среды сосуществует закон отклонения гомеостаза.
Скептический читатель может, однако, задать вопрос: что же, собственно, нового в этом законе? Ведь и без этого ясно, что в силу самого наличия генетической программы развития должен существовать и конкретный механизм, обеспечивающий это развитие. Но на такой, казалось бы, простой вопрос можно дать ответ, именно основываясь на законе отклонения гомеостаза.
Если бы существовал лишь закон постоянства внутренней среды, необходимо было бы множество исключений, запрещающих действие этого закона во всех тех условиях, когда осуществляется развитие организма, ибо развитие, как мы только что выяснили, всегда связано с нарушением равновесия и стабильности. Иными словами, закон постоянства внутренней среды без своего антипода -закона отклонения гомеостаза - должен был бы запрещать развитие. Следовательно, фундаментальный закон постоянства внутренней среды может существовать только в диалектическом единстве со своей противоположностью -законом отклонения гомеостаза.
Но и это еще не все. Для того чтобы оба противоположных закона могли сосуществовать, обеспечивая, с одной стороны, стабильность в каждый данный момент, а с другой - развитие во времени, необходимо, чтобы оба закона выполнялись по аналогичным правилам (механизмам). Это условие может быть удовлетворено только на объединяющем, интегральном уровне гипоталамуса, в котором сходятся пути трех главных гомеостатических систем. Другого подобного места в организме нет.
