Кислород. Молекула, изменившая мир: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Учитывая эти факторы, Рейнальд Памплона, Густаво Барха и их коллеги из Университета Ллейды в Испании сравнивали состав жирных кислот в мембранах митохондрий разных видов организмов от крыс до лошадей и от голубей до попугаев. Они обнаружили удивительную корреляцию. В митохондриальных мембранах животных с большой продолжительностью жизни содержится мало сильно ненасыщенных жирных кислот, таких как докозагексаеновая (шесть двойных связей) или арахидоновая (четыре двойные связи) кислоты, но много слабо ненасыщенных кислот с двумя или тремя двойными связями, таких как линолевая кислота. Другими словами, чем больше продолжительность жизни, тем слабее степень ненасыщенности жирных кислот. Состав мембранных липидов слегка зависит от характера питания, но в целом животные превращают одни кислоты в другие, которые требуются для синтеза мембран. Например, в питании лабораторных мышей нет докозагексаеновой кислоты (она легко окисляется), но в их митохондриях содержится 8% этой кислоты. Напротив, фураж для лошадей богат предшественниками докозагексаеновой кислоты, но в митохондриях ее концентрация не превышает 0,4%. Вот такая ситуация: состав мембран митохондрий влияет на их функцию и нашу продолжительность жизни, но изменить его с помощью диеты не так-то просто.

Дальше — больше. По мере старения организма митохондриальные липиды становятся все более ненасыщенными. У старых мышей доля сильно ненасыщенных жирных кислот вдвое выше, чем у молодых, а доля слабо ненасыщенных кислот пропорционально ниже. В результате митохондрии становятся более чувствительными к окислению и теряют «смазку» — кардиолипин. Содержание кардиолипина в митохондриях старых крыс снижено вдвое. В человеческом организме, по-видимому, тоже происходит нечто подобное. Таким образом, чтобы жить долго, мы должны ограничивать содержание сильно ненасыщенных жирных кислот в наших митохондриях, однако в реальности этот показатель как раз повышается. Диета практически не может нам помочь, но нет ли иного способа повлиять на этот процесс?

Да, такой способ есть. Состав митохондрий только отчасти зависит от питания, но и происходящие с нами изменения только отчасти обусловлены нашими генами. Я имею в виду, что активность генов (характер их экспрессии) может изменяться, даже если их nocледовательность остается без изменений. Чтобы обратить вспять возрастные изменения, требуется обратить изменение экспрессии генов, а это сделать гораздо легче, чем изменить саму последовательность. Например, ограничение калорийности питания крыс позволяет обратить возрастные изменения состава и функции митохондрий и сделать их менее уязвимыми по отношению к окислению. Другими словами, неумолимый процесс угасания функции митохондрий с возрастом отчасти является физиологическим, а не полностью патологическим. Пока мы не знаем, способствует ли ограничение калорийности питания аналогичным изменениям в митохондриях человека, но я не вижу причины, почему этого не может быть.

Любопытно, что аналогичный эффект может оказывать карнитин. Мы говорили о карнитине в главе 9 в связи с функцией витамина С. Карнитин участвует в переносе жиров в митохондрии, где они используются в качестве топлива, и в выведении из митохондрий неизрасходованных органических кислот. Человек может синтезировать карнитин из витамина С, но какое-то количество получает с пищей. Один из симптомов цинги — общая слабость — может объясняться недостаточностью карнитина. Пищевые добавки карнитина уже много лет используются для поднятия тонуса и защиты миокарда и других мышц. Карнитин выполняет не только транспортную функцию: он меняет липидный состав митохондриальных мембран и восстанавливает содержание кардиолипина. И это далеко не косметический эффект: старые крысы, которым дают карнитин, становятся гораздо более энергичными и активными.

Однако карнитин — не панацея. В частности, он повышает выделение митохондриями свободных радикалов и усиливает окислительный стресс. Возможно, именно по этой причине его применение не дает положительных результатов при лечении пациентов с такими возрастными заболеваниями, как болезнь Альгеймера. Однако прооксидантное действие карнитина подавляется антиоксидантами, например липоевой кислотой, и это сочетание дает неплохие результаты. В серии статей, опубликованных в 2002 г. в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, Брюс Эймс и его коллеги из Калифорнийского университета в Беркли показали, что карнитин в сочетании с липоевой кислотой улучшал целостность и функцию и повышал энергетический потенциал митохондрий старых крыс. Как заметил Брюс Эймс, «Старые крысы поднялись и станцевали макарену». Крысы также лучше справлялись с различными тестами на качество памяти и умственных способностей. Пока мы не знаем, может ли человек выиграть от приема карнитина, но этот вопрос уже привлек к себе значительный научный интерес, и в настоящее время проводятся клинические испытания нескольких препаратов[102]. Кроме того, витамин С в высоких дозах, вероятно, может усилить синтез карнитина, но об этом мало что известно, мы слишком сконцентрировались на антиоксидантных свойствах витамина.

Физические упражнения тоже благотворно сказываются на состоянии митохондрий. Как мы уже обсуждали, здоровье популяции митохондрий определяется скоростями их репликации и распада. В старых тканях поврежденные митохондрии распадаются медленнее, чем здоровые, поскольку скорость репликации митохондрий в таких тканях очень низкая. Постепенно в популяции начинают преобладать поврежденные митохондрии. Разорвать этот порочный круг можно с помощью физических упражнений. Для выполнения физической нагрузки нам требуется больше энергии, а это стимулирует репликацию митохондрий. В таких условиях быстрее всего реплицируются самые здоровые митохондрии, что омолаживает популяцию. Но, как обычно, и здесь нас подстерегают опасности: слишком большая нагрузка вызывает больше окислительных повреждений, чем излечивает, и трудно понять, на каком уровне вред пересиливает пользу. Думаю, умеренная физическая нагрузка на свежем воздухе, такая как ходьба или плавание, является оптимальным вариантом. Я не могу сказать, решает ли такую же задачу умственная деятельность. Считается, что обучение и мыслительный процесс защищают от развития болезни Альцгеймера, но мы не знаем почему. Возможно, умственная деятельность заставляет обновляться митохондрии клеток мозга.

Митохондриальная медицина — динамично развивающаяся область исследований, пережившая негативный опыт антиоксидантной терапии. Мы усвоили урок: недостаточно просто «проглотить» антиоксидант и надеяться на лучшее. Нужно найти способ воздействовать на митохондриальные мембраны с помощью активаторов метаболизма (таких, как карнитин), антиоксидантов (таких, как липоевая кислота или кофермент Q), гормонов (мелатонин или тироксин) или каких-то других пока неизвестных факторов. Это практически наверняка потребует интегрированного физиологического подхода. Нам еще многое предстоит узнать о работе митохондрий. На этом пути неизбежно будут возникать трудности, но я верю, что мы все же разберемся в сути проблемы. Если мы когда-нибудь сможем увеличить продолжительность здоровой жизни до 130 лет, я думаю, значительная заслуга в этом будет принадлежать митохондриальной медицине.

Рассматривая эволюцию через призму кислорода, мы начинаем воспринимать нашу собственную жизнь и смерть в новом ракурсе. Если вода — основа жизни, кислород — ее мотор. Не будь кислорода, жизнь на Земле никогда не создала бы ничего сложнее морского ила, и в конечном итоге Земля, возможно, осталась бы стерильной, как Марс или Венера. Благодаря кислороду жизнь расцвела во всем своем невероятном разнообразии: животные, растения, половое размножение, система двух полов, сознание. Но вместе со всем этим появились старение и смерть.

Мы не сможем понять сложные процессы, происходящие при дегенеративных заболеваниях, если не будем рассматривать эволюционные причины их возникновения. Дo сих пор мы опирались на теорию эволюции, но без экспериментальных доказательств мы не сумеем продвинуться дальше. В XVI в. философ Фрэнсис Бэкон заявлял, что без экспериментальной проверки философия никогда не сможет ответить на главные вопросы о жизни и смерти. Не следует забывать, что наука выросла на основе философии — системы идей об устройстве мироздания. Эксперимент позволяет взвесить ценность конкурирующих гипотез, когда этого нельзя сделать логическим путем. Но, чтобы научное знание обрело смысл, эксперимент должен проводиться в рамках той или иной обобщающей гипотезы. Наука строится не на индуктивном методе (на просеивании массивов данных в надежде найти какие-то закономерности или факты), а на построении и опровержении гипотез. Современные медицинские исследования развиваются в опасном направлении: они становятся сугубо эмпирическими и накапливают бесконечное количество данных, не подвергая их общему осмыслению. Существует гигантский разрыв между сотнями сумасшедших теорий о причинах старения и развития заболеваний, редко подкрепляемых адекватными доказательствами, и безудержным натиском медицинских исследований, в которых не делаются попытки интерпретировать новые данные в рамках более общих идей. На медицинские исследования отводятся огромные деньги, а система здравоохранения разрушается, и мне кажется, следует задуматься, в правильном ли направлении ведут нас эти исследования.

Генетические опыты изменили наше понимание биологии, здоровья и болезней. Многие изложенные в книге идеи были бы немыслимы без невероятных успехов современной молекулярной генетики. Но не следует путать цель и средства ее достижения. Единственная философия, которая подкрепляет сегодня медицинские исследования, заключается в том, что гены работают неправильно и вызывают болезнь. Мы приветствовали завершение проекта «Геном человека», поскольку он позволил нам больше узнать о тех генах, которые могут действовать «неправильно». Время и деньги, затраченные на охоту на гены, ответственные за развитие конкретных заболеваний, привели к сокращению исследований процесса старения: существуют тысячи специализированных научных журналов, но лишь несколько из них публикуют работы, посвященные проблеме старения. Мы недовольны медленным прогрессом медицинских исследований («прорыв» в науке сегодня может принести плоды не раньше чем через 20 лет), но воспринимаем это как должное, поскольку влияние генов сложное и плохо поддается коррекции, так что приходится ждать. Но будут ли плоды? Единственный способ разобраться в ситуации заключается в том, чтобы мыслить в терминах эволюционных изменений, и это позволит нам найти правильный путь.

Идея о том, что кислород может ускорять старение, далеко не нова: об этом думал еще Джозеф Пристли, когда говорил, что при дыхании чистым кислородом мы «сгораем» быстрее. Только на основе экспериментов можно заключить, что свободные радикалы кислорода вносят вклад в старение и развитие некоторых заболеваний и, возможно, являются следствием других заболеваний. Невозможность продлить жизнь или победить болезнь с помощью антиоксидантов говорит об ограниченности роли свободных радикалов — это лишь один из множества факторов. Но, если рассуждать в терминах эволюционных изменений, картина представляется совсем иной. Мы видим, что жизнь научилась справляться с кислородом с помощью множества адаптаций — от поведения до размера и полового размножения. Логика эволюционного подхода подтверждается неожиданным образом, например необходимостью эволюции двух полов и развития яйцеклеток в фолликуле, а также неудачами клонирования или влиянием малярии на развитие старческих заболеваний. Надеюсь, я убедил вас в том, что кислород — не только двигатель жизни и ее эволюции, но и главный виновник старения и развития старческих заболеваний.

Эволюционная перспектива позволяет нам лучше определить наше место в природе. Она помогает понять, что старение не является программированным или неизбежным процессом, хотя остановить его непросто. Его можно корректировать, и это показывает несостоятельность поиска генов, «виновных» в развитии старческих заболеваний. Эволюционная перспектива помогает выбрать направления исследований, которые быстрее всего приведут нас к решению проблемы старения, а именно модуляция иммунитета и митохондриальная медицина. Наконец, этот подход предлагает практические решения для сохранения здоровья в старости: питаться разнообразно, но не переедать, не пытаться жить в стерильных условиях и избегать излишнего стресса, не курить, регулярно заниматься спортом и стимулировать умственную деятельность. Начните прямо сейчас! И если все успехи в биологии и медицине могут лишь подтвердить мудрость наших дедов, возможно, это позволит вернуть утраченное достоинство старости.

Дополнительная литература

Brown, G. The Energy of Life. HarperCollins, London, 1999.

Cairns-Smith, G. Seven Clues to the Origin of Life. Cambridge University Press. Cambridge, 1985.

Cowen, R. History of Life. 5th ed. Blackwells, New York, 2000[103].

Davies, P. The Fifth Miracle. The Search for the Origin of Lifе. Penguin Books, London, 1998.

Dawkins, R. The Selfish Gene. Oxford University Press, Oxford, 1989[104].

Djerassi, С. and Hoffman, R. Oxygen. Wiley-VСН, Weinheim, 2001.

Dyson, F. Origins of Life. Revised Edition. Cambridge University Press, Cambridge, 1999.

Emsley, J. Molecules at an Exhibition.Oxford University Press, Oxford, 1998.

Fenchal, Т. and Finlay, В. J. Ecology and Evolution in Anoxic Worlds. Oxford University Press, Oxford, 1995.

Fortey, R. Life: An Unauthorised Biography. НаrреrСоllins, London, 1997[105].

Fortey, R. Trilobite! Flamingo, London, 2001.

Gould, S. J. Wonderful Life. The Burgess Shale and the Nature of Story. Penguin Books, London, 1989.

Hager, Т. Linus Pauling and the Chemistry of Lifе. Oxford University Press, Oxford, 2000.

Halliwell, В. and Gutteridge, J. М. С. Free Radicals in Biology and Medicine, Third Edition. Oxford University Press, Oxford, 1999.

Holliday, R. Understanding Аgeing. Cambridge University Press, Cambridge, 1995.

Hughes, R. Е. Vitamin С. Сатbridgе World History of Food (Eds. Kiple, К. F. and Ornelas, К. С). Cambridge University Press, Cambridge, 2000.

Jacob, F. Of Flies, Mice and Men. Harvard UniversityPress, Cambridge, 2001.

[102] На сегодняшней день рынок пищевых добавок предлагает множество продуктов, содержащих комбинацию карнитина и липоевой кислоты. — Примеч. пер.

[103] Переведена на русский язык: P. Коуэн. История жизни. K.: Наукова думка, 1982.

[104] Переведена на русский язык: P. Докинз. Эгоистичный ген. М.: АСТ: Corpus, 2013.

[105] Переведена на русский язык: P. Фортли. Трилобиты: Свидетели эволюции. М.: Альпина нон-фикшн, 2015.