Η φυσική κάνει τη γήρανση αναπόφευκτη—Απάντηση σε σχόλια
Όταν δημοσίευσα το Life’s Ratchet Πριν από τέσσερα χρόνια, επικεντρώθηκα στο πώς η ζωή μπορεί να δημιουργήσει και να διατηρήσει εξαιρετικά τακτοποιημένα συστήματα παρουσία του περιβάλλοντος μοριακού χάους - πώς οι μοριακές καστάνια, με άλλα λόγια, «εξάγουν τάξη από το χάος». Προς έκπληξή μου, το βιβλίο προκάλεσε μεγάλο ενδιαφέρον στον τομέα της έρευνας για τη γήρανση. Η γήρανση, λέει ο Ed Lakatta, επικεφαλής του Εργαστηρίου Καρδιαγγειακής Επιστήμης στο Εθνικό Ινστιτούτο Γήρανσης, αποσπά το «χάος από την τάξη».
Ως μέρος αυτού του εκπληκτικού ενδιαφέροντος, προσκλήθηκα πρόσφατα να γράψω ένα άρθρο για τον Nautilus , το οποίο προκάλεσε σημαντικό όγκο σχολίων, συμπεριλαμβανομένου αυτού του νήματος σχολίων στο Hacker News. Θα ήθελα να απαντήσω σε μερικά από αυτά τα σχόλια εδώ.
Μερικά επαναλαμβανόμενα θέματα στα σχόλια είναι ότι 1) είμαστε ανοιχτά, θερμοδυναμικά συστήματα και επομένως δεν υπόκεινται σε αύξηση της εντροπίας (καθώς μπορούμε πάντα να λαμβάνουμε περισσότερη ενέργεια χαμηλής εντροπίας από το περιβάλλον). 2) Τα κύτταρά μας διαθέτουν συστήματα επισκευής που μπορούν να φροντίσουν για οποιαδήποτε βλάβη μπορεί να συμβεί. και 3) υπάρχουν «αθάνατα» κύτταρα και οργανισμοί, που έρχονται σε αντίθεση με τον ισχυρισμό μου ότι η γήρανση είναι αναπόφευκτη.
Το πρώτο και το δεύτερο σημείο έχουν ουσιαστικά την ίδια απάντηση:Είναι απολύτως σωστό ότι είμαστε ανοιχτά συστήματα. Αυτό περιγράφω λεπτομερώς στο Life’s Ratchet . Η πρόσληψη ενέργειας χαμηλής εντροπίας είναι ο λόγος που η μοριακή μας μηχανή μπορεί να εξάγει τάξη από το μοριακό χάος. Ωστόσο, το μοριακό χάος είναι πάντα παρόν και μικροσκοπικά, τα μόρια στα κύτταρά μας καταστρέφονται συνεχώς. Σε αντίθεση με άλλα θερμοδυναμικά ανοιχτά, αυτοοργανωμένα συστήματα, όπως ο τυφώνας, τα ζωντανά συστήματα είναι απίστευτα αυστηρά ελεγχόμενα συστήματα, που αποτελούνται από πολύπλοκους βρόχους ανατροφοδότησης και ρύθμισης που αλληλοσυνδέονται. Αυτοί οι βρόχοι ανάδρασης βασίζονται όλοι σε εξαιρετικά προσαρμοσμένες και κατασκευασμένες μοριακές μηχανές, άθικτο DNA για την παροχή του σχεδιαγράμματος και έγκαιρη και ακριβή ρύθμιση και σηματοδότηση. Αυτά τα συστήματα αλληλεπιδρούν σε μια ιεραρχία μορίων, οργανιδίων, κυττάρων, αλληλεπίδρασης κυττάρου-κυττάρου, ιστών, οργάνων και οργανισμών. Έχουν ενσωματωμένα πολλά συστήματα αποθήκευσης, πλεονασμού και επισκευής.
Ωστόσο, τελικά ορισμένα από αυτά τα συστήματα καταστρέφονται ελαφρά. Η παροχή ενέργειας επιβραδύνεται, οι αλυσίδες σηματοδότησης διακόπτονται, ο χρονισμός του βρόχου ανάδρασης είναι λίγο εκτός λειτουργίας, τα κατεστραμμένα μόρια δεν απομακρύνονται από τα κύτταρα και συσσωρεύονται, οι μοριακές μηχανές χάνουν τη λειτουργία τους ή αποτυγχάνουν να ενεργοποιηθούν. Αυτή η απώλεια λειτουργίας προκαλεί πρόσθετη απώλεια λειτουργίας σε άλλα συστήματα, λόγω της αμοιβαίας αλληλεξάρτησης όλων των συστημάτων στον οργανισμό. Αυτό οδηγεί σε έναν αυξανόμενο καταρράκτη αποτυχίας.
Η έναρξη αυτής της διαδικασίας είναι απλώς θέμα πιθανότητας σε έναν τεράστιο αριθμό κελιών και συναρτήσεων. Μπορείτε να προσπαθήσετε να αποτρέψετε την αποτυχία ενός συστήματος, αλλά υπάρχουν πολλά άλλα που θα αποτύχουν. Και το σύστημα που κάποιος προσπάθησε να αποτρέψει την αποτυχία εξαρτάται από τα άλλα, επομένως δεν θα μείνει ανεπηρέαστο μακροπρόθεσμα. Τα συστήματα επισκευής στα κύτταρά μας είναι υπέροχα—μας επιτρέπουν να ζήσουμε έως και 80 και πλέον χρόνια. Ζούμε περισσότερο από οποιοδήποτε θηλαστικό συγκρίσιμου μεγέθους και καρδιακών παλμών. Θα μπορούσαμε να ζήσουμε ακόμα περισσότερο; Κατ' αρχήν, τα συστήματα επισκευής θα μπορούσαν να βελτιωθούν, αλλά η απόλυτη πολυπλοκότητα καθιστά αυτό μια προοπτική που θα διαρκέσει πολλά, πολλά χρόνια. Αλλά θα είμαστε πάντα υποκείμενοι στο παιχνίδι των πιθανοτήτων, το οποίο θα χάσουμε στο τέλος.
Στο τρίτο σημείο, ορισμένοι αναγνώστες ανέφεραν ότι υπάρχουν «αθάνατοι» οργανισμοί. Ένα πράγμα που παρατηρεί κανείς σχετικά με αυτούς τους αθάνατους οργανισμούς είναι ότι είναι όλοι πολύ απλοί:τυπικά μονοκύτταροι ή τουλάχιστον εξαιρετικά αδιαφοροποίητοι. Παραδείγματα είναι τα βακτήρια, αλλά και πλάσματα όπως η λεγόμενη «αθάνατη μέδουσα». Η αθάνατη μέδουσα περνά από ένα στάδιο όπου αντιστρέφει την αναπτυξιακή της διαδικασία. Στην ουσία, επιστρέφει από έναν ενήλικα στο στάδιο της προνύμφης, το οποίο στη συνέχεια μπορεί να εξελιχθεί σε νέους ενήλικες. Αυτό μπορεί, φαίνεται, να συνεχιστεί επ 'αόριστον, καθιστώντας τις μέδουσες "αθάνατες".
Αυτό, εκ πρώτης όψεως, φαίνεται εκπληκτικό. Ωστόσο, από κάποια άποψη, οι άνθρωποι κάνουν το ίδιο πράγμα! Οι γεννητικές μας γραμμές είναι επίσης «αθάνατες». Αλλά αυτό είναι διαφορετικό από τη γήρανση ενός ενήλικα, πολύπλοκου ατόμου. Σε σύγκριση με τη διατήρηση της μοριακής και συστημικής τάξης σε έναν πολύπλοκο οργανισμό για πολλά χρόνια, η διατήρηση του DNA σε ένα ανθρώπινο ωάριο εύλογα σταθερό είναι ένα σχετικά εύκολο έργο. Παρόλα αυτά και εκεί υπάρχει υποβάθμιση με την πάροδο του χρόνου. Αυτός είναι ο κύριος λόγος που αναπαράγουμε γενικά σε νεαρή ηλικία και ότι οι γενετικές ανωμαλίες γίνονται πιο διαδεδομένες στις ηλικιωμένες μητέρες και μπαμπάδες.
Όσο για τις μέδουσες, ως ενήλικες, σαφώς δεν είναι αθάνατες, καθώς πρέπει να «πεθάνουν» για να επιστρέψουν στο στάδιο της προνύμφης. Επίσης, πιθανότατα δεν θα κάνουν όλες οι μέδουσες με επιτυχία αυτή τη μετατροπή, επομένως η «αθανασία» είναι σε επίπεδο πληθυσμού, όχι σε ατομικό επίπεδο. Αλλά αν αυτός είναι ο ορισμός της «αθανασίας», τότε και οι άνθρωποι είναι αθάνατοι! Αλλά συνήθως δεν θα χρησιμοποιούσαμε αυτόν τον ορισμό.
Επιπλέον, τα κανονικά (σωματικά) ανθρώπινα κύτταρα μπορούν επίσης να γίνουν αθάνατα. Αυτό ονομάζεται καρκίνος. Ο καρκίνος και η γήρανση είναι οι δύο όψεις του ίδιου νομίσματος της μοριακής διαταραχής. Εάν τα κύτταρά μας δεν πέθαιναν κάποια στιγμή, η μοριακή διαταραχή και η βλάβη του DNA θα αύξαναν συνεχώς την πιθανότητα τα κύτταρα να παραβιάσουν και να γίνουν καρκινικά. Το κόστος της διατήρησης των κυττάρων μας σε ευθυγράμμιση είναι η αυστηρή ρύθμιση της κυτταρικής διαίρεσης, ανάπτυξης και διαφοροποίησης. Το κόστος αυτής της αυστηρής ρύθμισης, που αντιμετωπίζει την επίθεση θερμικών και χημικών βλαβών, γερνάει.
Ο Peter Hoffmann είναι καθηγητής φυσικής στο Wayne State University και αναπληρωτής κοσμήτορας έρευνας στο Κολέγιο Φιλελεύθερων Τεχνών και Επιστημών.
