Карпенков С. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов

ОГЛАВЛЕНИЕ

7.12. Жизнеобеспечение человека

Рост населения и обеспечение продовольствием

Одна из важнейших составляющих жизнеобеспечения – производство и потребление продуктов питания. История развития производства продовольственных продуктов связана с зарождением сельского хозяйства, первые признаки которого проявились примерно 12 тыс. лет назад. В то время численность населения планеты составляла около 15 млн человек. К началу нового летоисчисления насчитывалось приблизительно 250 млн человек. К 1650 г. население удвоилось, достигнув 500 млн. Следующее удвоение (рост до 1 млрд) произошло примерно через 200 лет (к 1850 г.). В 1999 г. численность населения Земли достигла 6 млрд. При росте населения 2% в год она составит к 2020 г. около 10 млрд. Годовой прирост населения в мире снижается, хотя в Африке, например, он существенно увеличивается.
В 1983г. от голода умерло около 20 млн человек – почти 0,5% населения планеты, еще примерно 500 млн сильно пострадали от недоедания. По некоторым оценкам, к концу столетия число людей, находящихся на грани голодной смерти, достигнет 650 млн, а это означает, что пропитание населения – важнейшая проблема современного человечества. Она касается не только тех, кто голоден и недоедает и менее всего способен ее решить, но и в значительной степени тех, кто может предложить рациональные способы решения данной проблемы, основанные на достижениях естествознания, и в первую очередь биохимии, микробиологии и других наук. Эти науки, во-первых, могут способствовать увеличению производства продуктов питания и, во-вторых, предоставить безопасные средства для индивидуального ограничения рождаемости.
Не вызывает сомнения, что производство продовольственных продуктов нельзя существенно увеличить только за счет освоения новых земель. В большинстве стран вся пригодная для сельского хозяйства земля уже обрабатывается. В густо заселенных развивающихся странах расширение пахотных площадей требует больших капиталовложений и сопряженно с нарушением равновесия экологической системы. Поэтому реальное увеличение мировых продовольственных ресурсов может быть достигнуто, в первую очередь, за счет совершенствования технологии производства и повышения качества хранения продуктов питания, сохранения питательных веществ в почве, обеспечения водой поливных земель, повышении эффективности использования солнечной энергии в естественном фотосинтезе и т. п. Современные достижения естествознания, и прежде всего агрохимии, и биохимии, позволяют на молекулярном уровне управлять сложными биохимическими процессами, происходящими при участии минеральных и органических удобрений, гормонов роста, феромонов, питательных, защитных и других веществ, внедрение которых в сельское хозяйство способствует повышению урожайности. При этом любые средства – химические или биологические – не должны приводить к нарушению природного баланса и загрязнению окружающей среды.

Повышение плодородия почвы

Со времен одного из создателей агрохимии, немецкого химика Юстуса Либиха (1803–1873) известно, что для роста и развития растений нужны неорганические вещества: азот, фосфор, калий и кальций. Эти вещества – минеральные удобрения – не взаимозаменяемы, их нельзя заменить и другими веществами. С конца прошлого столетия относительно быстро развивалось и совершенствовалось производство калийных и фосфорных удобрений. В 1975г., например, произведено около 24 млн т калийных удобрений (К2О). К концу тысячелетия ожидается увеличение объема их производства вдвое. На каждый гектар полевых угодий вносится в среднем около 100 кг калийных удобрений.
Фосфор в достаточном количестве содержится в почве: в слое пахотной земли толщиной 40 см на площади 1 га рассеяно около 20 т фосфорного вещества Р2О5.  Однако он чрезвычайно медленно попадает к растениям, поэтому во многие виды почв необходимо вносить фосфорные удобрения. В 1975 г. во всем мире их произведено примерно 30 млн т.
С конца прошлого столетия в областях с интенсивным земледелием стала ощущаться нехватка азота в почве. Производство азотных удобрений включает синтез аммиака NH3 и основано на связывании азота воздуха. В 1917 г. была произведена первая цистерна аммиака. В 1975 г. объем мирового производства азотных удобрений составил свыше 45 млн т. Предполагается, что к 2000 г. он возрастет до 100 млн т. С каждым килограммом азотных удобрений, внесенных на га почвы, урожай зерновых культур увеличивается на 8–11 кг, картофеля на 90 кг, кормовых трав – на 100 кг. Отношение производственных затрат к полученной прибыли при введении химических минеральных удобрений составляет в зависимости от культуры от 1:3 до 1:10.
Примерно с середины нашего столетия в поле зрения агрохимиков попали микроэлементы – бор, медь, марганец, молибден, цинк. Потребность в них составляет всего несколько сотен граммов на 1 га, но их отсутствие приводит к существенному снижению урожая. С 1970 г. налажено производство комплексных удобрений, содержащих все необходимые растениям микроэлементы. Обычно их изготавливают на основе сульфата аммония.
До недавнего времени при внесении удобрений, руководствовались преимущественно эмпирическим подходом, который не всегда оказывался эффективным и рациональным. В последнее время постепенно внедряется естественно-научный подход: дозы вносимых в почву удобрений и сроки их внесения рассчитываются исходя из биохимического анализа почвы и с учетом специфики выращиваемой культуры, погодных и климатических условий и т. п. Получены неплохие результаты при выращивании растений в тепличных условиях на гидропонике с автоматической подачей жидких питательных смесей, их дозировкой и регулированием температуры. В таких искусственных условиях собирают, например, не менее шести урожаев томатов в год, причем их урожайность составляет около 400 кг овощей с 1м2.
В последнее время все чаще говорят об ограничении применения химических удобрений, что связывают с опасным для здоровья ухудшением качества выращенной продукции. Однако до сих пор отрицательное действие на здоровье человека продуктов питания, выращенных с применением удобрений, никем не доказано. Напротив, оптимальное количество удобрений служит основой выращивания высококачественной сельскохозяйственной продукции. В то же время существует опасность, вызванная нежелательным накоплением неорганических веществ в водах вследствие вымывания избыточного количества удобрений из почвы. Такое загрязнение водных ресурсов можно свести к минимуму при внесении оптимального количества удобрений в сроки максимального их потребления растениями и с учетом погодных условий.
Сегодня более 1/3 населения Земли питается за счет выращиваемого урожая с применением минеральных удобрений. Однако производство удобрений в различных странах из-за разной степени их индустриализации колеблется в широких пределах. Почти 80–90% всех минеральных удобрений потребляется в Европе, Японии и Северной Америке.

Фиксация азота

Основным продуктом для азотсодержащих удобрений служит аммиак NH3, который синтезируется из азота воздуха и водорода при температуре 500° С и давлении 300 атм при наличии катализатора железа в сочетании со щелочным металлом. Такой процесс требует больших затрат энергии, сложной техники контроля и управления. Ежегодно синтезируется более 60 млн т аммиака, что, естественно, сопряжено с гигантскими капиталовложениями. Поэтому ведется интенсивный поиск более эффективных способов обогащения почвы азотом.
В процессе роста многие растения поглощают азот преимущественно из почвы. Многовековая практика севооборота в какой-то степени способствует пополнению почвы азотом. Казалось бы, что может быть доступнее азота: основной компонент воздуха – азот. Однако, как уже отмечалось, азот воздуха с большим трудом превращается в полезный и нужный продукт.
Все же некоторые растения способны превращать элементный азот воздуха в необходимые им соединения. Каков же механизм такого превращения? Многолетние наблюдения показали, что в этом процессе участвуют бактерии и водоросли, способные восстанавливать атмосферный азот до аммиака. Происходит важнейший естественный процесс – фиксация азота. Фиксированный азот затем превращается растениями в аминокислоты, белки и другие органические азотсодержащие соединения. Растения семейства бобовых, например соя, клевер и люцерна, фиксируют азот с помощью клубеньковых бактерий, живущих на их корнях. Около 170 разновидностей небобовых растений способны фиксировать азот. Природными фиксаторами азота могут быть некоторые свободно живущие бактерии и сине-зеленые водоросли.
В результате биохимических исследований установлено, что в фиксации азота участвует фермент, называемый нитрогеназой и состоящий из двух белков. Молекулярная масса одного из них (динитрогеназы) равна примерно 220000. Он содержит два атома молибдена и по 32 атома железа и реакционноспособной серы. Второй белок (динитрогеназа-редуктаза) построен из двух идентичных группировок с молекулярной массой 29000, каждая из которых содержит по 4 атома железа и серы.
Специально разработанные способы очистки и спектроскопические исследования позволили отчасти выяснить последовательность элементарных актов фиксации азота под действием фермента – нитрогеназы (рис. 7.15). Возможно, в ближайшем будущем проблема фиксации азота по принципу действия клубеньковых бактерий будет успешно решена в искусственных условиях.

Интенсивно разрабатывается и другое направление – генетическое исследование фиксации азота растениями. Применение рекомбинантной ДНК и разработка новых методов контроля за развитием и старением растений будут способствовать более полному раскрытию механизма фиксации азота и созданию штаммов, эффективно фиксирующих азот. Весьма важная и увлекательная задача – распространить природную способность некоторых растений фиксировать азот на продовольственные культуры, т. е. сделать их самоудобряющимися. В будущем такую практически значимую задачу предстоит решить.

Белок - основа питания

Основу питания людей и животных составляют белки, жиры и углеводы. Если содержание в пище углеводов и жиров – носителей энергии – может быть ограничено, то для белков это недопустимо: они нужны для постоянной регенерации органов и роста организма. Нехватка белков приводит к истощению организма. Необходимая для нормальной жизнедеятельности организма ежедневная норма потребления белков составляет для взрослых до 1 г, а для детей 2–3 г на килограмм массы тела. Ежедневное потребление белков для взрослых должно быть 60–100 г. Однако данные нормы, рекомендованные специалистами, не всегда выполняются. Например, в промышленно развитых странах на душу населения в сутки приходится 85–95 г белков, а в слаборазвитых странах – 50 г.
Более 60% потребляемых человечеством белков имеют растительное происхождение. Наиболее ценны сельскохозяйственные культуры с повышенным содержанием белков: пшеница, рис, кукуруза и др. Среднее содержание белков в них колеблется от 9 до 14%. В последние десятилетия выращены сорта пшеницы с содержанием белков более 20%. Потребность населения в белках постоянно растет (рис. 7.16).

Из двадцати аминокислот, необходимых для жизнедеятельности организма, образования скелета и тканей, только 12 могут быть синтезированы самим организмом. Остальные, в том числе лизин, метионин и трифтофан, должны вводиться с пищей. Доля таких определяющих жизнедеятельность организма аминокислот в большинстве растительных продуктов очень мала. Состав легко усвояемых животных белков значительно ближе к белкам нашего тела, поэтому потребность в аминокислотах может быть удовлетворена потреблением мясной пищи.
На первый взгляд может показаться, что проблему производства белка можно легко решить увеличением продуктов животноводства. Однако такая проблема гораздо сложнее. Во-первых, превращение растительных продуктов в животные характеризуется отношением 6:1. Во-вторых, для роста животных, в свою очередь, требуется огромное количество ценных белков.
Большие резервы белков сосредоточены в листьях растений. Они достигают на 1 га в год около 2 т, а в тропиках – до 5 т. Однако извлечение белков из листьев требует больших затрат энергии.
Для повышения биологической активности в растительные белки вводят недостающие аминокислоты. Например, при добавлении 0,4% лизина к пшеничной муке ее биологическая активность повышается не менее чем на 50%. В птицеводстве и свиноводстве применяется обогащенная метионином соевая мука, содержащая сравнительно большой процент белков. В результате генетической операции можно увеличить содержание лизина в белке. Таким способом удалось повысить содержание лизина в белке кукурузы и пшеницы с 2 до 4%.
В последние десятилетия большое внимание уделяется разработке и производству пищевой биомассы с большим процентным содержанием белков. Современные средства биотехнологии позволяют получать в огромных количествах искусственные белковые вещества из древесных отходов, нефти и нефтепродуктов, а также из природного газа. Искусственные белковые питательные вещества широко используются в животноводстве и тем самым дают возможность производить высококачественную мясную продукцию. Разработанные сравнительно недавно методы генной технологии ставят на более высокий уровень биотехнологический процесс производства ценнейших белковых продуктов.
Одно из важных направлений деятельности микробиологов связано с повышением питательных и вкусовых качеств пищи. Пища – не только средство для нормальной жизнедеятельности человека, но и источник удовольствия. Однако стремление испытать удовольствие часто приводит к перееданию. Например, по мнению специалистов, во многих развитых странах около 20% мужского и 40% женского населения едят гораздо больше, чем необходимо организму. Установлено, что нормальное потребление человеком сахара в год не должно превышать 18 кг, в то время как в некоторых странах данная цифра достигает 60 кг. Чрезмерное потребление сахара или других продуктов питания, конечно же, губительно влияет на здоровье человека и чаще всего приводит к ожирению. Есть надежда, что микробиологи предложат эффективные средства, позволяющие ограничивать излишнее потребление вкусной и калорийной пищи.

Перспективы увеличения продовольственных ресурсов

На протяжении довольно продолжительного времени проблема увеличения продовольственных ресурсов решалась преимущественно путем расширения культивируемых земель. К настоящему времени, когда практически все пахотные земли освоены, нужно решать данную проблему другими путями, многие из которых только сейчас начинают развиваться на базе последних достижений естествознания и в первую очередь микробиологии.
Традиционные пути решения проблемы увеличения продовольственных ресурсов основаны на совершенствовании технологии производства и хранения продуктов питания. В производственном процессе должны восстанавливаться состав и структура почвы и тем самым сохраняться ее плодородие. На всех стадиях производства продуктов питания и при их хранении важную роль играют естественно-научные знания, поскольку они позволяют понять природу микропроцессов, лежащих в основе развития живых систем разных биологических уровней.
Современные естественно-научные средства дают возможность изучить на молекулярном уровне влияние на живые системы различных веществ, которые приводят к увеличению производства продуктов питания. К таким веществам относят гормоны, феромоны, защитные и питательные вещества. Они оказывают активное действие на домашних животных, культурные растения и их естественных вредителей.
Существенным фактором производства продуктов питания является контроль за вредителями. В недавнем прошлом основное внимание уделялось поиску химических соединений для уничтожения вредных насекомых. При таком подходе природный биологический баланс нарушается и окружающая среда засоряется посторонними и чаще всего вредными веществами. Рациональная задача заключается прежде всего в контроле воздействия вредных насекомых, а не в их полном истреблении. В результате исследования биохимических процессов в самих организмах стало возможным ограничить наносимый вредителями урон такими средствами, которые не опасны для природы даже при длительном их применении. Фундаментальные проблемы биологических систем все в большей степени переплетаются с проблемами молекулярных структур и химических процессов.
Благодаря фотосинтезу живые растения получают энергию, необходимую для превращения диоксида углерода и воды в органические соединения с одновременным выделением молекулярного кислорода. Поскольку увеличение продовольственных ресурсов в конечном результате зависит от роста растений, фотосинтез играет ключевую роль в производстве продуктов питания, фотосинтез – это важнейший естественный процесс, посредством которого зеленые растения, водоросли и фотосинтезирующие бактерии используют солнечную энергию для стимулирования химических реакций. При фотосинтезе содержащийся в хлоропластах растений хлорофилл поглощает световую энергию и превращает ее в энергию химических связей органических соединений. Хлорофилл имеет сложную структуру циклического соединения, содержащего атом магния. Одна из разновидностей структуры хлорофилла показана на рис. 7.17.

Клетки растений можно представить в виде химических фабрик, где углерод из углекислого газа объединяется с водородом, образуя углеводородные соединения, составляющие основу растений. В результате фотосинтеза колоссальное количество углерода превращается в полезные вещества.
Установлено, что энергия необходимая для фотосинтеза, примерно на две трети обеспечивается излучением в красной и ближней инфракрасной области солнечного спектра. Кроме того, спектроскопические исследования показывают, что фотосинтез включает взаимодействие многих молекул хлорофилла. При этом, как предполагается, центром фотореакции является пара параллельных хлорофилловых колец, удерживаемых на близком расстоянии друг от друга водородными связями между аминокислотными группами. Все эти сведения весьма важны для понимания сущности фотосинтеза и его воспроизведения. Воспроизведение фотосинтеза в лабораторных условиях было бы величайшим достижением естествознания.
Фотосинтез – важнейший источник не только продовольственных ресурсов, но и энергии. В результате превращения органического растительного сырья можно получить громадное количество энергии. Благодаря фотосинтезу воздух очищается от углекислого газа, который превращается в весьма ценные органические вещества. В этой связи всестороннее изучение фотосинтеза и его воспроизведение в лаборатории – чрезвычайно важные и практически значимые задачи.

Средства сохранения здоровья

Лекарственные препараты от различных заболеваний известны с давних времен, но лишь в последние 100 лет благодаря развитию биохимии и микробиологии появилось более 95% всех лекарств. Полезный эффект врачебной деятельности в развитых странах примерно на 70% определяется наличием лекарств. Идет ли речь о головной боли, расстройствах пищеварения или пневмонии, кашле, тифе или малярии – в руках врачей всегда находится сильнодействующее средство. Благодаря эффективным лекарственным препаратам вытеснена чума, возникли перспективы излечения многочисленных инфекционных заболеваний, резко снизилась детская смертность, и т. д.
В последнее время существенно изменились методы разработки фармакологически активных соединений. Значительные успехи достигнуты в понимании на молекулярном уровне химических реакций, управляющих биологическими процессами. В качестве примера можно назвать новые эффективные препараты, регулирующие активность ферментов и рецепторы.
Участвуя в большинстве химических превращений, происходящих в живых организмах, ферменты формируют химических посредников, регулирующих такие превращения. Посредники называются гормонами и медиаторами. В живых организмах гормоны находятся в крови, а медиаторы – в промежутках между нервными клетками. Гормоны и медиаторы управляют процессами жизнедеятельности – сокращением мышц и выделением адреналина. Оказать влияние на них и, следовательно, на управляемые ими процессы можно при воздействии на вырабатывающие их ферменты. Вещество, подавляющее активность фермента, называется его ингибитором. Разработанные ингибиторы ферментов весьма эффективны в лечении гипертонии, атеросклероза и астмы.
Рецепторы – макромолекулы, инициирующие биологические процессы. При активации соответствующими гормонами они распознают и связывают биологически активные молекулы, вступившие в каталитическое и регулирующее взаимодействие. Существуют два типа агентов, взаимодействующих с рецепторами: агонисты и антагонисты. Агонисты вызывают биологическую реакцию, а антагонисты ее блокируют. Некоторые агенты могут связываться одновременно с разными рецепторами и, следовательно, участвовать в различных биологических процессах. Например, гистамин, связываясь с H1-рецептором, инициирует аллергические реакции и, активизируя Н2-рецептор, способствует выделению желудочного сока. Избыток желудочного сока раздражает стенки желудка и приводит к язве. Лекарственный препарат – циметидин – специфический антагонист Н2-рецептора, подавляющий выделение желудочного сока. Норадреналин – химический агент нервной системы. Он контролирует выделение адреналина и связывается с четырьмя видами рецепторов, ответственных за различные биологические процессы. Уже доказано, что соединения-антагонисты эффективны при лечении сердечно-сосудистых заболеваний, рака, расстройства центральной нервной и эндокринной систем.
В 30-х годах было установлено, что некоторые органические соединения вызывают канцерогенное действие на подопытных животных. Сегодня полагают, что ряд природных и синтетических соединений, содержащихся в окружающей среде, могут способствовать возникновению у людей раковых заболеваний. К 1968 г. исследования показали, что различные химические канцерогены образуют ковалентные связи с клеточными макромолекулами (белками, РНК, ДНК), и такие связи приводят к раковым заболеваниям. Некоторые химические соединения являются праканцерогенами. Они превращаются в химически активные канцерогены при попадании в организм. Молекула ДНК с присоединенным к ней канцерогеном называется ДНК-аддуктом. Конечные продукты взаимодействия между организмом и канцерогеном могут приводить к изменениям в ДНК, т. е. могут вызвать мутации.
При злокачественном перерождении клеток происходит ненормальное их развитие. Недавно установлено, что злокачественное перерождение клеток связано с определенными генами здоровых клеток. Данные гены идентичны или родственны генам некоторых вирусов (онкогенам), преобразующим нормальные клетки в злокачественные. К настоящему времени химики-органики умеют определять последовательности нуклеотидов в нормальном гене и онкогене, а также последовательности аминокислот в белках, кодируемых данными генами. Установление различий между белками нормальной и больной клетки на молекулярном уровне весьма важно при разработке терапевтических методов лечения.
Первоначально рак лечили ядами, синтезируемыми из природных веществ. В последнее время много новых и клинически эффективных препаратов выделено из микроорганизмов. Некоторые из них взаимодействуют с ДНК пораженных клеток, внедряясь в спиральные нити ДНК. Широко применяемые противораковые средства, известные под названием антиметаболитов, по своей структуре напоминают природные соединения, нарушающие обмен веществ.
Многие воспалительные болезни вызываются расстройством иммунной системы. Иммунная система противодействует заболеванию организма и вторжению в него посторонних веществ. К настоящему времени установлены ферменты и другие белки, фиксирующие инородные тела и координирующие ответную реакцию организма. Клетки плазмы, продуцируемые белыми кровяными тельцами, выделяют в кровь антитела, которые нейтрализуют чужеродные белки или полисахариды, способные вызывать заболевания. Химическая природа молекул антител известна, но в то же время предстоит большая работа ученых разных профессий, направленная на эффективное лечение прогрессирующей болезни – синдрома приобретенного иммунодефицита (СПИДа).
Иммунная система служит для биосинтеза антител (антигенов) – защитных белков для нейтрализации чужеродных молекул. Определенная последовательность аминокислот белковой цепи задает избирательность ферментов. Формирование активных центров ферментов и их структура во многом определяются действием вводимого антитела. Более 100 каталитических антител успешно применяются для ферментативных реакций. Специалисты считают, что каталитические антитела принадлежат к биокатализаторам нового поколения.
Серьезную опасность для здоровья человека представляют радионуклиды и тяжелые металлы. Они содержатся в отходах предприятий, выбросах в атмосферу и выхлопах автомобилей, загрязняют почву и воду, накапливаются в живых клетках растений и животных, а оттуда с продуктами питания попадают в организм человека (рис. 7.18).

Путешествуя с потоком крови по организму человека, загрязняющие вещества наносят ему немало вреда. Так, тяжелые металлы замедляют рост и умственное развитие детей, вызывают болезни нервной системы, почек и печени. Если в организм попадают радиоактивные молекулы, или радионуклиды, то они вызывают повреждения в наследственном веществе, снижение иммунитета, онкологические заболевания.
После аварии на Чернобыльской АЭС активизировался поиск препаратов, очищающих организм человека от радиоактивных атомов. Необходимо было найти вещества, способные образовывать прочные соединения с радиоактивными изотопами, которые потом легко выводятся из организма. Один из таких препаратов, как следует из источника периодической печати, был найден в альгинатах – продуктах переработки бурых морских водорослей. Как выяснилось, эти водоросли в природе очищают воду океана от тяжелых металлов, лишних солей, радиоактивных изотопов. Синтезированный в нашей стране препарат альгисорб способен очищать организм человека от радиоактивных изотопов, не нарушая обмена веществ, не вызывая аллергических реакций и не влияя на наследственность.

7.13. Продление жизни организма

Общие сведения

Старение любого организма, в том числе организма человека, воспринимается чаще всего как естественный и неизбежный процесс. Средняя продолжительность жизни человека колеблется в относительно широких пределах – от 55 до 85 лет. В последние десятилетия в развитых странах она составляет около 70 лет. Продолжительность жизни человека может достигать 100 и более лет. И такие случаи не редкость, например, для людей, проживающих в селениях горного Кавказа, Это означает, что потенциальные возможности долголетней жизни еще не реализованы. Проблема продления жизни живого организма актуальна и по сей день. И ее решение во многом зависит от усилий ученых: медиков, биохимиков, психологов и др.
Предполагается, что процесс старения обусловливается нарушением в организме ферментативных реакций, вызываемым различными отклонениями в гормональной системе управления. Современные медицинские средства позволяют корректировать гормональную систему и, казалось бы, успешно решать проблему продления жизни живых организмов. Однако проблема оказалась не такой уж простой.
Первые систематические опыты по выявлению влияния различных факторов на продолжительность жизни проводились на подопытных дрозофилах и дафниях. В результате многочисленных экспериментов установлено, что при ограничении содержания питательных калорий в качественно разнообразной пище продолжительность жизни дрозофил и дафний может быть увеличена в 3–3,5 раза. При точной дозировке белков в пище, составляющей около 14%, удваивается средняя продолжительность жизни крыс. Продление жизни достигается при действии аминокислот (цистеина), некоторых витаминов, анаболических стероидов, необходимых для синтеза белков в организме, и других веществ. Однако подобные результаты для организма человека пока неизвестны.
Целенаправленные опыты применения разнообразных биохимических препаратов помогут выявить физико-химическую и биологическую природу механизма старения организма. При таком подходе могут быть синтезированы препараты, селективно влияющие на организм, т. е. продлевающие жизнь отдельным органам: печени, сердцу, мозгу и др. Важнейшим результатом данных опытов будет синтез универсального препарата против старения.

Энтропийный характер старения

Естественный процесс старения – вечная тема для размышлений и лучших умов человечества, и обычных людей. С давних времен ученые пытаются раскрыть механизм старения и найти способы его предотвращения. При этом многое остается загадкой, хотя кое-что удалось выяснить совсем недавно.
Иногда встречаются люди, к которым неприменимы обычные правила, – они могут долгое время находиться без сна, не подвержены действию опасных вирусов и т. п. Однако нет человека, неподвластного старению. Каждому человеку известно: все живое стареет и в конце концов погибает, т. е. переходит в другую форму материи. Стареют, ветшают и приходят в негодность даже объекты неживой природы: здания, машины и т. п. Может показаться удивительным – металл тоже стареет. Все это наводит на мысль: старение – это неизбежный, необратимый процесс, общий для живой и неживой природы.
В соответствии со вторым началом термодинамики любой реальный процесс необратим и сопровождается возрастанием энтропии. Энтропия – это мера хаоса, беспорядка. Значит, любой реальный естественный процесс, в том числе и старение, приводит к возрастанию хаоса. В результате старения нарушается упорядоченная взаимосогласованная работа элементов живой системы. Именно в таком смысле можно говорить об энтропийном характере старения объектов живой природы.
Разрушение происходит само собой, а процесс созидания требует затрат энергии. Для создания и существования любой упорядоченной структуры необходим приток энергии, поскольку энергия имеет тенденцию необратимо рассеиваться в пространстве. Такая тенденция носит вероятностный характер и, следовательно, можно говорить: процесс рассеяния энергии более вероятен, чем создание упорядоченных структур. Живые организмы относятся к открытым термодинамическим системам: растения поглощают солнечную энергию, в результате чего образуются органические и неорганические соединения; организмы животных разлагают такие соединения, обеспечивая себя энергией. При этом живые объекты находятся в термодинамическом равновесии с окружающей средой, являясь тем самым своеобразным источником рассеяния энергии. На определенной стадии развития поглощенная открытой системой энергия приводит к ее самоусложнению, а в ряде случаев и к ее совершенствованию.
Образуя все более сложную структуру и накапливая информацию, живые системы стремятся предотвратить необратимое рассеяние энергии и тем самым противостоять возрастанию энтропии не только в окружающей их среде, но и во Вселенной в целом. Такое стремление по своей сути противоположно старению. Противостояние данных процессов можно представить как единство и борьбу противоположностей, т. е. как диалектический закон природы, предписанный генетической программой, неоднократно воспроизводимой живым организмом и передаваемой следующим поколениям.

Механизм старения

В утверждении «все живое подвержено старению» содержится некоторая неточность. Например, что происходит, когда живая клетка или бактерия в процессе размножения делится пополам? Живая клетка при этом не стареет и не погибает, она дает начало другим клеткам, которые в свою очередь снова делятся и т. д. Клетка, давая начало всем остальным, фактически остается бессмертной. Вопрос о старении одноклеточных организмов и непрерывно делящихся клеток, например половых или опухолевых, до сих пор остается открытым. В конце XIX в. немецкий зоолог Август Вейсман (1834–1914) предложил идею о бессмертии бактерий. Многие ученые согласны с ней и сегодня, другие подвергают ее сомнению. При этом те и другие опираются на вполне определенные доказательства.
В многоклеточных организмах значительная часть клеток не может постоянно делиться – они должны выполнять другие функции: обеспечивать движение, питание, управление различными процессами и т. п. Противоречия между функциональной специализацией клеток и их бессмертием природа разрешила путем разделения клеток на два типа: соматические и половые. Соматические клетки поддерживают жизнедеятельность в организме, а половые делятся, обеспечивая продолжение рода. Соматические клетки стареют и умирают, половые же практически вечны. Существование огромных и сложных многоклеточных организмов, содержащих триллионы соматических клеток, направлено на поддержание бессмертия половых клеток.
Каков же механизм старения соматических клеток? Установлено, что каждая соматическая клетка способна делиться не более 50 раз. Постепенное старение всего организма обусловлено тем, что его соматические клетки исчерпывают отпущенное на их долю число делений. После этого клетки стареют и погибают. Возможны случаи, когда соматические клетки, нарушая такое правило, делятся, непрерывно воспроизводя свои копии. Однако такое деление ни к чему хорошему не приводит – ведь именно так появляется в организме опухоль, часто приводящая к гибели всего организма.

Старение и продолжительность жизни

Еще в начале XX в. физиологи обратили внимание на то, что крупные млекопитающие живут дольше, чем мелкие. Например, мышь живет 3,5 года, собака – 20 лет, слон – 70. Такая зависимость объяснялась разной интенсивностью обмена веществ. Средняя суммарная затрата энергии на единицу массы тела у разных млекопитающих в течение жизни примерно одинакова – 200 ккал/г. Каждый вид способен переработать лишь определенное количество энергии – исчерпав ее, он погибает.
Интенсивность обмена веществ и общее потребление кислорода зависят от размера животного. Существует обратная зависимость между интенсивностью обмена веществ и продолжительностью жизни. Малая масса тела и высокий обмен веществ обусловливают небольшую продолжительность жизни. Однако из данного простого правила существует немало исключений. Например, суммарные затраты энергии, приходящиеся на единицу массы тела, у человека очень высоки, а продолжительность жизни в четыре раза больше, чем должна быть при соответствующем таким затратам обмене веществ. С чем это связано – выяснилось сравнительно недавно. Причина кроется в одном важном факторе, определяющем продолжительность жизни, – парциальном давлении кислорода. Концентрация кислорода в воздухе составляет около 20,9%. Ощутимое изменение данной концентрации приводит к гибели живых организмов. То, что нехватка кислорода губительна для живого, известно многим, а вот об опасности его избытка знают немногие. Чистый кислород убивает лабораторных животных в течение нескольких дней, а при давлении 2–5 атм такой срок сокращается до часов и минут.
Предполагается, что атмосфера Земли в ранний период ее развития не содержала кислорода. Насыщенная кислородом атмосфера Земли образовалась примерно 1,4 млрд лет назад в результате жизнедеятельности примитивных организмов, способных к фотосинтезу. Они поглощали солнечную энергию и углекислый газ, выделяя кислород. Жизнедеятельность данных организмов создала таким образом основу для возникновения большого многообразия других живых организмов, потребляющих кислород для дыхания.
Сама по себе молекула кислорода и продукт ее полного восстановления – вода – не токсичны. Однако восстановление кислорода сопровождается образованием повреждающих клетки продуктов: супероксидного анион-радикала, перекиси водорода и гидроксильного радикала. Их называют активными формами кислорода. На их образование расходуется около 5% потребляемого организмом кислорода. Ферменты снижают вредное действие активных форм на клетки. Основную роль при этом играет фермент супероксиддисмутаза, превращающий супероксидные анион-радикалы в более безобидную перекись водорода и в молекулярный кислород. Перекись водорода тут же разрушается другими ферментами – каталазой и пероксидазами.
Известна и положительная роль активных форм кислорода – они способны защищать организм от микробов и даже от некоторых опухолей. Но все же их повышенное содержание приводит к разрушению клеток. Результаты исследований последнего времени показали, что скорость производства активных форм кислорода замедляется углекислым газом, содержащимся в крови. А это означает, что для жизнедеятельности организма необходим и углекислый газ, предотвращающий разрушение клеток.
Выяснение механизма обезвреживания активных форм кислорода способствовало пониманию некоторых проблем радиобиологии, онкологии, иммунологии и т. п. Родилась свободнорадикальная теория старения, в соответствии с которой возрастные изменения в клетках обусловливаются накоплением в них повреждений, вызываемых свободными радикалами – осколками молекул с неспаренными электронами и обладающих в результате этого повышенной химической активностью. Свободные радикалы могут образовываться в клетках под действием радиации, некоторых химических реакций и перепадов температуры. Но все же главный источник свободных радикалов – восстановление молекулы кислорода.
Накопление возрастных изменений в клетках зависит от соотношения двух процессов: образования свободных радикалов и их обезвреживания с помощью супероксиддисмутазы– «фермента антистарения». Количество свободных радикалов, образующихся в клетке, вероятно, возрастает с повышением уровня потребления кислорода или интенсивности обмена веществ. Предполагается, что продолжительность жизни животных и человека зависит от отношения активности супероксиддисмутазы к интенсивности обмена веществ. Высокий уровень активности «фермента антистарения» защищает человека и некоторых животных с интенсивным обменом веществ от преждевременного старения.

Поиск средств против старения

Новое представление о механизме старения позволяет объяснить некоторые факты, хорошо известные геронтологам – ученым, изучающим проблемы старения живых организмов. Например, почему животные, которых кормили малокалорийной, но сбалансированной пищей, живут дольше, чем те, что питались вдоволь? Ответ простой – потому что ограниченное питание уменьшает интенсивность обмена веществ и соответственно замедляет накопление повреждений в клетках. Большая продолжительность жизни женщин (в среднем на 10 лет) связана с более низкой интенсивностью обмена веществ. Феномен долгожительства в горных районах также объясняется меньшей интенсивностью обмена веществ у людей, живущих в условиях с пониженным содержанием кислорода.
Разный срок отпущен клеткам внутри одного организма человека: чем больше в клетках супероксид-дисмутазы, тем меньше степень их повреждения активными формами кислорода, тем дольше они живут. Поэтому некоторые клетки крови, например, живут несколько часов, а другие – несколько лет.
Наблюдения показали, что изменения в организме при естественном старении и действии радиации похожи. Оказалось, что при действии радиации происходит разложение воды с образованием активных форм кислорода, которые начинают повреждать клетки.
Результаты исследований последнего времени позволили выработать стратегию поиска средств против старения. Например, удалось увеличить в полтора раза жизнь лабораторных животных, вводя в их рацион сильные антиоксиданты. Введение в организм животных антиоксидантов типа супероксиддисмутазы защищает их от токсичного действия кислорода и способствует увеличению продолжительности их жизни. Такие эксперименты вселяют надежду на то, что антиоксиданты могут быть использованы как эффективное средство против старения человека.
В современном понимании процесс старения запрограммирован генетически. Поэтому проблема продления жизни организма должна решаться современными средствами молекулярной биологии и генной инженерии. Предполагается, что в старении повинны полифункциональные соединения в виде продуктов обмена веществ, например, яблочной, янтарной и фумаровой кислоты, а также радикалов. Между двумя молекулами данных веществ возникают мостиковые связи, что приводит к накоплению дефектных белков и функциональному нарушению работы клеток и в результате – к старению организма.
В соматических клетках ферменты репарации (ремонта) ДНК испытывают отклонения от нормального функционирования гораздо чаще, чем в половых клетках, поэтому старению прежде всего подвергаются нейроны, клетки печени, сердечной мышцы и т. п.
Чем больше отклонений и существенных, вызывающих их факторов, тем быстрее проходит процесс старения. Известно, что свободные радикалы приводят к существенным отклонениям в работе ферментов репараций. В этой связи разработка ингибиторов свободных радикалов – одно из важнейших направлений в решении проблемы продления жизни организма. Но все же наиболее эффективный способ предотвращения старения заключается в исправлении программы, заложенной в геноме организма.
Возрастное ослабление организма обусловливается ухудшением работоспособности составляющих его клеток. Почему с возрастом активность клеток уменьшается? Исследования показали, что с каждым клеточным делением уменьшаются теломеры – особые хромосомные структуры, расположенные на концах клеточных хромосом. Такое уменьшение теломеры приводит к старению клеток. Проведенный в 1997 г. в США и Канаде эксперимент по искусственному удлинению теломер в клетках invitro дали удивительный результат: клетки обрели способность многократно делиться, полностью сохраняя свои нормальные свойства. Очень важно, что клетки, обретя потенциальное бессмертие, не стали раковыми и не вызывают опухолей.
В последние годы обнаружен клеточный фермент – телемераза, способствующий наращиванию концов хромосом – телемеров, которые неизбежно укорачиваются при рождении клеточных поколений. Появились сообщения о том, что в организме человека теломеры хромосом могут удлиняться без участия теломеразы.
Проводятся целенаправленные эксперименты, обсуждаются различные мнения и доводы – все это дает возможность с оптимизмом утверждать: если не нынешнее, то грядущее поколение воспользуется плодами кропотливых и сложнейших экспериментов, которые позволят продлить жизнь человеку до 100, 200 и более лет.

7.14. Формирование ноосферы

Появление научной мысли в биосфере в перспективе неизбежно полностью ее видоизменяет. В сочетании с трудовой деятельностью человека мысль становится неведомой до этого геологической силой, способной преобразовать вместе с биосферой весь поверхностный слой Земли. Носитель земного разума – человек – с нарастающим во времени темпом воздействует на биосферу, активно захватывая все занимаемое ею пространство, окультуривая флору и фауну, меняя облик земной поверхности. По убеждению В.И. Вернадского, преобразование биосферы грядет неизбежно и необратимо. Такая точка зрения была высказана в начале 30-х годов и со скептицизмом воспринята научным сообществом тех лет. Так во что же преобразуется биосфера и что такое преобразование несет человеку, являющемуся неотъемлемой составной частью этой же биосферы? В.И. Вернадский назвал трансформированную биосферу ноосферой.
Мысль появилась в биосфере через человека разумного (Homo sapiens), но ее проявление не случайно, к нему вела вся предшествовавшая эволюция биосферы на протяжении нескольких миллиардов лет. Возникновение мысли открыло новую эру в развитии биосферы. Мысль стала мощнейшим геологическим фактором: как только сформировалось научное проявление мысли, оно стало строить и направлять техническую работу человека, переделывающую биосферу. Такое воздействие научной мысли на биосферу выявилось не сразу после появления в ней человека. Вначале, на протяжении многих тысяч человеческих поколений, никаких заметных изменений в биосфере не наблюдалось, но исподволь шло развитие научной мысли и накопление сил. Постепенно, используя свое интеллектуальное превосходство над остальными представителями животного мира, человек охватил своей жизнью, своей культурой всю верхнюю оболочку планеты – в общем, всю биосферу, всю связанную с жизнью область планеты. Развитие научной мысли привело к приручению животных, к созданию культурных растений. Человек стал менять окружающий его животный мир и создавать для себя новую, не бывшую никогда на планете живую природу.
Под влиянием научной мысли и человеческого труда на протяжении последних 5–7 тыс. лет начался и в нарастающем темпе продолжает происходить стихийный процесс видоизменения биосферы и ее перехода в качественно новое состояние – ноосферу. Под ноосферой Вернадский понимал не выделенный над биосферой «мыслящий пласт», а качественно новое состояние самой биосферы, ее очередную трансформацию в ходе эволюции. Известны и более ранние переходы биосферы в качественно новые состояния, сопровождавшиеся почти полной ее перестройкой. Но этот переход представляет собой нечто особенное, ни с чем не сравнимое.
«На наших глазах биосфера резко меняется и едва ли может быть сомнение в том, что проявляющаяся этим путем ее перестройка научной мыслью через организованный человеческий труд не есть случайное явление, зависящее от воли человека, но есть стихийный природный процесс, корни которого лежат глубоко и подготавливались эволюционным процессом, длительность которого исчисляется сотнями миллионов лет. Создание ноосферы из биосферы есть природное явление, более глубокое и мощное в своей основе, чем человеческая история. Оно требует проявления человечества, как единого целого», – писал В.И. Вернадский.
Развитие научной мысли резко ускорило свой темп в последние столетия. В настоящее время можно говорить о взрыве научного творчества, что непосредственно связано с переходом биосферы в ноосферу. Ноосфера как высокоорганизованное состояние биосферы может возникнуть и существовать при условии, что дальнейший процесс ее развития протекает сознательным путем, направляется и организуется научной мыслью. Это требует, с одной стороны, настолько высокого уровня развития науки, при котором такая задача становится ей посильной. С другой стороны, это ставит перед учеными задачу овладения в ближайшем будущем методами управления развитием биосферы и создания необходимых для этого средств.
Что же касается единства человечества, то оно составляет важнейшее условие образования ноосферы. В.И. Вернадский считал, что, независимо от деления людей по расовым и национальным признакам, единство человечества неизбежно сложится в ближайшее время вопреки всему тому, что мешает этому процессу. Еще в 30-е годы он писал: «В настоящее время под влиянием окружающих ужасов жизни, наряду с небывалым расцветом научной мысли, приходится слышать о приближении варварства, о крушении цивилизации, о самоистреблении человечества. Мне представляются эти настроения и эти суждения следствием недостаточно глубокого проникновения в окружающее... Реальная обстановка в наше бурное и кровавое время не может дать развиться и победить силам варваризации, которые сейчас как будто выступают на видное место».
Свой анализ процесса трансформации биосферы в ноосферу В.И. Вернадский заканчивает такими обобщениями.
· Ход научного творчества является той силой, при помощи которой человек меняет биосферу. Изменение биосферы после появления в ней человека – неизбежное явление, сопутствующее росту научной мысли.
· Изменение биосферы не зависит от человеческой воли, оно стихийно, как природный естественный процесс.
· Научная работа человечества есть природный процесс, сопровождаемый переходом биосферы в новое, более упорядоченное состояние – ноосферу.
· Такой переход выражает собой «закон природы». Поэтому появление в биосфере рода Homo (человека) есть начало новой эры в истории планеты.
· Человек может рассматриваться как определенная функция биосферы, в определенном ее пространстве-времени. Во всех своих проявлениях человек составляет определенную закономерную часть биосферы.
· Взрыв научной мысли в XX столетии подготовлен всем прошлым биосферы и имеет глубочайшие корни в ее строении. Он не может остановиться и пойти назад. Биосфера же неизбежно, рано или поздно, перейдет в ноосферу. И в истории народов, населяющих планету, произойдут нужные для этого события, а не события, этому противоречащие.
Что может сказать по поводу перехода биосферы в новое состояние современная научная концепция развития? Во-первых, процесс трансформации биосферы – это объективная реальность. Мы все, живущие на Земле, являемся свидетелями и в определенной мере участниками этого переходного процесса, даже если не отдаем себе отчет в характере происходящего. Процесс преобразования биосферы начался не вчера и завершится не завтра. По человеческому масштабу времени трансформация растянута на несколько поколений, но в геологическом измерении она мгновенна и ее следует рассматривать как скачок в развитии биосферы. Во-вторых, современные представления об этом процессе близки к представлениям В.И. Вернадского.

Контрольные вопросы

1. Какова роль химического равновесия в биологических процессах?
2. Какие функции выполняют молекулы ДНК?
3. Какова структура молекул ДНК?
4. Как образуется генетический код?
5. Какие функции выполняют белки?
6. Почему клетку можно считать живым организмом?
7. Из чего состоят клетки?
8. Чем отличается растительная клетка от клетки животного?
9. На какие группы делятся все организмы в зависимости от типа клеток?
10. При каких условиях зарождалась жизнь на Земле?
11. Какова роль углеродных соединений при образовании живых систем?
12. В чем заключается химическая эволюция?
13. Какова роль фотосинтеза в зарождении многоклеточных организмов?
14. Охарактеризуйте кратко предпосылки для развития эволюционной идеи.
15. Какова история возникновения эволюционной теории Дарвина?
16. В чем заключалась основная идея Менделя о наследственности?
17. Что такое искусственный отбор?
18. Какова взаимосвязь целенаправленных действий и естественного отбора?
19. Дайте краткую характеристику эволюции жизни в разные геологические эры.
20. Охарактеризуйте основные разновидности растений и животных.
21. Каковы необычные особенности растительного и животного миров?
22. Назовите основные типы адаптации живых организмов.
23. Назовите основные физиологические особенности человека.
24. В чем сущность социологической идеи Гегеля?
25. Чем обусловливается эстетическое восприятие человека?
26. Каковы пути увеличения продовольственных ресурсов?
27. Что такое фиксация азота?
28. В чем проявляется действие агонистов и антагонистов?
29. Что является основной причиной раковых заболеваний?
30. Какое средство выводит радионуклиды из организма?
31. Чем обусловливается процесс старения организма?
32. В чем заключаются основные современные способы решения проблемы продления жизни организма?
33. Как формируется ноосфера?
.

Комментарии (3)
Обратно в раздел Наука