Жизнеобеспечение человека

Рост населения и обеспечение продовольствием. Одна из важнейших составляющих жизнеобеспечения человека — производство и потребление продуктов питания. История развития производства продовольствия связана с зарождением сельского хозяйства, первые признаки которого появились 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 310

1 млрд.) произошло примерно через 200 лет (к 1850 г.). В 1999 г. численность населения Земли возросла до б млрд. По оценке экспертов ООН, к 2050 г. она составит более 10 млрд. человек (рис. 7.11).

Нехватка продовольствия — одна из причин преждевременной смерти людей. Так, в 1983 г. от голода умерло около 20 млн. человек — почти 0, 5% населения планеты, еще примерно 500 млн.сильно пострадали от недоедания. К концу прошлого столетия число людей на грани голодной смерти превышало 650 млн. Все это говорит о том, что обеспечение населения продуктами питания — 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 ее решения, основанные на последних естественно-научных достижениях.

Очевидно, что производство продовольствия нельзя существенно увеличить только за счет освоения новых земель. В большинстве стран

вся пригодная для сельского хозяйства земля уже обрабатывается. В густонаселенных развивающихся странах расширение пахотных площадей требует больших капиталовложений и сопряжено с нарушением равновесия экологических систем. Поэтому продовольственные ресурсы можно увеличить при совершенствовании технологии производства, сохранении питательных веществ в почве, обеспечении водой поливных земель, повышении качества хранения продуктов питания и т.п. Современные достижения естествознания и прежде всего агрохимии и биохимии позволяют на молекулярном уровне управлять сложными биохимическими процессами при участии минеральных и органических удобрений, гормонов роста, феромонов, питательных, защитных и других веществ, способствующих 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 минеральные удобрения, содержащие неорганические вещества: азот, фосфор, калий и кальций. Они не взаимозаменяемы, их нельзя заменить и другими веществами. С конца XIX в. относительно быстро развивалось производство калийных и фосфорных удобрений. В 1975 г., например, произведено около 24 млн. т калийных удобрений (К₂О). К концу XX в. их ежегодный объем увеличился вдвое. На каждый гектар полевых угодий вносится в среднем около 100 кг калийных удобрений. Несмотря на то что фосфор содержится в почве (в слое пахотной земли толщиной 40 см на площади 1 га рассеяно около 20 т фосфорного удобрения в пересчете на Р₂О₅), он весьма медленно попадает к растениям, и некоторые виды почв нуждаются в фосфорных удобрениях. В 1975 г. во всем мире их произведено примерно 30 млн. т.

Для повышения урожайности многих культурных растений нужны азотные удобрения. Их производство 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, а в 2000 г. — примерно в два раза больше. С каждым килограммом азотных удобрений, внесенных на 1 га почвы, урожайность зерновых культур увеличивается на 8—11 кг, картофеля — на 90 кг, кормовых трав — на 100 кг.

Примерно с середины XX в. в поле зрения агрохимиков попали микроэлементы: бор, медь, марганец, молибден, цинк и др. Потребность в них не велика — всего несколько сотен граммов на 1 га, но без них существенно снижается урожайность. С 1970 г. налажено производство комплексных удобрений, содержащих все необходимые растениям микроэлементы. 312

Совсем недавно сроки внесения удобрений и их дозы определялись эмпирически, что не всегда оказывалось эффективным и рациональным. В последнее время 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 подобных искусственных условиях собирают, например, не менее шести урожаев томатов в год, причем урожайность составляет около 400 кг овощей с 1 м².

В средствах массовой информации иногда необоснованно утверждается об опасности для здоровья человека продукции, выращенной с применением минеральных химических удобрений. Однако такое утверждение нельзя считать доказанным. Напротив, оптимальное количество минеральных удобрений способствует существенному повышению урожайности. Вместе с тем нарушение агрохимических правил, регламентирующих дозы и сроки внесения минеральных удобрений, приводит к чрезмерному их накоплению в почве и попаданию в водные источники, что соответственно ухудшает плодородие почвы и загрязняет водоемы.

В настоящее время урожайность культурных растений, выращенных с применением минеральных удобрений, повышается в среднем на треть. Однако производство удобрений в различных странах колеблется в широких пределах. Почти 80 — 90% всех минеральных удобрений производится и потребляется в Европе, Японии и Северной Америке.

Фиксация азота. Аммиачные азотные удобрения синтезируются из азота воздуха и водорода при температуре 500°С и давлении 300 атм и наличии катализатора (железа в сочетании со щелочным металлом). При их производстве потребляется большое количество энергии. А это означает, что азот воздуха превращается в полезный и нужный продукт с большими затратами. Поэтому с давних времен ведется поиск более эффективных способов обогащения почвы азотом.

В процессе роста многие растения поглощают азот преимущественно из почвы, и многолетний севооборот способствует его пополнению. Вместе с тем некоторые растения сами способны превращать элементный азот воздуха в необходимые им соединения. Каков же механизм такого превращения? Наблюдения показали, что в этом процессе участвуют бактерии и водоросли, восстанавливающие атмосферный азот до аммиака. Происходит важнейший естественный процесс — фиксация азота. Фиксированный азот затем превращается растениями в аминокислоты, белки и другие органические соединения. Растения семейства бобовых (соя, люцерна и др.) фиксируют азот с помощью клубеньковых бактерий, жи-

вущих на их корнях. Около 170 разновидностей небобовых растений также способны фиксировать азот. Природными фиксаторами азота являются некоторые свободно живущие бактерии и синезеленые водоросли.

В результате биохимических исследований установлено, что в фиксации азота участвует фермент, называемый нитрогеназой. Специально разработанные способы очистки и спектроскопические исследования позволили выяснить механизм фиксации азота под действием фермента нитрогеназы (рис. 7.12). Возможно, в ближайшем будущем проблема фиксации азота по принципу действия клубеньковых бактерий будет успешно решена в искусственных условиях в больших масштабах.

В настоящее время развивается еще одно важное направление исследования фиксации азота, с учетом генетической природы растений. Применение генных технологий и разработка новых методов наблюдения и контроля развития и старения растений будут способствовать более полному раскрытию механизма фиксации азота и созданию штаммов, эффективно фиксирующих азот. Весьма важная задача — распространить природную способность фиксировать азот на многие культурные растения, т.е. сделать их самоудобряющимися.

Роль белков в питании. Основу питательных веществ 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 314

нормальной жизнедеятельности организма человека ежедневная норма потребления белков составляет для взрослых до 1 г, а для детей 2—3г на килограмм массы тела. Ежедневное потребление белков для взрослых — 60 —100 г. Однако эти нормы, рекомендованные специалистами, не всегда выполняются. Например, если в промышленно развитых странах на душу населения в сутки приходится 85—95 г белков, то в слаборазвитых странах — 50 г. Потребность населения в белках постоянно растет (рис. 7.13). Более 60% потребляемых белков имеют растительное происхождение. Семена культурных растений: пшеницы, риса, кукурузы, сои и др. — отличаются повышенным содержанием белков (9 — 20 %).

Из 20 аминокислот белков, необходимых для жизнедеятельности организма человека, только 12 синтезируются самим организмом. Остальные, в том числе лизин, метионин, и др., должны поступать с пищей, причем содержание их в большинстве растительных продуктов сравнительно невысокое. В то же время по химическому составу белки животного происхождения подобны белкам организма человека, и потребность в некоторых аминокислотах легче удовлетворить за счет мясной пищи. На первый взгляд может показаться, что проблему производства белков можно

легко решить увеличением производства продуктов животноводства. Однако проблема гораздо сложнее: для роста животных требуется огромное количество ценных белков.

Большие резервы белков сосредоточены в листьях растений. Однако извлечение белков из них 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 более чем на 50%. В результате генетической операции удалось повысить содержание лизина в белке кукурузы и пшеницы с 2 до 4%. В птицеводстве и свиноводстве применяется обогащенная метионином соевая мука, содержащая сравнительно много белков.

В последние десятилетия большое внимание уделяется разработке и производству пищевой биомассы с большим содержанием белков. Современные средства биотехнологии позволяют производить искусственные белковые вещества из древесных отходов, нефти и ее продуктов, а также из природного газа. Искусственные белковые питательные вещества широко используются в животноводстве. Разработанные сравнительно недавно методы генной технологии ставят на более высокий уровень биотехнологический процесс производства ценнейших белковых продуктов.

Одно из важных направлений современной микробиологии 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. 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 эта цифра достигает 60 кг. Чрезмерное потребление сахара или других продуктов питания 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. Традиционные способы увеличения продовольственных ресурсов основаны на совершенствовании технологии производства и хранения продуктов питания. В производственном процессе необходимо прежде всего восстанавливать состав и структуру почвы, чтобы сохранять ее плодородие. На всех стадиях производства продуктов питания и при их хранении важную роль играют естественно-научные знания, поскольку они позволяют понять природу микропроцессов в живых системах, изучить влияние на них различных веществ, способствующих увеличению продовольственных 316

ресурсов. К таким веществам относятся гормоны, феромоны, защитные и питательные вещества. Они оказывают активное действие на домашних животных, культурные растения и их естественных вредителей.

В производстве сельскохозяйственной продукции весьма важна эффективная борьба с вредителями. В недавнем прошлом основное внимание уделялось поиску химических веществ для уничтожения вредных насекомых. Однако их массовое применение приводит к нарушению природного баланса и засорению окружающей среды. Многолетний опыт показал, что рациональнее контролировать воздействие вредных насекомых, а не истреблять их полностью. В результате исследования биохимических процессов в самих организмах стало возможным ограничить наносимый вредителями ущерб такими средствами, которые безопасны для природы даже при их длительном применении.

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 фо-тосинтезирующие бактерии используют солнечную энергию для стимулирования химических реакций превращения диоксида углерода и воды в органические соединения с одновременным выделением молекулярного кислорода. 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. 7.14.

Изучение фотосинтеза начинается с 1630 г., когда известный голландский естествоиспытатель Ян Гельмонт (1579—1644) доказал, что растения получают питательные вещества из

воздуха. Проведенный ученым опыт достаточно прост. Взвесив землю в горшке, он посадил в него побег ивы. Через пять лет он взвесил землю и растение. Масса ивы оказалась в несколько раз больше первоначальной, а масса земли изменилась незначительно. Гораздо позднее, в 1771 г. английский химик Джозеф Пристли (1733—1804) сделал еще один важный вывод: благодаря растениям воздух очищается и становится пригодным для дыхания. Такой вывод следовал из поставленного им опыта с мышью, помещенной под гер-

метический колпак. Продолжительность ее жизни заметно увеличивалась, если под колпаком одновременно находилось растение. В процессе дальнейших исследований выяснилось, что растения выделяют кислород, необходимый для жизни многих организмов. Дж. Пристли известен также как ученый, впервые открывший в 1774 г. кислород.

Клетки растений можно представить в виде химических фабрик, производящих в процессе фотосинтеза углеводородные соединения, составляющие основу растений. Установлено, что энергия, необходимая для фотосинтеза, примерно на две трети обеспечивается излучением в красной и ближней инфракрасной области солнечного спектра. Кроме того, фотосинтез включает взаимодействие многих молекул хлорофилла. При этом, как предполагается, центром фотореакции являются два параллельных хлорофилловых кольца, удерживаемых на близком расстоянии друг от друга водородными связями между аминокислотными группами. Все эти сведения весьма важны для понимания сущности фотосинтеза. Воспроизведение фотосинтеза в лабораторных условиях стало 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.

Средства сохранения здоровья. Лекарственные препараты от различных заболеваний применяются еще с древних времен, но лишь в последние 100 лет благодаря развитию биохимии и микробиологии синтезировано более 95% видов лекарств. Эффективность лечения во многом определяется наличием лекарств. Благодаря эффективным лекарственным препаратам вытеснена чума, возникли перспективы излечения от многочисленных инфекционных заболеваний, резко снизилась детская смертность и т. д.

В последнее время разработаны новые методы синтеза фармакологически активных соединений и на основании их получены новые эффективные препараты, регулирующие активность ферментов и рецепторов. Участвуя в большинстве химических превращений, происходящих в живых организмах, ферменты действуют через химических посредников, называемых гормонами и медиаторами. Они регулируют химические превращения и в результате управляют важнейшими процессами жизнедеятельности — сокращением мышц, выделением адреналина и др. Вещество, подавляющее активность фермента, называется его ингибитором. Разработанные ингибиторы ферментов весьма эффективны в лечении гипертонии, атеросклероза, астмы и других болезней. 318

Рецепторы — макромолекулы, инициирующие биологические процессы. При активации соответствующими гормонами они распознают и связывают биологически активные молекулы, вступившие в каталитическое и регулирующее взаимодействие. Существует 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. Соединения-антагонисты эффективны при лечении сердечно-сосудистых заболеваний, рака, расстройства центральной нервной и эндокринной систем.

В 30-х годах XX в. установлено, что некоторые органические соединения оказывают канцерогенное действие на подопытных животных. Сегодня полагают, что ряд природных и синтетических соединений, содержащихся в окружающей среде, могут способствовать возникновению раковых заболеваний. Различные химические канцерогены образуют кова-лентные связи с клеточными макромолекулами (белками, РНК, ДНК), что и приводит к раковым заболеваниям. При этом происходит злокачественное перерождение клеток, которое связано с изменением структуры ДНК. Открыто более сотни генов, мутации которых способствуют превращению нормальной клетки в опухолевую — это онкогены и гены-супрессоры опухолей. К настоящему времени химики-органики умеют определять последовательность нуклеотидов в нормальном гене и онкогене, а также последовательность аминокислот в белках, кодируемых данными генами, что является весьма важным шагом при разработке терапевтических средств лечения.

Вначале раковые заболевания пытались лечить 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 орга-

низма и вторжению в него посторонних веществ. К настоящему времени установлены ферменты и другие белки, фиксирующие чужеродные тела и координирующие ответную реакцию организма. Клетки плазмы, продуцируемые белыми кровяными тельцами, выделяют в кровь антитела, которые нейтрализуют чужеродные вещества, способные вызывать заболевание. Хотя химическая природа молекул антител известна, но предстоит еще разработать эффективные средства лечения 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. 7.15). С потоком крови они переносятся по всему организму, оказывая на него вредное воздействие. Так, тяжелые металлы замедляют рост и умственное развитие детей,

вызывают болезни нервной системы, почек и печени. Радионуклиды вызывают повреждения в наследственном веществе, снижение иммунитета, онкологические заболевания.

После аварии на Чернобыльской АЭС активизировался поиск препаратов, очищающих организм человека от радиоактивных атомов. Была поставлена задача разработать препараты, 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, которые 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.

7.11. 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 55 — 85 лет, а в развитых странах — около 70. Человек может жить 100 лет и более, и такие случаи не редкость, например, в селениях горного Кавказа. Это означает, что потенциальные возможности долголетней жизни пока не исчерпаны. Проблема продления жизни организма актуальна и по сей день, и ее решением занимаются геронтологи, медики, биохимики, психологи и другие ученые многих стран.

Предполагается, что процесс старения обусловлен нарушением ферментативных реакций, вызываемым различными отклонениями в гормональной системе организма. Современные медицинские средства позволяют корректировать работу гормональной системы и, казалось бы, успешно решать проблему продления жизни. Однако это оказалось не так уж просто.

Первые систематические опыты по выявлению влияния различных
факторов на продолжительность жизни проводились на подопытных дро
зофилах и дафниях. Установлено, что при ограничении содержания пита
тельных калорий в качественной и разнообразной пище продолжитель
ность их жизни увеличивается в 3—3, 5 раза. При точной дозировке бел
ков в пище, составляющей около 14%, удваивается средняя продолжи
тельность жизни крыс. Продлению жизни способствуют аминокислоты
(цистин), некоторые витамины, анаболические стероиды, необходимые
для синтеза белков в организме, и т.п.
21 - 3290 321

Целенаправленные опыты применения разнообразных биохимических препаратов помогают выявить физико-химическую и биологическую природу механизма старения организма, синтезировать препараты, селективно влияющие на организм, т.е. продлевающие жизнь отдельным органам: печени, сердцу, мозгу и т.п. Важнейшим результатом подобных опытов будет синтез универсального препарата против старения.

Энтропийный характер старения. С давних времен ученые пытаются раскрыть механизм старения и найти способы его предотвращения. Однако до сих пор многое остается загадкой, хотя кое-что удалось выяснить совсем недавно.

Иногда встречаются весьма необычные люди. Они могут долгое время находиться без сна, не подвергаться действию опасных вирусов и т.п. Однако нет человека, неподвластного старению. Всем известно, что все живое стареет и в конце концов умирает, т.е. переходит в другую форму материи. Стареют, ветшают и приходят в непригодность даже объекты неживой природы: здания, мосты, 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 этом смысле можно говорить об энтропийном характере старения объектов живой природы.

Разрушение происходит само собой, а процессы развития и созидания требуют затрат энергии. Для создания и поддержания устойчивого существования любой упорядоченной структуры необходим приток энергии. Живые организмы относятся к открытым термодинамическим системам: растения поглощают солнечную энергию, в результате чего образуются органические вещества, при потреблении которых организмы животных обеспечивают 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 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, т.е. противостоять старению. Такое противостояние можно представить как единство и борьбу проти-322

воположностей, т.е. как проявление диалектического закона природы, предписанного генетической программой, неоднократно воспроизводимой живым организмом и передаваемой следующим поколениям.

Механизм старения и продолжительность жизни. В утверждении «все живое подвержено старению» содержится некоторая неточность. Что происходит, когда живая клетка или бактерия в процессе размножения делится пополам? Живая клетка при этом не стареет и не погибает, а дает начало другим клеткам, которые в свою очередь снова делятся и т.д., т.е. она остается фактически 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 приводят определенные аргументы.

В многоклеточных организмах значительная часть клеток не может постоянно делиться — они выполняют другие функции: обеспечивают 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 множество соматических клеток, направлено на поддержание бессмертия половых клеток.

Каков же механизм старения соматических клеток? Установлено, что каждая из них способна делиться не более 50 раз. Постепенное старение всего организма обусловлено тем, что его соматические клетки исчерпывают отпущенное на их долю число делений, после чего клетки стареют и погибают. Возможны случаи, когда соматические клетки, нарушая такое правило, делятся непрерывно, воспроизводя свои копии. Однако подобное деление ни к чему хорошему не приводит — ведь именно так появляется в организме опухоль, часто приводящая к гибели всего организма.

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 потреблять лишь определенное количество энергии и, исчерпав ее, погибает.

Интенсивность обмена веществ и общее потребление кислорода зави
сят от размера животного. Чем больше интенсивность обмена веществ,
21* 323

тем меньше продолжительность жизни. Малая масса тела и высокий обмен веществ обусловливают небольшую продолжительность жизни. Однако из этого простого правила существует немало исключений. В частности, суммарные затраты энергии, приходящиеся на единицу массы тела человека, очень велики, а продолжительность его жизни в четыре раза больше, чем должна бы быть при соответствующем таким затратам обмене веществ. Как выяснилось сравнительно недавно, причина заключается в одном важном факторе, определяющем продолжительность жизни, — парциальном давлении кислорода. Концентрация кислорода в воздухе — около 21%. Ощутимое ее изменение 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.

Сама по себе молекула кислорода и продукт ее полного восстановления — вода — не токсичны. Однако восстановление кислорода сопровождается образованием повреждающих клетки продуктов: супероксидного анион-радикала, пероксида 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 безобидный пероксид водорода и в молекулярный кислород. Пероксид водорода разрушается другими ферментами — ката-лазой 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 образования активных форм кислорода замедляется углекислым газом, содержащимся в крови. 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. д. 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, обладающих повышенной химической активностью. Свободные радикалы могут образовываться в клетках под действием радиации, некоторых химических 324

реакций и перепадов температуры. Но все же главный источник свободных радикалов — восстановление молекул 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 антиоксидантов, тем меньше степень их повреждения активными формами кислорода, тем дольше они живут. Поэтому некоторые клетки крови 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, повреждающих клетки.

Результаты исследований последнего времени позволили выработать стратегию поиска средств против старения. Так, удалось увеличить в полтора раза жизнь лабораторных животных, вводя в их рацион сильные ан-тиоксиданты. Введение антиоксидантов типа супероксиддисмутазы защищает их от токсичного действия кислорода и способствует увеличению продолжительности их жизни. Это вселяет надежду на то, что анти-оксиданты можно использовать как эффективное средство против старения человека. Установлено, что из множества антиоксидантов, содержащихся в продуктах питания и с помощью которых можно усилить

защиту организма от старения и болезней, особенно важны витамины А, С, Е и микроэлемент селен.

В современном понимании процесс старения запрограммирован генетически, поэтому проблема продления жизни организма должна решаться современными средствами молекулярной биологии и генных технологий. Предполагается, что в старении повинны полифункциональные соединения в виде продуктов обмена веществ, например яблочной, янтарной и фу-маровой кислоты, а также радикалов. Между двумя молекулами этих веществ возникают мостиковые связи, что приводит к накоплению дефектных белков и функциональному нарушению работы клеток, а 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 в работе клеток и вызывающих их факторов, тем быстрее проходит процесс старения. Известно, что свободные радикалы приводят к существенным отклонениям в работе ферментов репараций. Поэтому 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 in vitro 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 — теломераза, способствующий наращиванию концов хромосом — теломер, которые неизбежно укорачиваются при рождении клеточных поколений. Появились сообщения о том, что в организме человека теломеры хромосом могут удлиняться без участия теломеразы.

По оценкам специалистов, в настоящее время на земном шаре живут примерно 100 000 человек в возрасте свыше ста лет. Проводятся целенаправленные эксперименты, обсуждаются различные мнения и гипотезы — 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 лет и более. 326

7.12. ФОРМИРОВАНИЕ НООСФЕРЫ

Появление научной мысли в биосфере в перспективе неизбежно полностью ее видоизменит. 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 темпом воздействует на биосферу, активно захватывая все занимаемое ею пространство, меняя облик земной поверхности. По убеждению академика В.И Вернадского, преобразование биосферы грядет неизбежно и необратимо. Такая точка зрения была высказана им в начале 30-х годов XX в. и со скептицизмом воспринята научным сообществом тех лет. Ученый назвал трансформированную биосферу ноосферой. Под ноосферой он понимал не выделенный над биосферой «мыслящий пласт», а качественно новое ее состояние. Известны и более ранние переходы биосферы в подобные состояния, сопровождавшиеся почти полной ее перестройкой. Но современный переход представляет собой нечто особенное, ни с чем не сравнимое.

Свой анализ процесса трансформации биосферы в ноосферу В.И. Вернадский заканчивал следующими обобщениями.

— Ход научного творчества является той силой, при помощи которой
человек меняет биосферу. Изменение биосферы после появления в ней че
ловека — неизбежное явление, сопутствующее росту научной мысли.

— Изменение биосферы не зависит от человеческой воли, оно сти
хийно, как природный естественный процесс.

— Научная работа человечества есть природный процесс, сопровож
даемый переходом биосферы в новое, более упорядоченное состоя
ние — ноосферу.

— Такой переход выражает собой «закон природы». Поэтому появ
ление в биосфере рода Homo (человека) есть начало новой эры в истории
планеты.

— Человек может рассматриваться как определенная функция био
сферы, в определенном ее пространстве—времени. Во всех своих проявле
ниях 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 остано
виться и пойти назад. Биосфера же неизбежно, рано или поздно, перейдет
в ноосферу. И в истории народов, населяющих планету, произойдут нуж
ные для этого события, а не события, этому противоречащие.

Что можно сказать по поводу перехода биосферы в ноосферу с точки зрения современной концепции развития? Во-первых, процесс трансформации биосферы — это объективная реальность. Мы все, живущие на Земле, язляемся свидетелями и в определенной мере участниками этого пере-

ходного процесса, даже если не отдаем себе отчета 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, в основе современных представлений об этом процессе лежит предложенная В.И. Вернадским концепция формирования ноосферы.

Контрольные вопросы