ВОСПРОИЗВОДСТВО ПОТОМСТВА И ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ЖИЗНИ:
ЭНТРОПИЙНЫЙ АНАЛИЗ ВЗАИМОСВЯЗЕЙ
И. Г. Герасимов
НИИ медицинских проблем семьи Донецкого медицинского
университета им. М. Горького, Донецк
Два взаимосвязанных вопроса в течение многих лет продолжают волновать исследователей механизмов старения: 1) с каким параметром организма одного или обоих родителей связана продолжительность жизни потомства, и 2) каким образом влияет воспроизводство потомства на продолжительность жизни родительского организма. Поиск ответа на первый вопрос, как правило, заключается в сопоставлении возраста смерти родителей (матери и/или отца) с соответствующим показателем у детей. В большинстве случаев оказывается, что невозможно сделать однозначное заключение о наличии либо отсутствии искомых корреляций (см. напр., 8], причиной чего является существование множества факторов, которые могут определять данную взаимосвязь. Поэтому вопрос о генетической детерминированности индивидуальной продолжительности жизни остается открытым. Анализ второго положения позволяет прийти к неутешительному выводу о влиянии воспроизводства потомства на уменьшение продолжительности жизни родителей (см. [8]). Тем не менее, кажется маловероятным, что эта закономерность реализуется при любых обстоятельствах, т. е., что способствующие сохранению вида особи поставлены в неравные (худшие) условия по сравнению с индифферентными к данному аспекту жизнедеятельности.
Развиваемая нами концепция, позволяющая оценить энтропийные характеристики функционального состояния организма и проследить их взаимосвязь с биологическим возрастом [3 - 5], дает возможность подойти к ответу на поставленные вопросы с иных позиций. Установление возможного влияния энтропии организма на искомые закономерности и был целью настоящей работы.
Ранее, на основании развиваемых И. Пригожиным [10] положений теории термодинамики необратимых процессов, введен энтропий эквивалент (ЭЭ), представляющий собой трансформированную матрицу уровней значимости коэффициентов корреляции и включающий структурную и информационную составляющие [3]. Далее показано, что с возрастом ЭЭ сердечно-сосудистой системы уменьшается примерно до 20 - 40 лет, после чего закономерно возрастает, несколько снижаясь после шестого десятилетия. Существенно, что выявленная динамика ЭЭ, судя по всему, характерна не лишь для сердечно-сосудистой системы. Аналогично изменяется состояние системы иммунитета [8]. Кроме того, обнаружено увеличение с возрастом суммы коэффициентов корреляции между гемодинамическими и респираторными показателями [12]. Однако беспредельное уменьшение корреляций (уменьшение энтропии) не может рассматриваться как закономерное улучшение функционального состояния, которое, очевидно, реализуется при оптимальной энтропии. В пользу такого заключения свидетельствуют, например, данные о снижении при стрессе величин коэффициентов корреляций между показателями кровообращения и дыхания [15].
Количественно энтропийный оптимум (минимум) и энтропийный пик шестого десятилетия [3, 5] хорошо согласуются с результатами исследования внимания [9], которое ухудшается начиная с 30 лет, однако, как и в случае ЭЭ сердечно-сосудистой системы, после 60 лет наблюдается его улучшение, что авторы связывают с убылью из
выборки слабых лиц. Аналогичная закономерность и вновь по причине выбывания из групп наименее жизнеспособных особей наблюдается для возрастной динамики органической симптоматики заболеваний [14], а также проявляется в снижении после 70 - 80 лет числа случаев ишемического поражения нижних конечностей [11]. Энтропийный оптимум (20 - 40 лет) практически совпадает с возрастом, на который приходится и наименьшая скорость развития заболеваний органов дыхания под действием рудничной пыли [1]. Следовательно, выявленная возрастная динамика ЭЭ, вычисленного для сердечно-сосудистой системы, подтверждается данными о других системах организма человека.
Как было показано [4], величина энтропии и, следовательно, расчетного ЭЭ, непосредственно определяются уровнем потребления - производства - расходования энергии организмом. По этой причине, продолжительность жизни, энергетическое состояние, по крайней мере аэробного организма, уровень его метаболизма, непосредственно связаны с потреблением кислорода. Отношение организма к кислороду с возрастом меняется: максимум потребления кислорода организмом человека приходится на период около 25-ти лет, после чего снижается [7, 16]. При старении организма быстрее других показателей уменьшаются жизненная емкость легких и скорость дыхания, приводя к снижению поступления кислорода в ткани и клетки [6]. Возрастная динамика потребления кислорода тканями подтверждается уменьшением по мере старения концентрации гемоглобина в эритроцитах [19] и 2,3-дифосфоглицерата [2], что не способствует отдаче кислорода гемоглобином в клетках и может быть одной из причин относительной возрастной гипоксии. Кроме того, с возрастом в сердечной мышце уменьшаются концентрация гликогена и макроэргов, снижаются аэробное окисление [1] и относительное содержание аэробной изоформы лактатдегидрогеназы [6], а также, свидетельствующие, по-видимому, об изменении потребления кислорода, скорость восстановления исходного уровня глюкозы после ее введения в кровь у человека и объем крови, который могут потерять крысы без смертельного исхода [8].
На то, что уровень метаболизма влияет на продолжительность жизни, по крайней мере пойкилотермных организмов, непосредственно указывают факты, приведенные в [8]. Дрозофилы, содержащиеся при высокой температуре, имеют, как правило, более высокую интенсивность метаболизма и меньшую продолжительность жизни, чем мухи, находящиеся при низкой температуре. Впрочем, полагают, что понижение температуры во второй половине жизни замедляет старение, подавляя аутоиммунные реакции, и при этом отрицают влияние температуры на интенсивность метаболизма [18]. Ошибка в приведенных рассуждениях заключается в безосновательном исключении аутоиммунных реакций из сферы метаболизма, а также в игнорировании влияния температуры на протекание ферментативных, равно как и любых других реакций, скорость которых, почти без исключения замедляется с уменьшением температуры. Далее, в [8] сообщается, что инбредные особи живут дольше гибридных, и это, в частности, может быть обусловлено гомозиготностью инбредных линий по рецессивным генам. Если какие-то из этих генов отрицательно влияют на продолжительность жизни, то они, естественно, приводят к ее уменьшению у инбредных животных, а у гибридов первого поколения ввиду гетерозиготности действие таких генов не проявится. Однако это лишь предположение, а факт заключается в том, что у инбредных и гибридных мух возрастные изменения потребления кислорода различаются количественно и качественно [8]. Наконец, дрозофилы с мутантным геном shaker имеют интенсивность обмена, измеренную по потреблению кислорода, выше, а продолжительность жизни - ниже, чем дикие мухи [20].
На основании изложенного, логично предположить, что оптимальным периодом репродукции является состояние с оптимальными метаболизмом и энтропией, когда производится наиболее здоровое, плодовитое и жизнеспособное потомство. В первую очередь, вероятно, данное положение относится к организму матери и подмечено уже давно [8]. Поэтому не удивительно, что у человека, чем больше возраст матери после 40 лет, тем чаще возникают наследственные патологии у потомков [13], и это несомненно скажется на их продолжительности жизни. Так, патогенетические коловратки, которые размножаются амейотическим делением женских половых клеток,
благодаря чему клоны потомков генетически идентичны, в поколениях, выращенных из яиц от старых матерей, имеют меньшую продолжительность жизни, несмотря на одинаковый генотип с поколениями, выращенными из яиц от молодых матерей [17]. Как верно указано [8], если даже существует корреляция между продолжительностью жизни родителей и детей, то она не доказывает связь долголетия с наследственностью, так как причиной данного феномена могут быть факторы, обусловленные условиями жизни. Поэтому более перспективным может оказаться установление взаимосвязей между продолжительностью жизни, с одной стороны, и энтропией, как предков, так и потомков, с другой.
Попробуем выявить зависимость продолжительности жизни от энтропии. Как видно из рис. 1, чем больше энтропия, тем меньше у организма остается времени для достижения максимального значения ее, т. е. до смерти. Последнее заключение справедливо как для стареющего организма, что очевидно, так и для развивающегося или закончившего развитие, что менее очевидно. По этой причине, в отличие от усредненной кривой энтропии, каждый конкретный организм в процессе индивидуального развития проходит энтропийный жизненный путь по аналогичной параболе, которая имеет вид:
ЭЭ = a*(T + b) 5n 0 + c,
где T - время жизни.
Если даже для всех индивидуумов параметры параболической зависимости отличаются только смещением по оси энтропии (параметр c уравнения), т. е. строго симбатны, а это маловероятно, то и в таком случае организм с меньшей энтропией в любой точке на оси времени обладает большими перспективами в плане продолжительности жизни. Кроме того, логика подсказывает, что у индивидуумов с более высокой энтропией значения коэффициента a уравнения и, возможно, показателя степени n, также больше. Следовательно, организмы, у которых энтропия в данный момент времени выше, имеют еще меньше шансов прожить долгую жизнь.
Известно, что у многих видов женские особи живут дольше мужских [8]. Одной из причин данного феномена может быть наличие у самок эстрального цикла, связанного с созреванием фолликула, образованием яйцеклетки (овуляцией) и утилизацией продуктов распада последней в случае ее невостребованности, т. е. если не произошло оплодотворение. У приматов подобный цикл носит название "менструальный". Динамика ЭЭ, рассчитанного для сердечно-сосудистой системы с погрешностью 7+ 07% 7 0в менструальном цикле женщин, приведена на рис. 2. Как видно из рисунка, обсуждаемый показатель закономерно возрастает в периоды, соответствующие месячным кровотечениям и овуляции (соответственно начало и примерно середина менструального цикла), когда по многим другим признакам и критериям увеличивается напряженность организма.
Детальное рассмотрение причин наблюдаемых изменений ЭЭ в менструальном цикле выходит за рамки данной работы, в контексте которой для нас важно, что динамика ЭЭ указывает на стрессорное тренирующее эндогенное воздействие менструального цикла, поскольку характеризует периодическое изменение напряженности организма в физиологических пределах. Такая долговременная тренировка не может не сказаться положительно на функциональном состоянии организма и, напротив, может способствовать большей продолжительности жизни женщин по сравнению с мужчинами. Вероятно, женские особи, по крайней мере млекопитающих, а не только приматов, имеют аналогичное преимущество, поскольку, исключая менструальное увеличение кровенаполнения сосудов эндометрия и некоторые другие отличия, например, расслоение клеток эндометрия, которое, кстати, по времени совпадает с овуляцией, эстральный цикл также должен сопровождаться закономерными изменениями энтропии организма и оказывать тренирующее действие.
Приведем еще несколько фактов, изложенных в [8]. У мышей и дрозофил девственные самки живут, как правило, дольше, чем не участвовавшие в спаривании и размножении, однако, если осемененных самок дрозофил подвергнуть стерилизации, то они в тех же условиях по продолжительности жизни не уступают девственным. Поэтому меньшие сроки жизни размножающихся особей связывают с откладкой яиц, когда интенсивно расходуются питательные вещества [8], и, следовательно, возрастает обмен энергией, что согласуется с предположением о влиянии уровня метаболизма на продолжительность жизни. Более того, указывают на то, что у людей одинокие обычно живут меньше, вступивших в брак, но поскольку средний возраст, при котором умирают овдовевшие и разведенные люди, меньше, чем у холостых, считают, что эти различия связаны с социальными и другими факторами, а не с биологическими явлениями [8]. Поэтому нужно искать иные причины разной продолжительности жизни между особям, участвовавшими и неучаствовавшими в воспроизведении потомства.
Обратимся еще раз к рис. 2, из которого видно, что в период овуляции (примерно середина менструального цикла) ЭЭ возрастает. Естественно, оплодотворение приведет к еще большему увеличению энтропии, поскольку система усложнится и потребует более высокого уровня взаимодействия (скоррелированности) своих элементов. По мере развития плода, система мать-плод становится все сложнее, а энтропия будет возрастать все больше и больше, пока неограниченный скачок последней не вызовет бифуркацию. Бифуркации специально обсуждались в [4], а рассматриваемая нами, как правило, благополучно завершается родоразрешением с образованием двух новых систем: организма новорожденного и материнского организма, отличного от исходного по ряду параметров. Судя по приведенным ранее данным [13, 17], продолжительность жизни потомков зависит от возраста матери. Следовательно, также зависимая от возраста организма матери энтропия, может обусловливать данную закономерность. С другой стороны, не исключено, что изменение продолжительности жизни самой матери определяется энтропией ее организма на момент зачатия.
Предположим в первом приближении пропорциональное возрасту или собственно энтропии увеличение ЭЭ женского организма после родоразрешения. Предположим также, что после родов, аналогично тому, как это происходит в результате стресса [8], скорость старения, а значит, и скорость изменения энтропии, остаются такими же, как если бы оплодотворения не было. Тогда легко спрогнозировать и проследить последующие события (рис. 1), которые приведут к абсолютно более высоким значениям энтропии и меньшей продолжительности жизни у женщин с изначально более высокой энтропией по сравнению с женщинами, имевшими в момент зачатия исходно более низкое значение ЭЭ (ср. кривые 1 и 3 с кривой 2). Разрывы пунктирных линий на рис. 1 означают неопределенность величин ЭЭ, которые мы в настоящее время не в состоянии оценить. Так или иначе в местах энтропийных разрывов происходят бифуркации [4]. Нельзя утверждать, но можно надеяться, что бифуркации в определенных случаях, хотя бы по причине флуктуаций, приведут после родоразрешения к меньшим значениям энтропии, чем они были изначально (кривые 2 и 2а). Если наши надежды оправданны, то и в последнем случае наибольшее преимущество получают организмы с исходно наименьшей энтропией. Естественно, организмы потомков будут обладать теми же преимуществами, что и их родители. Термин "родители" не является оговоркой, т. к. в определенной мере энтропия организма отца тоже должна оказывать влияние на обсуждаемое явление. Имеется даже намек на уменьшение продолжительности жизни мужских особей вследствие деторождения [8], хотя причины в данном случае менее ясны, поскольку сперматогенез - процесс спонтанный, независимый от того, на какие нужды или вовсе без них (поллюция) расходуется сперма.
В заключение отметим, что приведенные рассуждения об изменении энтропии в результате производства потомства легко экстраполировать на двух- и более -кратные роды, а также на зачатие и рождение двух и более детей или детенышей.
Таким образом, анализ, проведенный с учетом представлений об энтропии организма, показывает, что влияние воспроизводства потомства на продолжительность жизни родителей может определяться уровнем энтропии родительского организма в момент зачатия, а этот уровень, с другой стороны, может определять продолжительность жизни потомства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бузунов В. А. Производственные факторы и возрастная работос пособность.- Киев: Здоровья, 1991.- 161 c.
2. Гаврилов О. К., Козинец Г. И., Черняк Н. Б. Клетки костного мозга и периферической крови.- М.: Медицина, 1985.- 286 c.
3. Герасимов И. Г. Использование энтропийных характеристик для оценки биологического возраста и функционального состояния организма // Пробл. старения и долголетия.- 1996.- 6, N 1-2. - С. 32 - 35.
4. Герасимов И. Г. Энтропия биологических систем // Пробл. ста рения и долголетия.- 1998.- 8, N 2. - С. ... - ...
5. Герасимов И. Г., Зайцев И. А. К вопросу об оценке биологичес кого возраста и функционального состояния организма // Пробл. старения и долголетия.- 1995.- 5, N 34.- С. 271 - 279.
6. Канунго М. Биохимия старения.- М.: Мир, 1982.- 294 с.
7. Коркушко О. В. Клиническая кардиология в гериатрии.- М.: Медицина, 1980.- 288 с.
8. Лэмб М. Биология старения.- 1980.- М.: Мир.- 1980.- 203 с.
9. Навакатикян А. О., Крыжановский В. В. Возрастная работоспо собность лиц умственного труда.- К.: Здоров`я, 1979.- 207 с.
10. Пригожин И. От существующего к возникающему: Время и слож ность в физических науках.- М.: Наука, 1985.- 326 с.
11. Савельев В. С., Кошкин В. М. // Критическая ишемия нижних конечностей. - М.: Медицина, 1977 - 160 с.
12. Светличная Г. Н., Смирнова Е. В., Покидышева Л. И. Корреля ционная адаптометрия как метод метод оценки кардиоваскуляр ного и респираторного взаимодействия // Физиол. чел.- 1997.-23, N 3.- С. 58 - 62.
13. Фролькис Р. А., Фролькис В. В. Геронтология на рубеже веков // Журн. АМН Украины.- 1997.- 3.- N 1.- С. 2 - 17.
14. Шахматов Н. Ф. Психологическое старение // М.: Медицина, 1996.- 292 с.
15. Юматов Е. А. Методология функциональных систем в разработке устройств для контроля физиологических функций человека //Вестн. РАМН.- 1997.- N 12.- С. 40- 45.
16. Astand P. O., Rodahl K. Textbook of work physiology / Physi ological bases of exercise.- QP., 1977.- 681 p.
17. Lansing A. I. A transmissible, cumulative, and reversible factor in aging // J. Gerontol.- 1947.- 2.- P. 228 - 239.
18. Liu R. K, Walford W. D. Mid-life temperature-transfer ef fects on life-span of annual fish // J. Gerintol.- 1975.- 30.- P. 129 - 131.
19. Silini G., Andereozzi U. Haematological changes in the age ing mouse // Exp. Gerontol.- 1974.- 9.- P. 99 - 108.
20. Trout W. E., Kaplan W. D. A relation between longevity, me tabolic rate, and activity in shaker mutants of Drosophila melanogaster // Exp. Gerontol.- 1970.- 5.- P. 83 - 92.
РЕЗЮМЕ
ВОСПРОИЗВОДСТВО ПОТОМСТВА И ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ЖИЗНИ:
ЭНТРОПИЙНЫЙ АНАЛИЗ ВЗАИМОСВЯЗЕЙ
И. Г. Герасимов
НИИ медицинских проблем семьи Донецкого медицинского
университета им. М. Горького, Донецк
Проанализировано влияние энтропии организма родителей на их продолжительность жизни в результате воспроизводства потомства и этот же показатель у потомства. Показано, что продолжительность жизни в обоих случаях определяется уровнем энтропии родительского организма в момент зачатия.
SUMMARY
REPRODUCTION AND LIFE SPAN:
ENROPIC ANALYSIS OF INTER-RELATIONSHIP
I. G. Gerasimov
Institute of Family Medical Problems
Donetsk State Medical University
after M. Gorky, Donetsk
Influence has been of entropy of parent's organisms after reproduction longevity and on the longevity of their offsprings. It was shown that, in every case, life spain is determined by entropy level of parent's organisms in conception.