Текст книги "От нейронов до гормонов. Современные научные знания о геронтологии и советы, как защитить свое тело и мозг от преждевременного старения"

Основной обмен и гипобиоз

Основной обмен – это количество энергии, необходимое для обеспечения нормальной жизнедеятельности в условиях условного психофизиологического покоя. Эта энергия расходуется на все процессы обеспечения жизнедеятельности вашего организма, от поддержания потенциала покоя клеток до работы целых его систем. У женщин основной обмен на 10 % ниже, чем у мужчин, в связи с тем, что у них меньше вес и поверхность тела.

Основной обмен человека определяют утром, натощак, через 12–14 часов после последнего приема пищи. При этом за трое суток до исследования из питания исключают белковую пищу. Человек при этом находится в положении лежа на спине, при полном расслаблении мышц, в состоянии спокойного бодрствования и при комнатной температуре. Физическая или умственная деятельность, прием пищи, колебания температуры окружающей среды и прочие факторы, изменяющие уровень обменных процессов, приводят к дополнительным энергозатратам.

На величину основного обмена влияет возраст, рост, масса и состав тела человека, его пол и даже болезни. Основной обмен отражается количеством энергозатрат из расчета 1 ккал на 1 кг массы тела в час. Они распределены приблизительно так: мозг – 19 %, печень потребляет 27 %, мышцы – 18 %, почки – 10 %, сердце – лишь 7 % и прочие органы – 19 %.

Зависимость интенсивности основного обмена от площади поверхности тела была показана немецким физиологом Рубнером для различных животных. Согласно этому правилу, интенсивность основного обмена тесно связана с размерами поверхности тела, и у теплокровных организмов, имеющих разные размеры тела, с 1 м² поверхности рассеивается одинаковое количество тепла.

Расчет суточных затрат энергии (уравнение Гарриса-Бенедикта): для мужчин = 65 + 13,7 × вес (кг) + 5 × рост (см) – 6,8 × возраст в годах; для женщин = 655 + 9,6 × вес (кг) + 1,8 × рост (см) – 4,7 × возраст в годах.

Важно понимать, что величина основного обмена с возрастом постепенно снижается, но зависимость от физической активности остается. Поэтому нужно учитывать, что при старении вы должны меньше потреблять пищи, иначе вы будете прибавлять в весе. А если питание не будет сбалансировано к энергозатратам, вы будете худеть.

Одна из последних статей в журнале BMJ утверждает, что более половины новых препаратов, поступающих в систему здравоохранения Германии, не приносит вообще никакой пользы пациентам. Исследователи провели оценку 216 лекарственных препаратов, поступивших на немецкий фармацевтический рынок с 2011 по 2017 год, конечно, после должного одобрения регуляторами. Важно понимать, что почти все эти препараты были одобрены Европейским агентством по лекарственным средствам для использования их по всей Европе.

В итоге ученые выяснили, что только 54 лекарства (это 25 %) имеют значительную или большую дополнительную клиническую пользу. У 35 (16 %) лекарств польза была либо незначительной, либо не могла быть определена количественно, а для 125 (58 %) препаратов имеющиеся данные вообще не показали дополнительного преимущества по сравнению со стандартным лечением. В некоторых специальностях ситуация еще более сложная: в психиатрии и неврологии дополнительная выгода была показана только в 6 % (1 из 18) оценок соответственно. Оценка лекарств для лечения онкозаболеваний также показала, что большинство из них были одобрены без каких-либо клинических доказательств пользы для релевантных для пациента результатов по выживаемости и качеству жизни.

И что в этой ситуации говорить о геропротекторах, где вообще все сшито на живую нитку, а уровень доказательности при переносе данных с мышей и крыс вызывает только грустную улыбку! Одна из причин этого – не только в допущении, что процессы старения гомологичны у разных видов и, изучая их на одном виде, причем короткоживущем (в основном используются грызуны), их можно аппроксимировать на другой, причем долгоживущий вид. А еще дело в том, что изучение старения грызунов проходит в лабораториях, без учета условий обитания этих животных в природе. Хотя важной особенностью грызунов именно для геронтологии является то, что они обладают лабильным обменом веществ и способны снижать температуру своего тела и жить в таком состоянии. Кроме того, для многих видов грызунов характерно чередование весенних и осенних поколений.

Это означает, что животные, например, мелкий грызун бурозубка (существует 70 видов), родившаяся весной, быстро растет, созревает, а затем после интенсивного размножения умирает в возрасте 6 месяцев. А осенние бурозубки живут до 12 месяцев, что в 2 раза дольше весенних. Полевая мышь (Apodemus agrarius), родившаяся осенью, также при благоприятных условиях живет дольше «весенней».

Но это же искажает результаты. В опытах на крысах и мышах различных линий при ограничении питания у них снижается обмен и температура тела, часто они сбиваются в углу клетки (состояние оцепенения, торпора). Т. е. «как часто происходит» в геронтологии не означает «в следствие того», и прямой причинно-следственной связи здесь нет. Скорее есть обратная – мышь не меньше ест, поэтому дольше живет, а ее переводят на более медленный метаболизм, и это может служить причиной ее «долгожительства».

На начале XX века большой интерес в обществе был к опытам русского биолога-экспериментатора Порфирия Ивановича Бахметьева по изучению анабиоза у летучих мышей. Анабиоз – это крайне выраженное замедление жизненных процессов в организме, или, другими словами, максимально выраженный гипобиоз.

Исходя из термина гипобиоз, в этом состоянии жизнь переходит на замедленный темп – все процессы замедляются. Голодание или снижение калорийности питания животных является одним из важных элементов механизмов гипобиоза. Такое состояние выявлено у более чем 200 видов гетеротермных животных, которых можно условно разделить на зимоспящих (по-другому это состояние называется гибернацией) и незимоспящих (эти животные впадают в оцепенение).

У человека состояние гипобиоза отсутствует, обычно при снижении температуры начинают действовать защитные механизмы, и температура восстанавливается. То же происходит при голодании – на какой-то стадии включаются защитные механизмы и у человека появляется состояние, которое я бы обозначил как «доминанта пищи», когда все его поведение, а таких случаев в нашей истории было предостаточно, направлено на только на поиск и добычу пищи.

Гетеротермные животные, например, суслики, хомяки, сурки, ежи, медведи, тушканчики зимой впадают в спячку, при этом состоянии у них падает температура тела, в несколько десятков раз снижается уровень обмена. Подготовка к спячке связана с уменьшением светового периода дня и с обилием кормов в конце лета. Это приводит к накоплению в организме бурого жира, в котором преобладают ненасыщенные жирные кислоты (линолевая, линоленовая, олеиновая). Он вызывает понижение обмена веществ и снижение функции щитовидной железы, что приводит к еще большему накоплению жира и перестройке терморегуляции.

В норах зимоспящих животных снижаются температура и содержание кислорода, повышается концентрация СО₂. Например, сурок потребляет кислорода в 40 раз меньше, чем в активном состоянии, а углекислого газа выделяет в 75 раз меньше, что приводит к повышению кислотности крови. В сочетании с другими факторами это вызывает замедление дыхания и частоты сердцебиений в 20 раз. Одновременно под влиянием гипоксии и гипотермии происходит полное мышечное расслабление.

Зимой суслики, сурки, мышовки и другие им подобные животные находятся в глубоком оцепенении в состоянии непрерывной спячки. У бурундука и обыкновенного хомяка спячка периодически прерывается на еду. Бурозубки 40–80 раз в сутки засыпают и просыпаются. Известно, что и многие другие виды млекопитающих и птиц в течение суток снижают обмен и температуру тела и погружаются в состояние оцепенения. Некоторые виды птиц, например, североамериканские козодои и черные стрижи, зимой впадают в спячку, а у ласточек и некоторых видов колибри в ночное время возникает состояние оцепенения, снижение обмена и температуры тела до температуры среды.

Гипобиоз таких зимоспящих животных, как медведи, барсуки, еноты, енотовидная собака и другие, отличается легким оцепенением во время зимнего сна. В этом состоянии у них уменьшается частота дыхания и сердцебиений в 4–5 раз, температура тела снижается. Эти животные являются как бы переходной формой между зимо – и незимоспящими. Среди них медведи имеют характерные отличия: при больших размерах они могут существовать в состоянии сна месяцы за счет запасов жира, поддерживают постоянную высокую температуру тела и основные физиологические процессы, нейроэндокринная регуляция обеспечивает полное мышечное расслабление при сохранении активности остальных тканей и органов.

Таким образом, особенностью гипобиоза у гетеротермных организмов является временность данного состояния и связь с внешними условиями. Особенность терморегуляции у прочих организмов, не способных к гипобиозу, – в постоянном температурном пороге гипоталамуса.

В. Е. Чернилевский провел опыты, в результате которых пришел к выводу, что для создания состояния искусственного гипобиоза и удержания в нем модельных животных у грызунов можно использовать газовые среды с пониженным содержанием кислорода и повышенным – углекислого газа, ряд фармакологических препаратов и ограничение питания. Установлено, что в условиях гипотермии и гипоксической и гиперкапнической среды у крыс снижается активность супраоптических и паравентрикулярных ядер гипоталамуса, ответственных за синхронизацию многих биоритмов. Двукратного увеличения продолжительности жизни ранее добивались при понижении температуры тела и у хомячков – большая часть животных погружалась в сон, снижался обмен веществ и температура тела.

Следует сказать, что изменение температуры тела как метод увеличения продолжительности жизни человека давно интересовало людей. Идея, что при снижении температуры тела происходит замедление жизненных процессов, не нова. Считается, что, как следствие, снижение температуры тела на пару градусов может привести к значительному росту продолжительности жизни.

Но как можно использовать данные с животных моделей для формирования гипобиоза у человека? Ведь животные, не впадающие в гипобиоз, как и человек, приобрели в эволюции стабильную регуляцию своего метаболизма, которая лишь немного ослабевает во время сна. Расчетные данные показывают, что понижение температуры на 2–3 градуса даст двукратное увеличение жизни как животных, так и человека.

Разделение животных моделей на теплокровных и холоднокровных довольно условно, между ними есть гетеротермные (гомойотермные) животные, которые впадают в спячку или дневное/ночное оцепенение.

Мыши и крысы, которые часто используются в опытах по продлению жизни, могут впадать в оцепенение.

Четкой причинно-следственной связи между снижением калорийности питания и увеличением продолжительности жизни мышей может и не быть.

Вероятно, разработка нейрохимических веществ, которые позволят влиять на структуры лимбической системы, которые регулируют энергетический гомеостаз человека, позволят это сделать. Это, в свою очередь, даст врачам возможность вмешиваться во многие патологические процессы, например, перелом проксимального бедра можно будет оперировать не в 48 часов, айв более отложенные сроки без ущерба для прогноза выздоровления пациента. Схожая ситуация с инфарктами и инсультами.

Разделение животных моделей на теплокровных и холоднокровных довольно условно, между ними есть гетеротермные (гомойотермные) животные, которые впадают в спячку или дневное/ночное оцепенение.

Мыши и крысы, которые часто используются в опытах по продлению жизни, могут впадать в оцепенение.

Четкой причинно-следственной связи между снижением калорийности питания и увеличением продолжительности жизни мышей может и не быть.

Гипоксия и старость

Наиболее вероятно, что в процессе эволюции человек при первых признаках старения нервной системы не мог уже достаточно быстро реагировать на опасность или выполнять работу по добыче пропитания, что и приводило его к гибели. Но сегодня другое время, когда человек может жить достаточно долго в условиях серьезных болезней и резко сниженных функциональных возможностей. Сегодня очень много пенсионеров-европейцев путешествуют, часто они приезжают и в горы, и тут-то и получают свои инфаркты.

Дыхание можно назвать процессом потребления кислорода и выделения углекислого газа. Dum spiro, spero обозначает «пока дышу, надеюсь». Это же можно перевести на язык физиологии как «дыхание и есть сама жизнь». Таким образом, непрерывность процесса дыхания – это основа жизни. Этот процесс является настолько жизненно важным, что отлажен в эволюции до совершенства.

Именно мозг определяет наше путешествие по жизни, а значит, и наше старение. Скорость реакции, скорость движения человека в ответ на раздражитель, понимание, осознание, эмоциональная окраска всех процессов жизнедеятельности – все это зависит от нашего старения. И для всего этого нужен кислород.

Мы сегодня живем в кислородной среде, в окружающем нас воздухе на уровне моря или чуть выше примерно 20,95 % кислорода и 0,02-0,04 % углекислого газа. Так было не всегда в эволюции планеты, но на определенной стадии ее развития появился свободный кислород, количество которого постепенно росло. Клетки научились его использовать, включив в свой состав бактерии, которые затем стали митохондриями. Это как бы энергетические станции клетки, которые создают биологическую энергию в форме аденозинтрифосфата (АТФ). Кислород нам нужен именно для синтеза АТФ на внутренних кристах митохондрий, которых может быть в каждой клетке до нескольких тысяч.

Чтобы обмениваться с окружающей средой газами, наши легкие, имеющие площадь альвеол от 40 м² при выдохе и до 120 м² на вдохе, и даже до 150 м² у спортсменов, работают на протяжении всей жизни наших организмов со скоростью 14–16 дыханий в минуту в состоянии покоя.

Для окисления всех поступающих с пищей веществ (обычно это около 2 литров жидкости и 1 кг пищи для среднего человека) нам требуется только в состоянии покоя около 10 000 литров воздуха в сутки, из которого мы поглощаем около 228 литров кислорода (или 200 мл в минуту). Мы не можем жить без кислорода, деятельность всех наших органов, как и всех клеток, зависит от его своевременного поступления. Для всей нашей деятельности нужен кислород, он участвует в аэробном получении энергии, которое во много раз эффективнее. Если мы не получаем кислород с вдыхаемым воздухом, то начинается процесс гипоксии, и, в зависимости от количества кислорода, это может быть опасно для жизни.

Организм человека имеет текущие запасы кислорода около 2 литров, включая остаточные объемы в легких; кислород переносится эритроцитами, кроме того, есть небольшое депо в сыворотке и миоглобине. Сразу встает вопрос: почему же, если гипоксия так опасна, организм не запасает больше кислорода или почему ему не хватает аварийного запаса газа не на 3 минуты, а хотя бы на 10–15? Дело в том, что кислород – довольно токсичный газ для нашего организма: свободные радикалы, которые образуются в процессе получения энергии для нашего организма, повреждают клетки.

Все знают, что практически вся патология старости сопровождается гипоксией, все органы в старости испытывают недостаток кислорода. При таких инволюционных изменениях любые бронхолегочные инфекции в старости особенно опасны, так как приводят к нарушению кислородного гомеостаза.

Но и при успешной старости происходят значимые изменения всей системы транспортировки кислорода, от бронхиального дерева, самой паренхимы легких, до мышц, участвующих в дыхательных движениях. Падает жизненная емкость легких, изменяется сердечно-сосудистая система. Сосуды подвергаются возрастным и патологическим изменениям. Падает количество капилляров, меняется количество митохондрий, вырабатывается меньше АТФ, чем в молодые и зрелые годы.

Заметно изменяется эффективность регуляции внешнего дыхания.

Состояния старости и высотной гипоксии очень похожи: в обоих ситуациях происходят схожие сдвиги со стороны двигательной, эндокринной, нервной, сердечно-сосудистой, пищеварительной системы. В обоих случаях происходит активация свертывающей системы. Человек теряет способность выполнять физическую и умственную работу, снижается память, возникает сонливость.

Одним из основных патофизиологических механизмов старения является тканевая гипоксия. Организм в старости находится в состоянии постоянной тканевой гипоксии, она не только неотделимый признак старости, но и ухудшает течение любой патологии.

Однако дыхание – это не только поглощение кислорода, но и выделение углекислого газа (СО₂). Недостаток СО₂ называется гипокапнией. В последние десятилетия появились данные о роли углекислого газа в синтезе белка, проницаемости мембран, активности ферментативных систем. Достаточная концентрация СО₂ нужна для нормальной работы эндокринной и нервной систем, гипокапния уменьшает снабжение кислородом тканей, нарушает кровообращение.

Важный факт: ваши клетки и ткани получат ровно столько молекул кислорода от эритроцита, сколько отдадут ему молекул СО₂ – такой жесткий физиологический бартер. Старый же человек, имеющий сниженные дыхательные объемы, макро – и микроангиопатии, особенно если у него избыток массы, да еще он переедает, обычно учащенно дышит, пытаясь получить больше кислорода. Но слишком частое дыхание на фоне гиподинамии приводит к парадоксальному эффекту – к вымыванию из крови углекислоты, которая необходима для релаксации сосудов. Понижение уровня углекислоты в крови приводит к хроническому сужению сосудов и, как следствие, к хроническому кислородному голоданию тканей. Помимо повышения риска инфарктов и инсультов, хроническая гипоксия тканей ведет к образованию недоокисленных продуктов обмена, которые наносят многочисленные повреждения клеткам нашего организма.

Гипоксия характерна не только для многих патологических состояний, она является одной из важнейших характеристик процессов старения. Большая часть кислорода тратится на утилизацию глюкозы. Из одной молекулы глюкозы должно образовываться 38 молекул АТФ. Но без кислорода это невозможно. Нарушение углеводного обмена – тоже частое явление старости. Поэтому изучение взаимосвязи углеводного и кислородного обмена в процессах старения – важнейшая задача геронтологии.

 Все процессы в организме взаимозависимы. В том числе, ожирение и онкологические заболевания связаны с тканевой гипоксией и нарушениями углеводного обмена.

Жесткая онтогенетическая конструкция облигатного нарушения кислородного снабжения организма и его энергообеспечения – это взаимосвязанные, взаимопроникающие и взаимоускоряющие процессы. Например, повышение гликированного гемоглобина ухудшает доставку кислорода тканям. Наоборот, ухудшение транспорта кислорода, например, на уровне тканевого капилляра приводит к нарушению окисления и получения молекул АТФ из углеводов. В свою очередь, транспортная система кислорода на любом уровне его доставки не может выполнять свои функции при нарушении получения энергии для данных процессов. Таким образом, неуклонно возникает тканевая гипоксия как одна из характеристик процессов инволюции.

Ожирение и онкологические заболевания тесно связаны с неуклонно возникающей тканевой гипоксией и нарушениями углеводного обмена при старении. Это и есть физиология старения. Точнее, патофизиология старения. При этом все процессы взаимозависимы.

Поэтому к характеристикам старения – эндогенности, облигатности, постепенности и разрушительности – можно смело добавить критерии каскадности, взаимного ускорения и типичности.

Надо понимать, что гипоксия при старении – это не простая сумма патологических процессов, например, тканевой и циркуляционной гипоксии, и адаптационные процессы, аэробные нагрузки умеренной интенсивности и достаточной длительности, как и интервальные гипоксические тренировки, тут вам лучшие помощники.

Именно на процессе дыхания виден дуализм старения, который позволяет сказать, что жизнь есть процесс старения, поскольку механизмы жизнеобеспечения тесно связаны с дыханием, то есть только в состоянии старения возможно существование высокоорганизованной материи. Облигатный процесс дыхания, который неуклонно приводит к образованию агрессивных форм, позволяет мне сказать: «Пока живу, старею».

Нобелевская премия 2019 года по медицине и физиологии присуждена Уильяму Келину, Петеру Ратклиффу и Греггу Семензе за исследование «молекулярных переключателей, которые действуют в клетках в условиях гипоксии». Семенза открыл сигнальные молекулы гипоксия-индуцированных факторов еще в 1995 году. Это важнейшее открытие для геронтологии, так как гипоксия – одно из облигатных состояний старости.

Интересно, что у жителей Анд инфаркты и инсульты встречаются реже, чем у жителей равнин. Зная это, мы можем использовать гипкосические тренировки, чтобы помочь организму справиться с тканевой гипоксией в старости.

Сегодня для этого часто используют метод интервальной гипоксии. На основе снижения скорости сатурации кислорода в крови определяется безопасный уровень для каждого отдельного человека. Гипоксические тренировки могут дать дополнительное качество жизни за счет роста толерантности к физической нагрузке. Кроме того, обнаружен когнитивный рост у больных с начальным уровнем деменции.

Механизм гипоксии – один из составляющих процесса старения. Будьте осторожны при дальних перелетах в возрасте старше 75 лет. Следите за здоровьем ваших легких и бронхов, любые воспалительные процессы намного более опасны в старости, чем в молодом или зрелом возрасте.

В старости нельзя переедать, у малоподвижных и особенно тучных людей может возникнуть эффект гипероксической гипоксии, когда человек дышит часто, однако у него в тканях не хватает кислорода. Старение часто связано не только с гипоксией, но и с гипокапнией. Достаточное образование углекислого газа в нашем организме в старости – важная составляющая успешного старения.

Аэробная двигательная активность – это борьба с гипоксией, поэтому это борьба и со старением и старостью за жизнеспособность. Движение в старости – это не только жизнь, это жизнь более, чем когда-либо.