İnsan vücudunun yaşlanmasını kaçınılmaz kılan biyoloji değil fiziktir.
Yazar: Peter Hoffmann
Tercüme: Küçük Acemi Keşiş
Yorumcu: Alex Yuan
Peter Hoffmann, Wayne Eyalet Üniversitesi'nde fizik profesörü ve Beşeri Bilimler ve Sanat Enstitüsü'nün dekan yardımcısıdır.
Kaç hastalığı tedavi edersek edelim, mikroskobik termofiziksel mekanizmalar yaşlanmamıza neden olacaktır.
İnsan vücudumuzun her hücresinin içi, bu şehirdeki demiryolları, ulaşım, kütüphaneler, fabrikalar, enerji santralleri ve çöp imha tesisleri ile kalabalık bir şehir gibidir. Bu şehirdeki işçiler "protein makineleri" dir. Yiyecekleri metabolize ederler, çöpleri çıkarırlar veya DNA'yı onarırlar. Ürünler, protein zincirleri boyunca yürüyen "moleküler makineler" ile bir yerden başka bir yere taşınır. Bu makineler çalışırken, saniyede trilyonlarca kez bu makinelerle çarpışabilen çok sayıda su molekülü ile çevrilidirler. Fizikçiler bu tür harekete "termal hareket" ve kullanım "diyorlar. "Şiddetli etki", bu tür termal egzersizi tanımlamak için daha uygun olabilir.
Bu moleküler makineler böylesine zor bir ortamda nasıl düzenli bir şekilde çalışıyor? Bunun bir nedeni, hücrelerdeki proteinlerin, kendilerine çarpan su moleküllerinin enerjisini, hücrenin çalışması için gereken enerjiye dönüştürebilmesidir.Orijinal düzensiz şoku, hücrenin düzenli çalışması için enerjiye dönüştürürler.
Dört yıl önce, "moleküler makinelerin" hücrelerimizde nasıl düzenli bir durum yarattığını açıklayan "Yaşamın Dikenleri" adlı bir kitap yayınladım. Asıl endişem, kaosa doğru düzenli bir evrimden nasıl kaçınılacağıdır. Sürpriz bir şekilde, bu kitabın yayınlanmasından kısa bir süre sonra, biyolojik yaşlanma üzerine çalışan bazı araştırmacılar benimle iletişime geçti. İlk başta, kitabım ve araştırma içeriği arasında herhangi bir bağlantı fark etmedim. Kendi bedenimin değişme sürecinde gözlemlediğim fenomenler dışında biyolojik yaşlanma hakkında hiçbir şey bilmiyorum. Sonra aniden anladım ki termal egzersizin "moleküler makineler" üzerindeki etkisini vurgulayarak, araştırmalarım onları termal egzersizi yaşlanmanın itici bir faktörü olarak düşünmeye sevk etti. Termal hareket kısa vadede faydalı görünüyor. "Moleküler makinemizi" daha dinamik hale getiriyor, ancak uzun vadede zararlı olabilir. Sonuçta, harici enerji girdisinin yokluğunda, rastgele termal hareket yok etme eğilimindedir. Sistemin düzeni.
Bu eğilim, her şeyin yaşlanma ve bozulma yasasını açıklayan termodinamiğin ikinci yasasının bir tezahürüdür: cansız yapılar termal hareketin neden olduğu yıkıma dayanamaz, ancak canlı bedenler farklıdır. "Protein makineleri" olabilir. Yaşlanmaya "direnmek" için hücreleri sürekli iyileştirir ve yeniler. Bu açıdan, yaşamın nihai olarak hayatta kalması, biyolojik mekanizmalar ("protein mekanizması") ile fiziksel mekanizmalar (termal hareket) arasındaki mücadelenin sonucuna bağlıdır. Öyleyse neden yaşam formları sonunda ölür? Yaşlanma, fiziksel mekanizmalar biyolojik mekanizmaları bozduğu için mi yoksa biyolojik mekanizmaların kendisinin bir parçası mı?
Yaşlanmayla ilgili modern araştırmaların çığır açan çalışması, Sir Peter Medawa'nın "Çözülmemiş Biyolojik Problemi" dir. Sir Medawah, Nobel ödüllü bir biyologdur. "Çözülmemiş Biyolojik Sorun" da, canlı organizmaların yaşlanması için iki açıklama önerdi: biri "doğuştan yaşlanma" veya Canlılar için gerekli olduğu söylenen diğeri ise kümülatif bir etki olan "yıpranma teorisi" dir. İlki biyolojik bir mekanizmadır ve ikincisi fiziksel bir mekanizmadır.
Doğuştan gelen yaşlanma, yaşlanmanın ve ölümün türlerin evrimi tarafından belirlendiği anlamına gelir ve amaç, genç nesile yer açmaktır. Bu açıklama, hayatımız boyunca doğal olarak hayatta kalabileceğimiz zamanı geri sayan bir usta saat olduğunu göstermektedir. Biyolojik araştırmada gerçekten de böyle bir "saat" vardır ve bunlardan en ünlüsü telomer teorisidir. Telomer çalışmaları her zaman tartışmalı olmuştur: telomerlerin kısalmasının yaşlanmanın nedeni mi yoksa yaşlanmanın etkisi mi olduğu açık değildir. Araştırmada telomerlerin sabit bir miktarda kısaltılamayacağı, hücre bölünmesinden sonra biraz kısalacağı, ancak hücre hasar görürse hızı daha hızlı kısaltacağı bulunmuştur. Pek çok araştırmacı, telomer kısalmasının yaşlanmanın nedeninden çok yaşlanmanın sonucu olduğuna inanıyor.
Canlı bedenlerin hücre onarımı fiziksel yıkımla mücadele ediyor
Medawa "aşınma teorisini" desteklemektedir. Her şeyden önce, doğal seçilimin yaşlanmayı seçeceğine inanması zordur, çünkü insanlar yaşlandıklarında çoğalamazlar ve doğal seçilim, üreme oranlarındaki farklılıklar yoluyla evrimleşir. İkincisi, yaşlanan nüfusu kontrol altına almak için yaşlıları kasten öldürmeye gerek yoktur, çünkü bu yaşlanan nüfus rastgele ölecektir.
Medawa, biyolojik yaşlanmayı kontrol etmek için bir "ana saat" in gereksiz olduğuna inanıyor. Nedeni açıklamak için cansız bir örneğe dikkat çekti: laboratuvardaki test tüpleri. Test tüplerinin ara sıra kırıldığını varsayarsak, toplam test tüpü sayısını sabit tutmak için her hafta yeni test tüpü malzemeleri satın alınmalıdır Birkaç ay geçtikten sonra, kaç yeni test tüpü ve kaç eski test tüpü var? Kazara kırılma olasılığının yalnızca test tüplerinin kaç yaşında olduğu ile ilgili olduğunu varsayarsak (bu makul bir varsayımdır) ve test tüplerinin sayısını ve her bir test tüpünün yaşını çizersek, üstel bir bozulma eğrisi elde edebiliriz. Bu "yaşam eğrisi" üstte keskin bir şekilde düşer ve altta düzleşir.
Test tüpü yaşlanmasa bile (eski test tüplerinin yırtılması yeni test tüplerine göre daha kolay değildir), zamanla sürekli yırtılma olasılığı eski test tüplerinin sayısını daha da azaltacaktır. (Bilgisayar simülasyon eğrisi için yukarıdaki şekle bakın) . İnsan ölümü olasılığının tüp yırtılma olasılığıyla aynı olduğunu varsayarsak, insanlar her yaşta ölebilir ve yaşlıların sayısı hala çok azdır.
Bununla birlikte, insan nüfusu yaşam eğrisini çizmek Medavao'nun test tüpü eğrisi kadar kolay değildir. Bu eğri başlangıçta oldukça düzdür ve gençken küçük bir düşüşe sahiptir (doğum hariç). Sonra belirli bir yaşta eğri aniden düşer. Böyle bir eğri elde etmek için, Medawar test tüpü modeline başka varsayımlar eklememiz gerekir: test tüpleri zamanla küçük çatlaklar biriktirmeli ve kırılma şanslarını artırmalıdır. Başka bir deyişle, test tüpü yaşlandırılmalıdır. Yırtılma riski katlanarak artarsa, Gompertz-Mecambe yasasına sahibiz. Bu yasa insan yaşamının eğrisiyle örtüşüyor. Test tüpü modeli ile açıklanırsa, bu yasa sürekli ve katlanarak artan yırtılma risklerini içerir. Bu üstel büyüme, ölüm riskinin 30 yaşından sonra her 7 yılda bir ikiye katlandığı insanlarda gözlenmiştir.
Bu üstel büyümenin kaynağı nedir? Termal hareket, hücre hasarının tek kaynağı değildir. İnsan vücudunun bazı rutin yaşam metabolizması süreçleri, özellikle mitokondri metabolizması mükemmel değildir.Bu işlem sırasında genellikle DNA'ya zarar verebilecek serbest radikaller üretilir. Hem termal egzersiz hem de serbest radikaller hücrelere zarar verebilir. Hasar gören hücreler genellikle onarılır ve onarılamayanlar intihara sürüklenir Bu işleme apoptoz denir. Genel olarak, kök hücreler apoptotik hücrelerin yerini alır.
Kanserin veya Alzheimer hastalığının tedavisi hayatımızı iyileştirecek, ancak bizi ölümsüz yapmayacak ve hatta hayatımızı uzatmayabilir.
Yavaş yavaş, hasar birikir ve DNA yalnızca tam bir "yedekleme" olduğunda onarılabilir. Hasar görmüş proteinler açılır ve kümeler oluşturarak birbirine yapışmaya başlar. Hücrelerin savunma ve apoptoz mekanizmaları büyük ölçüde tehlikeye atılır. Yaşlanan hücreler organlarda birikmeye başlar ve sonunda iltihaplanmaya yol açar. Kök hücreler aktive edilmez veya tükenmez ve mitokondri hasar görerek hücredeki enerji beslemesini azaltır, bu da tam olarak "moleküler makinenin" DNA'yı onarma gücüdür. Bu bir kısır döngü veya olumlu bir geri bildirim döngüsüdür. Matematiksel olarak, bu pozitif geri besleme döngüsü, riskte üstel bir artışa yol açar ve bu, insan yaşam eğrisinin şeklini açıklayabilir.
Birçok belge yaşlanmanın nedenlerini açıkladı: protein toplanması, DNA hasarı, iltihaplanma, telomerler. Ancak bunlar altta yatan faktörlere biyolojik tepkilerdir ve bunlar ısı hasarını biriktiren hasarlardır. Termal hasar etkisinin yaşlanmaya neden olabileceğini kanıtlamak için farklı vücut sıcaklıklarına sahip insanları gözlemlememiz gerekir. Böyle bir insan olamaz, ancak çeşitli vücut sıcaklıklarına hemen zarar vermeden dayanabilen organizmalar vardır. Yakın zamanda Nature dergisinde yayınlanan bir makalede Harvard Tıp Fakültesi'nden bir ekip, yuvarlak kurtların yaşlanması ile sıcaklık arasındaki ilişkiyi belirledi. Yuvarlak solucan sağkalım eğrisinin şeklinin temelde aynı kaldığını, ancak sıcaklık değiştikçe eğrinin gerileceğini veya daralacağını buldular. Daha düşük sıcaklıklarda yetiştirilen organizmalar, daha uzun bir hayatta kalma eğrisine sahipken, daha yüksek sıcaklıklara maruz kalan yuvarlak kurtların ömrü daha kısadır. Eğri esneme katsayısı sıcaklığa bağlıdır.Bu model bilim adamlarına çok aşinadır.Bu, kimyasal bağ kırılma hızının rastgele termal hareketin sıcaklığına bağımlılığı ile aynıdır.
Kendi laboratuvarımda kimyasal bağın kopması ile insan yaşlanması arasındaki bağlantıyı gördüm. Gompertz-Mecambe yasasıyla ilk karşılaştığımda, onu tuhaf buldum. Deneyimde, iki molekül arasındaki küçük kuvveti ölçebilen tek moleküler bağların hayatta kalma olasılığını incelemek için atomik kuvvet mikroskobunu kullanıyoruz. Bir proteini düz bir yüzeye ve diğerini küçük bir konsolun ucuna bağlarız. İki proteinin birbirine bağlanmasına izin veriyoruz ve ardından dirsek kirişini yavaşça çekerek proteine gittikçe daha fazla kuvvet uyguluyoruz. Sonunda, iki molekül arasındaki bağ kopar ve bu kopmaya ulaşmak için gereken kuvveti ölçeriz.
Bu, termal hareket tarafından tetiklenen rastgele bir süreçtir. Her deneyde elde edilen kırılma kuvveti farklıdır. Ancak uygulanan kuvvetin büyüklüğüne göre bir kimyasal bağın hayatta kalma olasılığındaki değişiklik, yaşa karşı insan sağkalımındaki değişime benziyor. (Deneysel eğri için aşağıdaki şekle bakın) . Yuvarlak kurt deneyinde elde edilen sonuçlara benzer şekilde, proteindeki kimyasal bağların kopması yaşlanmayla ilişkili olabilir ve yaşlanmanın termal egzersizle ilgili olduğu sonucuna varılabilir.
Yaşlanmayı inceleyen bir grup bilim insanı, yaşlanmanın bir hastalık olarak kabul edilip edilmediğine dair hararetli bir tartışma yürütüyor. Spesifik hastalıkları, hücre yapısını veya moleküler bileşimi inceleyen birçok bilim adamı, nedeni yaşlanmaya atfetmeyi sever, ancak sonuç öyle değildir. Hücresel yaşlanmayı keşfeden Leonard Hayflick, "Biyolojik yaşlanma artık çözülmemiş bir sorun değil" başlıklı makalesinde, "Tüm modern yaşlanma teorilerinin temelinin ortak özelliği, fonksiyon değişikliğine yol açan moleküler yapının değişmesidir" dedi. "En temel nedenin moleküler sadakatteki kademeli azalma ve moleküler düzensizlikte kademeli artış" olduğuna inanıyor. Bu bozulmanın doğruluğu ve artan düzensizliği kişiden kişiye değişir, ancak nihai sonuç hala aynıdır. .
Bu verilerin yorumlanması doğruysa, yaşlanma bir hastalık değil mikroskobik termofiziksel mekanizmaların neden olduğu doğal bir süreçtir. 1950'lere kadar, insanlar yaşam beklentisini artırmada büyük ilerleme kaydetti, ancak bu ilerlemeler neredeyse tamamen, özellikle yaşa bağlı olmayan sürekli bir risk faktörü olan bulaşıcı hastalıkların ortadan kaldırılmasından kaynaklanıyordu. Yaşam beklentisi önemli ölçüde arttı, ancak maksimum yaşam beklentisi değişmedi. Üstel büyüme riski, nihayetinde sürekli riski alt etti. Sürekli riskin azaltılması insanlara çok yardımcı olur.Sürekli riskin nedeni çevredir (kazalar, bulaşıcı hastalıklar), ancak katlanarak artan risklerin çoğu dahili aşınma ve yıpranmadan kaynaklanmaktadır. Kanserin veya Alzheimer hastalığının tedavisi hayatları iyileştirecek, ancak bizi ölümsüz yapmayacak, hatta daha uzun yaşamamıza neden olmayacak.
Bu sadece bekleyip ölebileceğimiz anlamına gelmez. Yaşlanmada belirli moleküllerde meydana gelen değişiklikler hakkında daha fazla araştırma yapmamız gerekiyor. Bu bize, önce yok edilen anahtar moleküler bileşenlerin olup olmadığını ve bu yıkımın müteakip ardışık etkilere yol açıp açmadığını söyleyebilir. Bu tür anahtar moleküller varsa, hedeflenen müdahale ve onarımı gerçekleştirebiliriz ve hedefi nanoteknoloji, kök hücre araştırması veya gen düzenleme yoluyla netleştirebiliriz Bunların hepsi denemeye değer yöntemlerdir. Ama bir şeyi tanımamız gerekiyor: fizik kanunlarını asla yenemeyeceğiz.
Editör: Alex Yuan
En Yeni 10 Popüler Makale
Görüntülemek için başlığa tıklayın
