Dane oryginału:

Biology of aging, Second edition

Roger B. McDonald

© 2019 by Taylor & Francis Group, LLC

CRC Press is an imprint of Taylor & Francis Group, an Informa business

Authorised translation from the English language edition published by Garland Science, a member of the Taylor & Francis Group LLC.

Tłumaczenie Filip Fierek

Konsultant merytoryczny prof. UAM dr hab. Anita Szwed

Wydanie polskie:

Projekt okładki i strony tytułowej Lidia Michalak

Ilustracja na okładce Prometeus/123RF

Wydawca Katarzyna Włodarczyk-Gil

Koordynator ds. redakcji Renata Ziółkowska

Redakcja Zespół

Korekta Agnieszka Janowska

Produkcja Adam Krajewski

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w Internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.
Szanujmy cudzą własność i prawo.

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © for the Polish edition by Wydawnictwo Naukowe PWN SA,

Warszawa 2022

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2022r. (wyd. I)

ISBN 978-83-01-22207-9

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321; faks 22 69 54 288; infolinia 801 33 33 88
e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl
www.pwn.pl

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN SA: Monika Lipiec /Woblink

Kristy

Życie z Tobą jest lepsze

Spis treści

Wstęp

Wstęp do wydania pierwszego

Podziękowania

1. Podstawowe pojęcia Biologii starzenia się

Biogerontologia – badania nad starzeniem biologicznym

Biolodzy zaczęli zajmować się procesem starzenia się w momencie, gdy wzrosła długość życia człowieka

W latach 40. XX wieku biogerontologia stała się niezależnym obszarem badań

Współczesne badania nad starzeniem się są holistyczne

Starzenie biologiczne zachodzące u gatunków innych niż człowiek ma wiele cech wspólnych ze starzeniem się obserwowanym u ludzi

Badanie starzenia się to proces złożony

Przyczyna i mechanizmy starzenia się to dwa odrębne, ale powiązane procesy

Definicje starzenia biologicznego

Pierwsze definicje starzenia biologicznego opierały się na umieralności

Do opisu starzenia biologicznego na przestrzeni określonego czasu służą definicje funkcjonalne

Definicja starzenia się na użytek Biologii starzenia

Do opisu procesu starzenia wykorzystuje się pojęcia rozwoju, dojrzałości i starzenia postreprodukcyjnego

Starzenie biologiczne różni się od chorób podeszłego wieku

Jak biogerontolodzy badają starzenie się. Wykorzystywanie organizmów modelowych w badaniach nad starzeniem się człowieka

Do opisu podstaw biochemicznych starzenia się i długowieczności mogą posłużyć hodowle komórkowe

Grzyby to dobre modele do badań czynników środowiskowych wpływających na starzenie się i długowieczność

Prymitywne bezkręgowce mogą dostarczać wskazówek do przedłużenia życia komórki, sygnalizacji komórkowej i starzenia się całego organizmu

Owady można wykorzystać do zbadania, w jaki sposób sygnalizacja całego ciała i wewnątrzkomórkowa wpływa na historię życia

Myszy i szczury są częstymi obiektami badawczymi w kwestiach żywieniowych, genetycznych i fizjologicznych

Do modelowania normalnego starzenia się człowieka wykorzystuje się ludzkie progerie

Jak biogerontolodzy badają starzenie się. Biogerontologia porównawcza

Zależność między rozmiarem ciała danego gatunku a jego maksymalną długością życia

Zwiększoną długowieczność tłumaczy obniżona podatność na zagrożenia zewnętrzne

Za zwiększenie długowieczności w warunkach naturalnych odpowiada także wysoce uporządkowana struktura społeczna

Istnieje kilka zwierząt wodnych o skrajnej długowieczności

Starzenie się wypławków i stułbi jest minimalne – wykazują one skrajną długowieczność związaną z dużą zdolnością regeneracji tkanek

Jak biogerontolodzy badają starzenie się. Biologia systemów

Dzięki biologii systemów biologia stanie się nauką predykcyjną

Badania biologiczne opierają się na metodzie redukcjonistycznej

Biologia systemów i redukcjonizm współdziałają na rzecz poszerzenia wiedzy i udoskonalenia prognoz

Redukcjonizm może przewidywać właściwości emergentne w prostych systemach biologicznych; systemy złożone wymagają metody ilościowej

Współczesna biologia systemów i nauki omiczne rozpoczęły się od sekwencjonowania genomu ludzkiego

Sieci biologiczne zapewniają metodę oceny interakcji w systemie

Co przed nami

Kluczowe pojęcia

Pytania do dyskusji

Literatura uzupełniająca

2. Ocena starzenia biologicznego

Oszacowanie starzenia biologicznego jednostki

Różnice w fenotypie związanym z wiekiem wpływają na pomiar starzenia się osobników

Styl życia znacząco wpływa na fenotyp

W badaniach przekrojowych porównuje się zmiany w różnych grupach wiekowych w określonym czasie

Badania podłużne polegają na analizowaniu zmian jednej osoby przez wiele lat

Precyzyjny i dokładny biomarker starzenia będzie opracowany przez Inicjatywę Medycyny Precyzyjnej

Oszacowanie starzenia biologicznego populacji

Współczynnik umieralności określa liczbę zgonów w populacji

Współczynnik umieralności zależny od wieku rośnie wykładniczo

Na współczynnik umieralności może mieć wpływ umieralność niezależna od wieku

Czas podwojenia współczynnika umieralności koryguje różnice w początkowych współczynnikach umieralności

Krzywe przeżywalności przybliżają współczynnik umieralności

Spowolnienie współczynnika umieralności pod koniec życia wskazuje na istnienie genów długowieczności

Era medycyny precyzyjnej zmieni sposób, w jaki mierzymy tempo starzenia się populacji

Co przed nami

Kluczowe pojęcia

Pytania do dyskusji

Literatura uzupełniająca

3. Ewolucyjne teorie długowieczności i starzenia się

Podstawy ewolucyjnych teorii długowieczności i starzenia się

Weismann dokonał podziału na somę i komórki rozrodcze

Weismann zasugerował, że starzenie się ma charakter nieadaptacyjny

Biolodzy populacyjni opracowali równania logistyczne do obliczania rozwoju populacji

Struktura wiekowa populacji złożonych eukariontów przedstawia darwinowskie dostosowanie

Współczynnik reprodukcji opisuje dostosowanie specyficzne dla wieku w populacji rozmnażającej się

Zależność między potencjałem reprodukcyjnym a darwinowskim dostosowaniem populacji opisał jako pierwszy R.A. Fisher

Ewolucja a długowieczność

Zewnątrzpochodne tempo starzenia się prowadzi do osłabienia siły doboru naturalnego

Medawar twierdził, że starzenie się jest wynikiem dryfu genetycznego

Medawar zaproponował, że starzenie się i długowieczność powstają osobno w populacjach postreprodukcyjnych

Teorię Medawara udoskonaliła hamiltonowska koncepcja siły doboru naturalnego wpływającego na umieralność

Testowanie ewolucyjnych modeli długowieczności

Wewnątrzpochodny współczynnik umieralności jest niższy u organizmów rozmnażających się późno

Zależność między długością życia a reprodukcją wynika z dryfu genetycznego

Wyniki testowania ewolucyjnej teorii długowieczności zmieniły badania biogerontologiczne

Ewolucja a starzenie się

Antagonistyczna plejotropia to szczególny przypadek plejotropii ogólnej

Teoria ciała jednorazowego użytku opiera się na przesunięciu zasobów

Co przed nami

Kluczowe pojęcia

Pytania do dyskusji

Literatura uzupełniająca

4. Starzenie komórkowe

Cykl komórkowy i podział komórki

Cykl komórkowy złożony jest z czterech faz i jednej fazy dodatkowej

Replikacja DNA zachodzi podczas fazy S

Podział komórki zachodzi w fazie M

Regulacja cyklu komórkowego

Replikację DNA inicjują cykliny S oraz kinazy cyklinozależne

Szlak p53 może wstrzymać replikację DNA na granicy faz G1 i S

W replikację DNA zaangażowanych jest wiele białek

Kohezyny i kondensyny kontrolują segregację chromosomów

Przejście metafazy w anafazę oznacza punkt końcowy w cyklu komórkowym

W pełni funkcjonalne komórki mogą wyjść z cyklu komórkowego w fazie G0

Programowana śmierć komórki – apoptoza – to normalny etap rozwoju tkanki

Starzenie komórkowe

Błąd opóźnił odkrycie starzenia się komórek o 50 lat

Wyniki badań Hayflicka i Moorheada dały początek cytogerontologii

Komórki w hodowli mają trzy fazy wzrostu

Starzejące się komórki mają kilka wspólnych cech

Starzenie się komórki może chronić komórkę przed rakiem

Mechanizmy indukujące starzenie się komórek nie są znane

Przyczyna starzenia się komórek. Akumulacja uszkodzonych biocząsteczek

Biocząsteczki podlegają zasadom termodynamiki

Do życia niezbędne jest zachowanie uporządkowania i obecność energii swobodnej

Mechanizmem leżącym u podstaw starzenia się jest utrata wierności molekularnej

Starzenie się odzwierciedla wewnątrzkomórkową akumulację uszkodzonych biocząsteczek

Metaboliczne podstawy starzenia komórkowego

Organizmy wielokomórkowe powstały, gdy w atmosferze wzrósł poziom tlenu

Metabolizm tlenowy tworzy reaktywne formy tlenu

Większość jonów ponadtlenkowych powstaje podczas syntezy ATP w mitochondrium

Redukcja rodnika ponadtlenkowego do wody katalizowana jest przez enzymy

W redukcji cytozolowej również powstają wolne rodniki

Wolne rodniki tlenowe prowadzą do akumulacji uszkodzonych biocząsteczek

Błony komórkowe są podatne na uszkodzenia wywoływane przez reaktywne formy tlenu

Wyjaśnieniem mechanizmu starzenia się polegającego na uszkodzeniach wywołanych reaktywnymi formami tlenu jest antagonistyczna plejotropia

Telomery a starzenie komórkowe

Telomery zapobiegają usuwaniu ważnych sekwencji DNA z opóźnionych nici

Skracanie telomerów może być przyczyną starzenia się komórek somatycznych

Istnieje zależność między krótkimi telomerami a zależnym od wieku spadkiem funkcji oraz chorobami

Co przed nami

Kluczowe wiadomości

Pytania do dyskusji

Literatura uzupełniająca

5. Genetyka długowieczności

Omówienie ekspresji genów u eukariontów

W wyniku transkrypcji DNA powstaje komplementarny RNA

Komórki eukariotyczne modyfikują RNA po transkrypcji

Translacja to sterowana przez RNA synteza białek

Białka mogą być modyfikowane lub degradowane po translacji

Regulacja ekspresji genów

Ekspresja genów może być kontrolowana przez zmianę struktury nukleosomu: epigenom

Ekspresja genów jest kontrolowana przez wiązanie białek do DNA

Kontrola ekspresji genów może odbywać się także za pomocą mechanizmów potranskrypcyjnych

Analiza ekspresji genów w biogerontologii

Pierwszym etapem biogerontologicznej analizy genetycznej jest skrining mutantów

Identyfikacja funkcji genu wymaga klonowania DNA

Funkcję genu można częściowo określić na podstawie jego sekwencji

Funkcję genu może ujawnić hybrydyzacja in situ

Mikromacierze DNA wykorzystuje się do oceny wzorców ekspresji genów w różnym wieku

Genetyczna regulacja długowieczności u Saccharomyces cerevisiae

Saccharomyces cerevisiae rozmnażają się zarówno bezpłciowo, jak i płciowo

Na rozmnażanie i długość życia mają wpływ warunki środowiskowe

Na długość życia mają wpływ zmiany strukturalne DNA

Związek szlaku SIR2 z długowiecznością

Mutacje powodujące utratę funkcji w szlakach reagujących na składniki odżywcze mogą wydłużać życie: cel rapamycyny

Genetyczna regulacja długowieczności Caenorhabditis elegans

Regulacja powstawania larw dauer prowadzi do zwiększenia długości życia

Szlaki genetyczne regulują powstawanie larw dauer

Słabe mutacje genu daf-2 wydłużają długość życia

Gen daf-2 łączy długowieczność z kontrolą neuroendokrynną

Białka mitochondrialne mogą być ogniwem między wydłużeniem życia a metabolizmem

Genetyczna regulacja długowieczności Drosophila melanogaster

Drosophila ma długą historię w badaniach genetycznych

Geny zwiększające długowieczność związane są z podwyższoną odpornością na stres

Geny regulujące rozwój Drosophila także przedłużają długość życia

Genetyczna regulacja długowieczności Mus musculus

Wiele genów Mus musculus wpływa na długowieczność

Za związek między opóźnieniem rozwoju a długowiecznością odpowiada sygnalizacja insulinowa

Osłabiona sygnalizacja hormonu wzrostu łączy insulinopodobne szlaki sygnalizacyjne ze zwiększoną długością życia

Genetyczna regulacja długowieczności wykazana u myszy ma wpływ na starzenie się człowieka

Co przed nami

Kluczowe pojęcia

Pytania do dyskusji

Literatura uzupełniająca

6. Starzenie się roślin

Podstawy biologii roślin

Komórki roślinne mają ścianę komórkową, wakuolę centralną i plastydy

Fotosynteza zachodzi w chloroplastach

Hormony roślinne regulują wzrost i rozwój

Biologia starzenia się roślin

Na starzenie postmitotycznych komórek roślinnych składają się procesy zaprogramowane i stochastyczne

Liście Arabidopsis thaliana są modelem w badaniach nad starzeniem się roślin

Starzenie się liści to proces trzyetapowy

Monosacharydy odgrywają ważną rolę w starzeniu się liści

Rozkład chloroplastów jest źródłem azotu i minerałów dla innych organów rośliny

Produkty uboczne katabolizmu mogą stymulować geny odpowiedzialne za demontaż organelli

W procesie starzenia liścia degradacji ulegają błony komórki roślinnej

Inicjacja starzenia się roślin

Intensywność światła wpływa na inicjację starzenia się roślin

Cytokininy opóźniają starzenie

Inne hormony roślinne wywołują starzenie

Co przed nami

Kluczowe pojęcia

Pytania do dyskusji

Literatura uzupełniająca

7. Długowieczność i długość życia człowieka

Źródła długowieczności człowieka

Współczynniki umieralności człowieka są fakultatywne

Plastyczność współczynników umieralności ludzi jest w dużym stopniu uzależniona od czynników genetycznych

Współczynniki umieralności są różne u długowiecznych ludzi

W badaniach asocjacyjnych całego genomu identyfikuje się geny związane ze złożoną cechą ludzkiej długowieczności

Do zmiany współczynników umieralności przyczyniła się ludzka inteligencja

Inteligencja ludzka stworzyła wyjątkową trajektorię długowieczności

Dziedziczność ma tylko niewielki wpływ na długość życia człowieka

Wzrost długości życia człowieka w XX wieku

Przez większość historii ludzkości średnia długość życia człowieka wynosiła mniej niż 45 lat

Średnia długość życia wzrosła dzięki kontroli nad chorobami zakaźnymi

Obniżenie współczynnika umieralności niemowląt doprowadziło do wzrostu oczekiwanego dalszego trwania życia

Za wciąż zwiększające się oczekiwane dalsze trwanie życia odpowiadają udoskonalone metody leczenia

Oczekiwane dalsze trwanie życia kobiet jest wyższe niż mężczyzn

Co przed nami

Kluczowe pojęcia

Pytania do dyskusji

Literatura uzupełniająca

8. Spadek funkcji związany ze starzeniem się

Zmiany w składzie ciała i metabolizmie energetycznym

Bilans energetyczny to różnica między ilością energii przyjmowanej a wydatkiem energetycznym

Nagromadzenie tłuszczu następuje przez cały okres dojrzałości

Związek nadmiernej utraty masy ciała pod koniec życia ze współczynnikiem umieralności

Zmiany w mięśniach szkieletowych

Skurcz mięśni jest wynikiem interakcji molekularnych między aktyną i miozyną w obrębie sarkomeru

Skurcz mięśni szkieletowych rozpoczyna się od sygnału nerwowego

Szybkość i siła skurczu mięśni szkieletowych zależy od typu włókna mięśniowego

Za naprawę uszkodzeń i odbudowę mięśni szkieletowych odpowiedzialne są komórki satelitowe

Brak aktywności fizycznej i wewnętrzne starzenie się wpływają na utratę masy mięśniowej zależną od wieku

Zależny od wieku spadek siły i mocy mięśni szkieletowych skorelowany jest z atrofią mięśni wywołaną starzeniem się

Wewnątrzpochodne mechanizmy powodujące atrofię mięśni wywołaną starzeniem się są wieloczynnikowe i pozostają nierozwiązane

Cechami charakterystycznymi starzejącego się mięśnia są odnerwienie neuronów ruchowych i fragmentacja strukturalna w połączeniu nerwowo-mięśniowym

Sarkopenia to stan patologiczny związany z nadmierną utratą mięśni i ich siły wywołanymi starzeniem się

Zmiany skóry

Skóra składa się z trzech warstw

Zmarszczki są spowodowane utratą elastyczności skóry i podskórnej tkanki tłuszczowej

Zmiany narządów zmysłów – słuch, wzrok, smak, węch

Zmysł słuchu opiera się na fizyce dźwięku

Przekazywanie dźwięku przez ucho odbywa się w trzech etapach

Utrata stereocyliów przyczynia się do utraty słuchu zależnej od wieku

Zmysł wzroku opiera się na fizyce światła

Starczowzroczność można wytłumaczyć zależnymi od wieku zmianami siły refrakcji (załamania światła) soczewek

Ostateczne różnicowanie komórek soczewki prowadzi do powstawania zaćmy

Zmysły smaku i węchu zmieniają się tylko nieznacznie z wiekiem

Zmiany w układzie pokarmowym

Zależne od wieku zmiany w jamie ustnej i przełyku nie zaburzają trawienia

Zmiany w jelicie cienkim mogą wpływać na trawienie i wchłanianie składników odżywczych

Zmiany w układzie moczowym

Nerki usuwają z krwi produkty przemiany materii

Przepływ krwi przez nerki i czynność nerek pogarszają się wraz z wiekiem

Zmiany w układzie odpornościowym

Odporność wrodzona to pierwsza linia obrony przed infekcją

Odporność nabyta polega na reakcji limfocytów na antygeny

Funkcja fagocytozy neutrofili i makrofagów maleje wraz z wiekiem

Produkcja limfocytów T naiwnych, liczba limfocytów B i skuteczność przeciwciał spadają wraz z wiekiem

Zmiany w układzie rozrodczym

Przyczyną menopauzy jest spadek wydzielania hormonów płciowych przez gonady

Płodność mężczyzn nieznacznie spada wraz z wiekiem

Podeszły wiek nie jest przeszkodzą dla aktywności seksualnej

Co przed nami

Kluczowe pojęcia

Pytania do dyskusji

Literatura uzupełniająca

9. związane z wiekiem choroby człowieka

Układ nerwowy i przekaźnictwo nerwowe

Układ nerwowy składa się z neuronów i komórek wspierających

Potencjały błonowe tworzą warunki dla transmisji sygnału nerwowego

Neuroprzekaźniki chemicznie łączą ze sobą neurony w synapsie

Mózg człowieka to zbiór oddzielnych narządów i rodzajów komórek

Choroby mózgu człowieka zależne od wieku: choroby Alzheimera i Parkinsona

Zmiany w strukturze i neuroprzekaźnictwie wydają się niewielkie w starzejącym się mózgu

W starzejącym się mózgu gromadzą się blaszki amyloidowe i sploty neurofibrylarne

Choroba Alzheimera to zależne od wieku, nieodwracalne zaburzenie mózgu

Czynnikiem ryzyka choroby Alzheimera o późnym początku jest allel ε4 genu apolipoproteiny E

Leczenie choroby Alzheimera jest ukierunkowane na neuroprzekaźnictwo oraz zapobieganie i degradację blaszek amyloidowych

Skuteczne leczenie choroby Alzheimera będzie wymagało wiarygodnych biomarkerów

Techniki obrazowania mózgu służą jako biomarkery LAD

Wczesna diagnoza LAD skupia się na wykryciu MCI i wykluczeniu innych demencji

Choroba Parkinsona wiąże się z utratą neuronów dopaminergicznych

Głównym celem leczenia choroby Parkinsona jest podwyższenie stężenia dopaminy w mózgu

Ciała Lewy’ego są patologiczną oznaką choroby Parkinsona

Z chorobą Parkinsona o wczesnym początku ma związek kilka genów

Kilka czynników może predysponować osoby do choroby Parkinsona

Głęboka stymulacja mózgu może pomóc kontrolować zaburzenia ruchu związane z chorobą Parkinsona

Układ sercowo-naczyniowy

Układ sercowo-naczyniowy to zamknięty system transportu płynów

Serce i tętnice są tkankami pobudliwymi

Serce kontroluje przepływ krwi i ciśnienie przez regulację rzutu serca (pojemność minutową)

Zasady dynamiki płynów regulują ogólny przepływ krwi

Choroby układu sercowo-naczyniowego zależne od wieku: choroba sercowo-naczyniowa

Czynniki środowiskowe wpływają na zależne od wieku pogorszenie funkcjonowania układu sercowo-naczyniowego

Miażdżycę i niedokrwienność mogą powodować blaszki miażdżycowe

Czynniki ryzyka miażdżycy są mieszaniną czynników genetycznych i środowiskowych

Statyny zmniejszają syntezę cholesterolu w wątrobie i obniżają cholesterol w surowicy

Nadciśnienie jest najczęstszą chorobą przewlekłą osób starszych

Skutkiem niewydolności serca jest spadek pojemności minutowej

Częstość występowania chorób sercowo-naczyniowych może być lepszym wskaźnikiem niż umieralność

Układ hormonalny i regulacja glukozy

Stężenie glukozy we krwi musi być utrzymywane w wąskim zakresie

Insulina ułatwia wchłanianie glukozy do wątroby, mięśni i komórek tłuszczowych

Zależna od wieku choroba układu hormonalnego – cukrzyca typu 2

Zwiastunem cukrzycy typu 2 jest insulinooporność

Cukrzyca typu 2 prowadzi do osłabienia mikrokrążenia krwi

Zmieniony metabolizm glukozy może nasilać uszkodzenia komórek u osób z cukrzycą typu 2

Do czynników ryzyka cukrzycy zalicza się wiek, otyłość i podłoże genetyczne

Układ szkieletowy i metabolizm wapnia w kościach

Hormony przytarczyc i tarczycy równoważą poziom wapnia we krwi

Hormony regulują równowagę między odkładaniem minerałów w kościach a resorpcją

Choroby kości zależne od wieku: osteoporoza

Zwiększona utrata minerałów kostnych w okresie menopauzy może prowadzić do osteoporozy

Czynniki środowiskowe wpływają na ryzyko rozwoju osteoporozy

Terapie lekowe mogą spowolnić utratę masy kostnej u kobiet po menopauzie

Co przed nami

Kluczowe pojęcia

Pytania do dyskusji

Literatura uzupełniająca

10. Regulowanie starzenia się i długowieczności człowieka

Modulacja starzenia biologicznego

Starzenia się nie można modulować

Mechanizmy prowadzące do utraty wierności molekularnej mogą być modulowane w przyszłości

Modulacja długowieczności i tempa starzenia się: ograniczenie spożycia kalorii

Ograniczenie kalorii wydłuża życie i spowalnia tempo starzenia się gryzoni

Ograniczenie kalorii w prostych organizmach wykorzystywanych do badania mechanizmów genetycznych i molekularnych

Ograniczenie kalorii u naczelnych innych niż ludzie może opóźniać choroby zależne od wieku

Skuteczność ograniczenia kalorii w przedłużeniu życia człowieka pozostaje nieznana i kontrowersyjna

Modulacja tempa starzenia się: ćwiczenia

Ćwiczenia zwiększają zapotrzebowanie mięśni na tlen

Przeciążenie komórkowych szlaków tlenowych zwiększa zdolność do syntezy ATP

Regularne ćwiczenia zapobiegają spadkowi rezerwy komórkowej

Zmieniające się definicje zdrowia i starzenia

Definicja zdrowia sformułowana przez Światową Organizację Zdrowia obejmuje subiektywną miarę dobrego samopoczucia i perspektywy całkowitego zdrowia

Niejednorodność funkcji w starszej populacji doprowadziła do koncepcji pozytywnego starzenia się

Pozytywne starzenie się obejmuje elementy fizyczne, behawioralne i społeczne

Co przed nami

Kluczowe pojęcia

Pytania do dyskusji

Literatura uzupełniająca

11. Konsekwencje wydłużenia życia

Osiąganie obietnicy wydłużonej zdrowotności

Długość życia w zdrowiu łączy w sobie miary długości życia i niepełnosprawności

Zapobieganie lub leczenie chorób przewlekłych nie będzie nadal zmniejszać niepełnosprawności

Poprawa zdrowia poprzez zwiększenie poziomu ćwiczeń i zmniejszenie spożycia kalorii będzie wyzwaniem

Zalecane protokoły pomogą zwiększyć uczestnictwo w ćwiczeniach i kuracjach dietetycznych

Opracowywane są interwencje medyczne opóźniające proksymalne mechanizmy starzenia się

Społeczne i kulturowe zmiany w starzejących się społeczeństwach

Zdrowsze i dłuższe życie może zmienić percepcję osobistych osiągnięć i postępowego społeczeństwa

Zwiększona długowieczność i zdrowie mogą zmienić odpowiedzialność za przedłużenie gatunku

Niski wskaźnik urodzeń i wydłużona długość życia mogą zmienić obecny cykl życia pokoleń

Co przed nami

Kluczowe pojęcia

Pytania do dyskusji

Literatura uzupełniająca

Słownik pojęć

Przypisy

Wstęp[*]

Drugie wydanie książki z zakresu nauk o życiu powstaje zazwyczaj z dwóch powodów: (1) ponieważ wydanie pierwsze zostało dobrze przyjęte przez nauczycieli i studentów, (2) a także dlatego, że nowe wyniki badań uczyniły wydanie pierwsze nieco przestarzałym. Jeśli chodzi o przyczynę pierwszą, jestem wdzięczny i zaszczycony, że z Biologii starzenia korzystało tak wiele osób. Nie byłbym w stanie stwierdzić, że wyniki nowych badań uwzględnione w wydaniu drugim, a ilość ich jest znacząca, zmieniają wnioski wynikające z wydania pierwszego. Nowe odkrycia potwierdzają dostępną nam już wcześniej wiedzę na temat starzenia się i długowieczności. Po co więc wydanie drugie, skoro pierwsze jeszcze się nie zdezaktualizowało?

Odpowiedź na to pytanie sprowadza się do jednego słowa – chodzi o złożoność. Otóż badania z zakresu biogerontologii przeprowadzone od czasu ukazania się wydania pierwszego wykazały, że mechanizmy starzenia się i długowieczności są niezwykle złożone. Mechanizmy te są tak skomplikowane, że aby pojąć wspomniane zagadnienia w pełni, potrzebny jest nowy model badawczy. Model ten – biologia ilościowa – jest przyczyną, dla której ukazuje się wydanie drugie. Testowanie hipotez w ramach biologii ilościowej polega na porównywaniu danych eksperymentalnych z modelami teoretycznymi wykorzystującymi metody obliczeniowe. Chodzi o to, że w biologii zaczęto stosować metody matematyczne i obliczeniowe podobne do tych, które pozwoliły naukom fizycznym zrozumieć wszechświat. Jesteśmy głęboko przekonani, że biologia ilościowa jest przyszłością badań biogerontologicznych oraz że jej podstawowe koncepcje powinni sobie przyswoić wszyscy studenci biologii. W wydaniu drugim Biologii starzenia uwydatniamy znaczenie rodzącej się dopiero biologii ilościowej dla nowego, pogłębionego rozumienia złożonych mechanizmów starzenia się i długowieczności.

Układ wydania drugiego nie różni się znacząco od organizacji wydania pierwszego. Wciąż twierdzimy, że aby rozumieć starzenie się człowieka w sensie biologicznym, trzeba najpierw uzyskać wgląd w mechanizmy komórkowe i molekularne leżące u podstaw zmian w czasie. Rozdziały 1–6 skupiają się na odkryciach z zakresu biologii komórkowej, molekularnej, a teraz także ilościowej, które to odkrycia pomagają wytłumaczyć procesy starzenia się i długowieczności. W rozdziałach 7–10 mowa jest wyłącznie o chorobach i starzeniu się człowieka. W tej części, w szczególności zaś w rozdziale 10, Czytelnik pozna metody, dzięki którym można spowolnić proces starzenia się i wydłużyć życie w zdrowiu. Wydanie drugie kończy się rozdziałem 11, w którym pokrótce zastanawiamy się, jak wydłużenie długości życia w zdrowiu zmienia nasze postrzeganie starzenia się i swojego miejsca w społeczeństwie.

Wstęp do wydania pierwszego

Dlaczego się starzejemy? Co przesądza o długości życia człowieka, jak również wszelkich innych gatunków? W roku 1952 sir Peter Medawar, biolog i laureat Nagrody Nobla, stwierdził, że starzenie biologiczne to jedna z wielkich nierozwiązanych zagadek jego czasów i że odpowiedź na to nastręczające trudności pytanie zajmie czterdzieści kolejnych lat. Współcześnie znamy już przyczynę leżącą u podstaw procesu starzenia się i wiemy, dlaczego długość życia danego gatunku wynosi tyle, ile wynosi. Mówiąc krótko, starzenie się to proces losowy, a nie proces podlegający ewolucji. Z kolei długowieczność podlega ewolucji za sprawą selekcji genów sprzyjających sukcesowi reprodukcyjnemu. Wraz z pogłębionym rozumieniem różnic między starzeniem się a długowiecznością pojawiło się nowe podejście badawcze dotyczące starzenia biologicznego – nauka zwana biogerontologią. W jej obszarze dokonano nowych, ekscytujących odkryć, dzięki którym mamy obecnie lepsze pojęcie na temat mechanizmów komórkowych i molekularnych leżących u podłoża starzenia się i długowieczności. Biologia starzenia, podejmująca problematykę starzenia biologicznego, to pierwszy podręcznik na ten temat od momentu wyjaśnienia przyczyn starzenia się i długowieczności.

Na przestrzeni ostatnich 15–20 lat wśród naukowców wypracowany został ogólny konsensus w kwestii ewolucyjnego wyjaśnienia, dlaczego starzejemy się i żyjemy tyle, ile żyjemy, a w konsekwencji pojawiło się mnóstwo badań na temat podstawowych mechanizmów starzenia się i długowieczności. Ich wyniki doprowadziły szybko do przekształcenia biogerontologii z nauki w pierwszym rzędzie biomedycznej i opartej na metodzie obserwacyjnej w dyscyplinę bardziej rygorystyczną i bazującą w większej części na eksperymentach, zaliczającą się do ogólnych nauk biologicznych. Nowy kierunek obrany przez biogerontologię sprawił, że pojawiła się potrzeba prowadzenia kursów z zakresu biologii starzenia się. Tempo opracowywania kursów spowolnił jednak brak podręcznika, w którym biogerontologia byłaby ujmowana z perspektywy biologicznej, a nie biomedycznej. Biologia starzenia wypełnia tę lukę. Stanowi ona podręcznik z biologii napisany z myślą o studencie tego właśnie kierunku.

Niniejsza książka pozostaje spójna z fundamentalną zasadą głoszącą, że aby w pełni pojąć biologiczny proces starzenia się, trzeba najpierw zrozumieć podstawowe koncepcje z zakresu biochemii i fizjologii, które mają zastosowanie do wszystkich form życia i wszystkich jego etapów. Każdy z rozdziałów rozpoczyna się od omówienia podstawowych praw biologicznych odnoszących się do systemów, które nie uległy procesowi starzenia się. Wyposażony w taką wiedzę student jest lepiej przygotowany do opanowania wiedzy na temat zależnych od czasu zmian funkcji molekularnych i komórkowych, które składają się na proces starzenia się. Dzięki uwzględnieniu podstawowej wiedzy biologicznej student dysponuje także wiadomościami umożliwiającymi mu zrozumienie, jakie metody są w stanie spowolnić tempo starzenia się i zwiększyć długość życia.

Układ rozdziałów książki jest podobny do organizacji treści w innych podręcznikach z zakresu biologii – każdy z rozdziałów prezentuje koncepcje i zasady potrzebne do opanowania wiedzy z rozdziału kolejnego. Dziesięć początkowych rozdziałów podzielono na trzy ogólne grupy. W rozdziałach 1 i 2 omawiane są podstawowe pojęcia z zakresu biogerontologii, które odnoszą się zarówno do jej zastosowań eksperymentalnych, jak i klinicznych. Rozdziały 3–6 dotyczą odkryć w dziedzinie biogerontologii ewolucyjnej, komórkowej i genetycznej, którym zawdzięczamy obecny stan wiedzy na temat przyczyn i mechanizmów starzenia się. Z kolei w rozdziałach 7–10 mowa jest o związkach między opisaną wcześniej podstawową wiedzą a zjawiskami starzenia się człowieka i jego długowieczności. Uwzględniony został tu także związek między starzeniem się a chorobami, a ponadto mowa jest w nich o tym, co obecnie można zrobić, aby spowolnić tempo starzenia się człowieka.

Rozdział 1, zatytułowany Podstawowe pojęcia biologii starzenia się, stanowi podstawę wszystkich następujących po nim rozdziałów książki. Została w nim zaprezentowana i wytłumaczona terminologia, którą posługują się biogerontolodzy, przedstawiono w nim rozwój tej subdyscypliny, a ponadto opisano organizmy modelowe, które naukowcy wykorzystują do badania procesu starzenia się i długowieczności. W rozdziale 2, pt. Ocena starzenia biologicznego, przyglądamy się bliżej podstawowym metodom używanym przez biogerontologów do oszacowania tempa starzenia się osobnika i populacji. Omówiono w nim i uzupełniono go o tabele reguły pomiaru umieralności oraz pojęcia niezbędne do zrozumienia ewolucji długowieczności. W tym punkcie student zostaje zaznajomiony z demografią i dowiaduje się, jak dzięki oferowanym przez nią narzędziom prognozować trajektorie starzenia się i długowieczności, a także jak uzyskane w ten sposób prognozy można zastosować do lepszego zrozumienia mechanizmów i przyczyn starzenia się.

Rozdział 3, Ewolucyjne teorie długowieczności i starzenia się, stanowi jądro całego podręcznika. Biogerontolodzy są zdolni do formułowania precyzyjnych hipotez na temat mechanizmów starzenia się i ich testowania tylko wówczas, gdy wiedzą, dlaczego się starzejemy, to znaczy jeśli rozumieją zjawiska starzenia się i ewolucji. W rozdziale 3 śledzimy rozwój teorii ewolucyjnych na temat długowieczności i starzenia się, począwszy od dawnych propozycji obserwacyjnych, a skończywszy na eksperymentach matematycznych i laboratoryjnych prowadzonych przez współczesnego ewolucjonistę.

Rozdziały 4 i 5 prezentują podstawowe odkrycia z zakresu biologii komórki i genetyki, dzięki którym poznaliśmy mechanizmy starzenia się. W rozdziale 4, zatytułowanym Starzenie komórkowe, mowa jest o podstawowych siłach rządzących wszechświatem, które mają wpływ na całość materii, a także dostarczają wyjaśnienia mechanizmów starzenia się. Tłumaczymy tu, w jaki sposób prawa termodynamiki określają fundamentalną zasadę starzenia komórkowego, głoszącą, że odzwierciedla ono akumulację uszkodzonych białek. Przedstawiając mechanizmy biochemiczne i fizjologiczne odpowiadające za akumulację uszkodzonych białek i określoną długość życia komórki, odwołujemy się do dwóch zjawisk: stresu oksydacyjnego i skracania telomerów.

Rozdział 5, Genetyka długowieczności, stanowi rozwinięcie treści zaprezentowanych w rozdziale 3, w którym stwierdzono, że długość życia gatunku jest powiązana z selekcją genów sprzyjających sukcesowi reprodukcyjnemu. Omawiamy tu wyniki wyrafinowanego badania laboratoryjnego na drożdżach i robakach, dzięki któremu zidentyfikowano konkretne geny odpowiadające za długość życia. Ponieważ ustalono już, że geny te wywierają podobny wpływ także na długość życia zwierząt wyższych, takich jak myszy czy szczury, student zrozumie, że biogerontologię czekają wkrótce wielkie odkrycia, dzięki którym możliwe będą manipulacje genetyczne wpływające na proces starzenia się i długowieczność.

Rozdział 6, Starzenie się roślin, prezentuje treści, które czynią ten podręcznik unikatowym – jest to pierwsza książka z zakresu biologii starzenia się, w której omówiono starzenie się roślin, a także znaczenie tego procesu dla zjawiska starzenia się człowieka i  zwierząt. Nauki o roślinach stanowią istotną część biologii, starzenie się roślin zaś to istotny element biologii starzenia się.

Starzenie się człowieka zaczynamy omawiać w rozdziale 7, pt. Długowieczność i długość życia człowieka, od przyjrzenia się nowemu obszarowi badań na temat starzenia się i długowieczności – biodemografii gerontologicznej. Biodemografia to nauka obliczeniowa łącząca ze sobą biologię i demografię. Wyniki badań prowadzonych w tym powstającym dopiero obszarze nauki dostarczają dowodów na to, że źródło starzenia się i czynniki wpływające na długowieczność człowieka mogą być inne niż w przypadku pozostałych gatunków, w tym pozostałych naczelnych. W drugiej połowie rozdziału przyglądamy się przyczynom bezprecedensowego wzrostu średniej długości życia ludzi w XX wieku.

Rozdział 8, Spadek funkcji związany ze starzeniem się, oraz rozdział 9, Związane z wiekiem choroby człowieka, omawiają zależne od czasu zmiany głównych układów fizjologicznych, tj. związane z wiekiem zmiany, które – ogólnie rzecz biorąc – nie zwiększają ryzyka choroby lub zgonu (rozdz. 8), ale też takie, których konsekwencją może być rozwój choroby, w związku czym zwiększa się umieralność i chorobowość (rozdz. 9). Podobnie jak to miało miejsce w poprzednich rozdziałach, także i tu przed omówieniem zmian związanych z wiekiem prezentujemy podstawową wiedzę z zakresu fizjologii.

Książkę zamyka rozdział 10, zatytułowany Regulowanie starzenia się i długowieczności człowieka, w którym omówiony zostaje krótko obecny stan wiedzy naukowej na temat możliwego regulowania starzenia się i długowieczności. Rozpoczynamy go od rozważań na temat ewentualnej niemożności manipulowania procesem starzenia biologicznego, a następnie omawiamy dwie metody, których wpływ na tempo starzenia się i długość życia został naukowo potwierdzony: (1) ograniczenie spożycia kalorii oraz (2) utrzymywanie aktywności fizycznej przez całe życie. Rozdział kończy się dyskusją na temat możliwych następstw wynikających ze spowolnienia procesu starzenia się i/lub zwiększenia długości życia człowieka.

Niniejszy podręcznik jest przystępnym wprowadzeniem do biogerontologii. Treść angażuje Czytelnika i została skomponowana tak, że ma się wrażenie, iż jest to opowieść, jednocześnie bez szkody dla dokładności, która jest cechą nieodłączną jakiegokolwiek tekstu biologicznego. Ilustracje są czytelne i towarzyszą im obszerne legendy, stanowiąc uzupełnienie tekstu głównego, a nie jego zwykłe powtórzenie. We wszystkich rozdziałach kluczowe pojęcia zostały pogrubione, a ich definicje znajdują się z obszernym Słowniku pojęć, a także w postaci internetowych fiszek; ramki uszczegóławiają wywód z tekstu głównego bądź wprowadzają dygresje związane z tematem rozdziału; Kluczowe pojęcia stanowią podsumowanie najważniejszych wiadomości zaprezentowanych w każdym z rozdziałów; Pytania do dyskusji stanowią pomoc dydaktyczną, Literatura uzupełniająca zaś to lista źródeł przyporządkowanych każdemu z rozdziałów.

Podczas lektury rozdziałów 2 i 7 można skorzystać z artykułu: E. Arias, United States life tables, 2006, Natl Vital Stat. Rep. 58:1-40, 2010, który stanowi wyjaśnienie obliczeń matematycznych stosowanych do opracowywania tablic przeciętnego dalszego trwania życia. Z pełnym raportem można się zapoznać na stronie amerykańskiego Centrum Kontroli i Zapobiegania Chorobom (www.cdc.gov).

Biogerontologia to nauka stosunkowo młoda. Jest to obszar badań, który dotyczy nas wszystkich – tych planujących karierę w naukach biologicznych, nauczycieli z innych dziedzin wiedzy, zdrowia czy medycyny, czy po prostu tych, którzy starzejąc się, chcą jak najwięcej dowiedzieć się o tym procesie. Mamy nadzieję, że niniejszy podręcznik przyda się także studentom biologii. Czekamy zarówno na ich opinię, jak i na opinię nauczycieli.

Podziękowania

Pierwsze – i najważniejsze – słowa podziękowania chciałbym skierować do tych wielu studentów i wykładowców, którzy uznali moją książkę za pomocną. Bez Was drugie wydanie by się nie ukazało. Dziękuję!

Wielkie podziękowania należą się pracownikom Garland Science, którzy zajmowali się przygotowywaniem drugiej edycji. Allie (Bochicchio) Troyanos, Twoja praca zakończyła się szybko, ale jak zwykle byłaś czarodziejką. Gdziekolwiek wylądowałaś, na pewno stało się to z korzyścią dla osób, które teraz Cię otaczają. Denise Schanck, byłaś twarzą i siłą napędową, dzięki której z Garland Science tak dobrze się współpracuje. Żywię szczerą nadzieję, że to, co teraz robisz, jest wspaniałe, bo na to zasługujesz.

CRC Press przejęło pracę zapoczątkowaną przez Garland Science. Choć tęsknię za ludźmi z Garland, w CRC jestem w równie dobrych rękach. Dzięki Chuckowi Crumly’emu trudne przejście od jednego wydawcy do drugiego było jak bułka z masłem. Cierpliwość dla zaniepokojonego autora była co najmniej niesłychana. Nie jestem w stanie wyobrazić sobie kogokolwiek lepiej nadającego się do tej pracy. Dziękuję Judith Simon i Suzanne Lassandro, które były moimi redaktorkami prowadzącymi. Obie byłyście przemiłe i wyrozumiałe. Jordan Wearing dostał pod koniec całego projektu trudne zadanie. To, jak dobrze je wykonał w tak krótkim czasie, było czymś spektakularnym. Dziękuję także Jennifer Blaise, Laurie Oksnowshy i wszystkim osobom, które pracują za kulisami CRC i dbają o szczegóły.

Poszczęściło mi się, że artystą Biologii starzenia był Mathew McClement. Jesteś po prostu wspaniały. Dziękuję także Arunowi Kumarowi i wszystkim wspaniałym ludziom z Nova Techset – tworzycie znakomity zespół.

Jessica Coppola, moja bliska przyjaciółka, wciąż kieruje mnie na właściwe tory. Monica Hall jest przecudowna. Dzięki temu, jak sprawnie posługujesz się angielszczyzną, książkę tę da się czytać.

Chciałbym uhonorować też Michaela Rose’a – za jego wizjonerstwo i przełomowy wkład w biogerontologię. Twoje nauczanie i badanie ewolucji starzenia się były dla mnie motywacją, kiedy pisałem ten podręcznik. W niczym się nie pomyliłeś, choć wciąż jeszcze wielu rzeczy nie rozumiem.

1
Podstawowe pojęcia Biologii starzenia się

W tym rozdziale …

Biogerontologia – badania nad starzeniem biologicznym

Definicje starzenia biologicznego

Jak biogerontolodzy badają starzenie się. Wykorzystywanie organizmów modelowych w badaniach nad starzeniem się człowieka

Jak biogerontolodzy badają starzenie się. Biogerontologia porównawcza

Jak biogerontolodzy badają starzenie się. Biologia systemów

Co przed nami

„Nie pozbawiaj mnie mojego wieku. Zarabiałam na to”.

May Sarton, poetka i pisarka (1912–1995)

Dlaczego z wiekiem doświadczamy pogorszenia stanu fizycznego? Dlaczego żyjemy tyle, ile żyjemy? Ważniejsze pytanie: czy moglibyśmy żyć dłużej, na dodatek w zdrowiu? Człowiek zadawał sobie te pytania, odkąd stał się istotą samoświadomą, a więc mniej więcej już milion lat temu. Jednakże dopiero około roku 1930 naukowcy zaczęli prowadzić badania w celu rozwiązania tajemnicy starzenia biologicznego, dopiero zaś na przestrzeni ostatnich 15–20 lat udało się poznać przyczynę leżącą u podłoża tego procesu. Jako że opisano już główny mechanizm tego zjawiska, możemy obecnie próbować odpowiedzieć na postawione wyżej pytania. W niniejszej książce prezentujemy badania, dzięki którym zrozumieliśmy przyczynę starzenia biologicznego, a ponadto rozważamy, w jaki sposób odkrycia te mogą przyczynić się do opracowania metod przedłużania życia przy jednoczesnym zachowaniu zdrowia.

Opisanie przyczyny starzenia się zaskoczyło wielu naukowców, ponieważ ma ona więcej wspólnego z fizyką niż z biologią. Okazuje się, że starzenie biologiczne przebiega zgodnie z tymi samymi zasadami fizyki, które sprawiają, że z czasem materia wszechświata rozpada się – czyli z zasadami termodynamiki. Nie istnieją geny ani szlaki genetyczne, które w toku ewolucji uległy selekcji i miały odpowiadać za starzenie się lub regulację tempa tego procesu. Bez regulacji wraz ze starzeniem się różne rodzaje dysfunkcji są losowe i wysoce zindywidualizowane. Innymi słowy, „normalne” starzenie się nie istnieje.

Wiemy obecnie, że wiele ubytków funkcjonalnych oraz wiele chorób związanych z wiekiem są w rzeczywistości powiązane raczej z czynnikami środowiskowymi niż z procesem starzenia się. Jednym w głównych motywów tej książki jest twierdzenie o znaczącym wpływie środowiska na zdrowie i proces starzenia się. Czytelnik dowie się, że mając pod kontrolą niebezpieczeństwa generowane przez środowisko lub chroniąc się przed nimi, po raz pierwszy w historii jesteśmy w stanie zmodyfikować tempo starzenia się i zapobiegać wielu chorobom pojawiającym się w podeszłym wieku.

W niniejszym rozdziale koncentrujemy się na ogólnych zasadach i pojęciach stosowanych w biogerontologii, nauce zajmującej się  biologicznymi mechanizmami oraz przyczynami starzenia się. Nasze omówienie rozpoczynamy od krótkiego rysu historycznego na temat biogerontologii, poczynając od jej powstania aż po rozwinięcie w niezależną subdyscyplinę biologii. Następnie analizujemy podstawową przyczynę starzenia się oraz przedstawiamy, jak biogerontolodzy definiują starzenie się. Zajmujemy się także biogerontologicznym modelowaniem starzenia się człowieka z wykorzystaniem zwierząt modelowych, badań nad zwierzętami żyjącymi na wolności i analiz ilościowych.

Biogerontologia – badania nad starzeniem biologicznym

Badania prowadzone w obszarze nauk biologicznych skupiają się na poszukiwaniu odpowiedzi na pytanie „jak” i „dlaczego” żyjemy. Biogerontologia koncentruje się na owych „jak” i „dlaczego” w odniesieniu do procesu starzenia się. Ta stosunkowo młoda dziedzina badań zajmuje się procesami biologicznymi, które zachodzą w organizmach żywych wraz z wiekiem oraz integruje badania wielu różnych dyscyplin, w tym biofizyki, chemii fizycznej, biologii molekularnej, neurobiologii, biochemii, genetyki, biologii ewolucyjnej, medycyny i gerontologii (nauki zajmującej się starzeniem się człowieka i problemami osób starszych). Zakres tego obszaru wiedzy jest szeroki – począwszy od zagadnień dotyczących uszkodzeń białek na poziomie molekularnym w najmniejszych komórkach aż po miażdżycę tętnic u dorosłego człowieka.

Biolodzy zaczęli zajmować się procesem starzenia się w momencie, gdy wzrosła długość życia człowieka

Choć poważne badania z zakresu nauk o życiu miały miejsce już 400 lat temu, skrupulatna analiza mechanizmów starzenia przypada na ostatnie 70–80 lat. Dlaczego w naukach o życiu kładziono tak niewielki nacisk na badanie mechanizmów starzenia biologicznego i długowieczności, czyli potencjalnego maksymalnego wieku, który może osiągnąć osobnik danego gatunku?

Tabela 1.1

Główne przyczyny zgonów w Stanach Zjednoczonych w latach 1900 i 2015

1900

% zgonów

2015

% zgonów

Grypa i zapalenie płuc

12

choroba serca

23

Gruźlica

11

nowotwór

22

Biegunka

8

przewlekła obturacyjna choroba płuc

6

Choroba serca

8

obrażenia niezamierzone (błędy lekarskie)

5

Udar

6

udar

5

Choroba nerek

5

choroba Alzheimera

4

Wypadki

4

cukrzyca

3

Nowotwór

4

grypa i zapalenie płuc

2

Starość*

3

choroba nerek

1

Błonica

2

samobójstwo

1

*Wszystkie rodzaje demencji klasyfikowano jako starość. Choroba Alzheimera nie została jeszcze opisana.

Do początku XX wieku starzenie stanowiło w oczach biologów zagadnienie nieistotne, ponieważ ludzie (długość życia pojedynczego organizmu) żyli stosunkowo krótko. W okresie od 1500 do 1900 r. n.e. przeciętna długość życia człowieka w Europie Zachodniej i Stanach Zjednoczonych wahała się w zakresie od 35 do 45 lat (ryc. 1.1). W okresie tym w przypadku większości osób składających się na daną populację ich śmierć następowała w momencie narodzin, a w przypadku kobiet – podczas porodu; choroby wieku dziecięcego doprowadziły do śmierci milionów dzieci poniżej 10. roku życia, choroby zakaźne zaś, takie jak grypa czy gruźlica, dotykały wszystkich grup wiekowych (tab. 1.1). Nie istniały żadne przesłanki, które zdecydowanie przekonywałyby o potrzebie badania zjawiska starzenia się dotykającego tak niewielkiej grupy osób. Biolodzy zajmowali się za to badaniem i metodami leczenia chorób, które powodowały śmierć większości ludzi, zanim ci zdążyli się zestarzeć. Refleksja nad starością zarezerwowana była dla filozofów i teologów.

Ryc. 1.1. Przeciętne oczekiwane dalsze trwanie życia w momencie narodzin dla Europy Zachodniej i Stanów Zjednoczonych w okresie 1500–2010 r. Liczby nad krzywą to procentowy wzrost oczekiwanego dalszego trwania życia z jednego stulecia na drugie. Wstawiona w wykres tabela przedstawia przeciętne oczekiwane dalsze trwanie życia w kolejnych dekadach od roku 1910 w Stanach Zjednoczonych. Zauważmy, że przed rokiem 1910 średnia długość życia nie przekraczała 50 lat (dane z Gy Acsádi, J. Nemeskéri. 1970. History of human life span and mortality. Budapest: Akadémiai Kiadó. Za zgodą University of Chicago Press; Arias E. 2010. U.S. life tables. 2006. Natl Vital Stat Rep 58:1–40. Za zgodą National Center for Health Statistics; Goba.se. 2017. The World: Life Expectancy. http://www.geoba.se/population.php?pc=world&type=015&year=2017&st=rank&asde=&page=1)

W latach 40. XX wieku biogerontologia stała się niezależnym obszarem badań

Od początku XX wieku miał miejsce postęp naukowy i technologiczny, który doprowadził do wzrostu długości życia. Jednakże badania nad starzeniem biologicznym i długowiecznością prowadziło wciąż niewielu naukowców. W rezultacie wiedza na temat biologicznych podstaw starzenia i możliwych metod leczenia dysfunkcji związanych z wiekiem nie wzrastała proporcjonalnie do zwiększania się długości życia. Niewielka ilość badań na temat starzenia między rokiem 1900 a połową lat 30. XX wieku była, przynajmniej po części, skutkiem nieistnienia organizacji państwowych, które wspierałyby takie badania i zapewniły naukowcom platformę wymiany koncepcji i wyników badań. Jeśli chodzi o inne dziedziny biologii, jak fizjologia, chemia czy anatomia, istniały prężnie działające towarzystwa naukowe, niektóre nawet od 150 lat, które wspierały swoich członków w pozyskiwaniu funduszy na badania, publikowaniu wyników badań w czasopismach naukowych oraz organizowały coroczne spotkania naukowe.

Dopiero w roku 1937 grupa naukowców zorganizowała pierwsze posiedzenie Klubu Badań nad Starzeniem Się w Woods Hole w stanie Massachussets. Klub Badań nad Starzeniem Się przekształcił się potem w Amerykańskie Towarzystwo Gerontologiczne. W roku 1946 organizacja ta opublikowała pierwszy numer czasopisma Journal of Gerontology poświęconego wyłącznie badaniom nad starzeniem się. Mniej więcej w tym samym czasie lekarze spostrzegli, że wraz ze wzrostem długości życia pojawia się więcej chorób związanych z wiekiem, w związku z czym w roku 1942 powołali Amerykańskie Towarzystwo Geriatryczne (geriatria to gałąź medycyny zajmująca się problematyką starości i związanych z nią chorób). Powstanie dwóch wspomnianych towarzystw dało początek zorganizowanym badaniom nad starzeniem się.

Amerykańskie Towarzystwo Gerontologiczne i Amerykańskie Towarzystwo Geriatryczne odegrały kluczową rolę w uświadomieniu, że biologiczna i medyczna problematyka starzenia się domagają się ściśle ukierunkowanego i zorganizowanego programu badawczego. Bez niego Stany Zjednoczone i inne kraje rozwinięte musiałyby zmierzyć się z kryzysem zdrowia w przyszłych dziesięcioleciach. W związku z tym w 1957 roku Narodowe Instytuty Zdrowia (NIH), główny podmiot dotujący w USA badania medyczne i biologiczne, powołały do życia Centrum Badań nad Starzeniem Się. Przez półtorej dekady program znacząco się rozwinął, a w 1974 roku powstał Narodowy Instytut Starzenia Się (NIA), będący niezależnym podmiotem grantowym podlegającym NIH. Obecnie NIA dysponuje rocznym budżetem wynoszącym ponad 1,2 miliarda dolarów i wspiera finansowo badania związane ze starzeniem się z zakresu biologii, medycyny i behawiorystyki.

Współczesne badania nad starzeniem się są holistyczne

Początkowo na programy badawcze prowadzone w Centrum Badań nad Starzeniem Się, a potem w NIA, składały się przede wszystkim badania biologiczne i biomedyczne, których celem miała być poprawa zdrowia starzejącej się populacji. Wkrótce stało się jasne, że starzenie się populacji zachodzi szybciej niż rozwój badań, a znaczącą liczbę osób dotykają związane z wiekiem dysfunkcje, na które nie ma lekarstwa. Znaczącym problemem związanym ze zdrowiem osób starszych stawała się jakość życia, a nie to, ile osób dożywa starości. W związku z tym NIA zainicjował programy obejmujące badania z zakresu psychologii, socjologii, pielęgniarstwa, opieki hospicyjnej i innych dziedzin, które skupiały się na opiece i ogólnym samopoczuciu osób starszych.

Włączenie do programu badań gerontologicznych i geriatrycznych nauk behawioralnych i nauki o opiece paliatywnej czynią badania nad starzeniem się unikalnymi w porównaniu z innymi badaniami związanymi ze zdrowiem. Na starzenie się i śmierć nie ma lekarstwa, stąd też w badaniach gerontologicznych i geriatrycznych bardziej niż w jakiejkolwiek innej dziedzinie należy stosować podejście holistyczne. Badania biogerontologiczne służące poprawie zdrowia i wydłużeniu życia muszą pozostawać w zgodzie z faktem, że bez względu na skuteczność lekarstwa na daną dysfunkcję związaną z wiekiem zestarzejemy się, a w końcu umrzemy. W związku z tym biogerontolodzy muszą być nie tylko specjalistami w swojej dziedzinie, lecz brać także udział w debatach na temat psychologicznych, społecznych i ekonomicznych konsekwencji poprawy zdrowia i dobrego samopoczucia osób starszych.

Starzenie biologiczne zachodzące u gatunków innych niż człowiek ma wiele cech wspólnych ze starzeniem się obserwowanym u ludzi

Do niedawna starzenie biologiczne innych organizmów cieszyło się mniejszą uwagą niż starzenie się człowieka. Głównym powodem tego stanu rzeczy było przyjęte przez większość naukowców przekonanie, że z uwagi na drapieżnictwo niewiele dzikich zwierząt może osiągnąć zaawansowany wiek. Obecnie naukowcy wiedzą już, że natura dostarcza wielu przykładów starzenia się zwierząt na wolności. Co więcej, proces starzenia się wszystkich eukariontów (organizmów, których materiał genetyczny zawarty jest w jądrze komórkowym), od organizmu najprostszego, jednokomórkowych drożdży, aż po organizm najbardziej złożony, Homo sapiens, jest do siebie pod pewnymi względami podobny. Osiągnęliśmy obecnie punkt, w którym odkrycia dotyczące procesu starzenia się i długowieczności nicienia Caenorhabditis elegans można bezpośrednio zastosować do badań nad myszami lub innymi organizmami złożonymi. O tym, jakich wskazówek starzenie się zwierząt żyjących na wolności dostarcza w badaniach nad starzeniem się człowieka, jest mowa w dalszej części niniejszego rozdziału.

Badanie starzenia się to proces złożony

Przypomnijmy, że systematyczne badania nad starzeniem się trwają dopiero od 70–80 lat, co w perspektywie nauk biologicznych jest okresem bardzo krótkim. O ile biogerontolodzy zgromadzili dużą wiedzę na temat przyczyn starzenia się człowieka i jego długowieczności, o tyle spostrzegli oni również, że badania nad starzeniem się cechuje złożoność i że wpływają na nie czynniki, które trudno jest kontrolować. To, jak się starzejemy, zależy na przykład w dużej mierze od naszych trwających całe życie interakcji ze środowiskiem. Nie ma dwóch osób, których interakcje ze środowiskiem byłyby identyczne. Jak dowiemy się w następnym rozdziale, z tego właśnie powodu tempo starzenia jest wysoce zróżnicowane międzyosobniczo i nie można go określić za pomocą wartości średnich pochodzących z badań różnych populacji. Choć czynniki środowiskowe można kontrolować, wykorzystując do modelowania procesu starzenia się człowieka zwierzęta, to zmienność tempa tego procesu w obrębie gatunku nadal pozostanie. Różnice między genomami osobników również wpływają na zmienność ich tempa starzenia się, a naukowcy są zdania, że zmienność tę niełatwo kontrolować, nawet jeśli wykorzysta się wyrafinowaną inżynierię genetyczną służącą wyprodukowaniu identycznych pod względem genetycznym zwierząt.

Różnice w tempie starzenia się między różnymi gatunkami również stanowią wyzwanie dla badań nad starzeniem się i długowiecznością i są powodem, dla którego trudno jest podać precyzyjną definicję starzenia się. Średnia długość życia człowieka w krajach rozwiniętych wynosi 70–80 lat. Niektórzy mogą jednak dożyć nawet 122 lat (ryc. 1.2A). Dorosła samica jętki z gatunku Dolania americana przechodzi stadium nimfy, składa jaja i umiera po maksymalnie 5 minutach – o ile wcześniej nie zje jej na obiad pstrąg (zob. ryc. 1.2B). Przykłady zróżnicowania starzenia się w obrębie królestwa roślin są nie mniej spektakularne. Kukurydza cukrowa (Zea saccharata) kiełkuje, dojrzewa i umiera w trakcie 4-miesięcznego sezonu (zob. ryc. 1.2C). A jeśli pojedzie się w Góry Białe we wschodniej Kalifornii, będzie można dotknąć sosny ościstej (Pinus aristata), która żyje ponad 5000 lat (zob. ryc. 1.2D).

Ryc. 1.2. Przykłady zróżnicowania długości życia wśród zwierząt i roślin. (A) Jeanne Calment, najstarsza znana osoba, zmarła 4 sierpnia 1997 r. w wieku 122 lat. (B) Niektóre gatunki jętek umierają w ciągu 5 minut od opuszczenia stadium nimfy. (C) Cykl życia kukurydzy cukrowej wynosi zaledwie 4 miesiące. (D) Drzewa sosny ościstej mogą żyć ponad 5000 lat (A – G. Gobet/AFP/Getty Images; B–D – Thinkstock)

Przyczyna i mechanizmy starzenia się to dwa odrębne, ale powiązane procesy

Literatura naukowa i popularnonaukowa poświęcona starzeniu biologicznemu może wprowadzać w błąd, ponieważ nieprawidłowo używa się w niej pojęć „przyczyna” i „mechanizm”. Często terminy te wykorzystywane są wymiennie, choć gdy mowa o starzeniu, mają one inne znaczenia. W niniejszym tekście, w dbałości o jasność i precyzję, rozróżnia się przyczynę i mechanizm starzenia się (ryc. 1.3). Przyczyna starzenia się to siły termodynamiczne, które oddziałują na organizm w ciągu jego życia. Wyróżniamy tylko jedną przyczynę starzenia się – jest nią wzrastająca entropia. Jak pamiętamy, entropia to miara nieuporządkowania czy też losowości danego układu. Wpływ entropii na organizm mierzymy jako zależne od czasu zmiany struktury i funkcji biocząsteczek. Mechanizmami starzenia się są zmiany w biocząsteczkach prowadzące do spadku funkcji. Wyróżniamy nieskończoną ilość możliwych do zaobserwowania mechanizmów. Szczegółowe omówienie wpływu wzrastającej entropii na przebieg życia organizmu zawiera rozdział 4.

Ryc. 1.3. Związek między przyczyną a mechanizmami starzenia się

Wyróżniamy także dwa rodzaje mechanizmów starzenia się: dystalny i proksymalny (zob. ryc. 1.3). Obecnie wiemy już, że zdarzenia z początku życia mogą mieć znaczący wpływ na tempo starzenia się, choć ich następstwa przez wiele dziesięcioleci mogą pozostać utajone. Zdarzenia te składają się na dystalny mechanizm starzenia się. Otyłość dziecięca może na przykład wywoływać zmiany w regulacji poziomu glukozy we krwi i/lub prowadzić do cukrzycy typu 2 w piątej i szóstej dekadzie życia. Proksymalne mechanizmy starzenia się odnoszą się do zdarzeń prowadzących natychmiast i bezpośrednio do zmian funkcjonowania i często zależą od mechanizmów dystalnych. Zmiany w regulacji poziomu glukozy we krwi wynikające z otyłości dziecięcej, czyli mechanizmu dystalnego, wpływają na zmianę w strukturze i funkcjonowaniu receptora insulinowego na powierzchni komórki, co jest proksymalnym mechanizmem starzenia.

Definicje starzenia biologicznego

Jak brzmi definicja starzenia biologicznego? Trudno było ją sformułować, ponieważ do niedawna przyczyna starzenia się była nieznana, a przynajmniej stanowiła przedmiot debat. W rezultacie z biegiem lat zaproponowano setki definicji tego zjawiska. Obecnie wiemy już, co jest przyczyną starzenia się, i jesteśmy w stanie sformułować precyzyjniejszą definicję starzenia biologicznego. Biogerontologia jest jednak zróżnicowanym obszarem badań, w których udział biorą naukowcy z wielu różnych dyscyplin. Definicja stosowana w niniejszej książce i sformułowana z myślą o biologach może nie mieć zastosowania do innych działów szerokiego obszaru biogerontologii (choć proces starzenia się pozostaje taki sam). Może tak być zwłaszcza w odniesieniu do obszarów, których jedynym przedmiotem jest starzenie się człowieka.

Niniejszy podrozdział rozpoczynamy od prześledzenia historii i rozwoju definicji starzenia i rozważań, dlaczego definicje te pozostają aktualne w odniesieniu do określonych obszarów składających się na biogerontologię. Podrozdział zamyka definicja starzenia się, która będzie stanowić podstawę dla lektury całej książki.

Pierwsze definicje starzenia biologicznego opierały się  na umieralności

Wielu naukowców definiowało starzenie biologiczne w perspektywie podwyższonego ryzyka zgonu czy też podwyższonej umieralności. Oto przykłady: „Starzenie biologiczne polega na wzroście współczynnika umieralności” albo: „wzroście prawdopodobieństwa zgonu lub zaniku aktywności organizmu wraz z wiekiem kalendarzowym lub upływem cyklu życiowego”. Oparte na umieralności definicje starzenia sprawdzają się w obszarze demografii starzenia, czyli w badaniach nad wielkością i umieralnością populacji. Przydatność pojęcia umieralności do opisywania procesów starzenia omawiamy szczegółowo w rozdziale 7, w którym zajmujemy się biodemografią, subdyscypliną demografii łączącą demografię klasyczną z teorią ewolucji w celu analizy wzorców starzenia się populacji.

Oparte na umieralności definicje starzenia biologicznego znajdują mniejsze zastosowanie w badaniach nad zależnościami między zdarzeniami biologicznymi a starzeniem na poziomie osobnika, a nie populacji. Dla przykładu można wykazać, że pomarszczona skóra i siwe włosy 80-letniej osoby są skutkiem zmian biochemicznych w tkankach, które sprawiają, że funkcjonują one gorzej niż u osoby 10-letniej. Są to oczywiste oznaki starzenia biologicznego. Jest jednak mało prawdopodobne, by zmiany skóry i włosów u starzejącego się człowieka znacząco zwiększały jego ryzyko zgonu. Starzenie się tych narządów nie jest bowiem równoznaczne ze śmiercią. Podobnie też z owocem jabłoni – rozwija się on, dojrzewa i umiera, nie wpływając znacząco na ryzyko śmierci całego drzewa. Opierając się na ryzyku śmierci jako mierze starzenia się, nie jesteśmy również w stanie rozróżnić starzenia się i długowieczności. Jak dowiemy się w rozdziale 3, długowieczność odnosi się do pojedynczego momentu w czasie, na opracowanej przez badacza skali, podczas gdy starzenie się opisuje zmiany, które zachodzą przez pewien czas.

W przypadku wybranych gatunków starzenie się równa się śmierci – i wówczas jego definicje oparte na umieralności są adekwatne. U wspomnianej już jętki śmierć następuje tak szybko po opuszczeniu stadium nimfy, że oszacowanie tempa starzenia się mógłoby nastręczać trudności. Nerka – gatunek łososia pacyficznego (Oncorhynchus nerka) to kolejny dobry przykład sytuacji, gdzie śmierć równa się starzeniu się. Łosoś ten 99% długości życia spędza w otwartym oceanie i w tym okresie nie wykazuje żadnych mierzalnych oznak starzenia się. Powróciwszy jednak w wody słodkie na tarło, zaczyna objawiać widoczne oznaki starzenia się, a jego stan szybko się pogarsza (ryc. 1.4). Śmierć następuje niemal natychmiast po zakończeniu tarła. Gdy jednak mowa o innych formach życia, śmierć nie równa się starzeniu biologicznemu.

Ryc. 1.4. Zależność między cyklem życiowym a starzeniem się łososia pacyficznego – nerki (Oncorhynchus nerka). Nerka przychodzi na świat w strumieniach słodkowodnych, staje się młodą rybą, po czym migruje do oceanu. W oceanie rozwija się w osobnika dorosłego, ale nie rozmnaża się. Między 2. a 5. rokiem życia nerka powraca do strumieni słodkowodnych, w których się urodziła, i przystępuje do tarła. Wówczas jej starzenie się postępuje szybko – pojawia się garb na jej grzbiecie, a szczęki się zakrzywiają. Umiera zazwyczaj w ciągu 2 tygodni od tarła (zgodnie z ruchem wskazówek zegara, zaczynając od góry: A. Nakazawa/Getty Images; Thinkstock; Visual Photos; Thinkstock; Ocean/Corbis; Ocean/Corbis)

Do opisu starzenia biologicznego na przestrzeni określonego czasu służą definicje funkcjonalne

Naukowcy zajmujący się korelacjami między konkretnymi zdarzeniami biologicznymi a tempem starzenia uznają definicje funkcjonalne tego zjawiska – określające, jak dobrze coś działa – za bardziej przydatne niż definicje oparte na umieralności. Oto dwie powszechnie przyjęte definicje tego rodzaju: (1) „[Starzenie się to] niekorzystne, zachodzące z czasem zmiany, które rozpoczynają się po zakończeniu dojrzewania i które odpowiadają za zwiększanie podatności na szkodliwe czynniki, a związku z tym obniżają zdolność organizmu do przetrwania” (Masoro, 1995); (2) „Przez starzenie się rozumie się głównie związane z wiekiem zmiany w organizmie, które wpływają niekorzystnie na jego witalność i funkcjonowanie, a co ważniejsze – podnoszą ryzyko zgonu będące funkcją czasu. Starość to końcowy etap starzenia się, w którym ryzyko śmierci zbliża się do 100%” (Finch, 1990).

Siła tych definicji tkwi w fakcie, że wskazują one na procesy związane z podeszłym wiekiem – „zwiększenie podatności na szkodliwe czynniki” i „zmiany […], które wpływają niekorzystnie na […] witalność i funkcjonowanie” – a zatem na procesy, które da się zmierzyć i śledzić ich przebieg w czasie. Funkcjonowanie mięśni możemy na przykład ocenić, sprawdzając, jaki ciężar jest w stanie przesunąć lub podnieść określona ich grupa. Jak wynika z wielu badań, siła mięśni, jak również wiele innych funkcji fizjologicznych, rzeczywiście obniża się po okresie dojrzałości. Definicje te wskazują również na konkretny okres, w którym mamy „wypatrywać” starzenia się – a mianowicie po zakończeniu dojrzewania, czyli wtedy, gdy organizm już w pełni się rozwinie.

Obie te definicje mają jednak swoje ograniczenia. Obie odnoszą się do poziomu organizmu; starzenie się określają w perspektywie całego organizmu, a nie na niższym poziomie organizacji, np. w odniesieniu do funkcjonowania komórki. Żadna z nich nie uwzględnia także możliwych zdarzeń w okresie rozwoju i wzrostu, które mogą mieć bezpośredni wpływ na życie po zakończenia dojrzewania. Co więcej, opierając się na funkcjonalnych definicjach starzenia się, trudno jest orzec, kiedy się ono zaczyna. Niektóre funkcje fizjologiczne osłabiają się, gdy inne wciąż jeszcze się rozwijają. Grasica człowieka zaczyna na przykład ulegać atrofii ok. 14. roku życia, kiedy to najwyższą wartość może właśnie osiągać tempo wzrostu kości.

Definicja starzenia się na użytek Biologii starzenia

Możemy podać kilka przyczyn, dla których opracowaliśmy taką, a nie inną definicję starzenia się na potrzeby tego podręcznika. Przede wszystkim znamy już obecnie przyczynę starzenia komórkowego. Starzenie komórkowe jest wynikiem losowej i stochastycznej (proces stochastyczny to taki, dla którego możemy przeanalizować rozkład lub wzorzec prawdopodobieństwa, ale nie jesteśmy w stanie dokładnie go przewidzieć) akumulacji uszkodzonych białek, będącej następstwem interakcji organizmu ze środowiskiem. Polega to na tym, że w naszych komórkach gromadzą się białka, które bądź to nie funkcjonują optymalnie, bądź to nie funkcjonują wcale. Losowy charakter starzenia się oznacza też, że nie podlega ono ewolucji, a zatem nie istnieją geny, które by ten proces regulowały. Mechanizm leżący u podłoża losowej i stochastycznej akumulacji uszkodzeń oraz przesłanki przemawiające za tym, że starzenie się nie podlega ewolucji, omawiane są szczegółowo w rozdziałach 3, 4 i 5.

Dla opracowania definicji starzenia się istotne były także trzy inne założenia, które omawiamy dokładnie w tej książce: (1) Starzenie biologiczne odbywa się na wielu poziomach organizacji biologicznej i być może nie da się go bezpośrednio odnieść do całego organizmu. (2) Czynniki, które warunkują zanik biochemiczny i fizjologiczny prowadzący do pogorszenia się funkcjonowania organizmu w podeszłym wieku, mogą mieć źródła we wczesnym okresie rozwoju. (3) Długowieczność i starzenie się to procesy powiązane ze sobą, ale odrębne. Na podstawie tych rozważań starzenie biologiczne definiujemy w następujący sposób:

Starzenie się to losowa zmiana struktury i funkcji cząsteczek, komórek i organizmów, wywołane upływem czasu i interakcjami ze środowiskiem. Starzenie się zwiększa prawdopodobieństwo śmierci.

Kluczowe dla tej definicji jest stwierdzenie o losowych zmianach dotyczących struktury i funkcji cząsteczek. Jak dowiemy się z tego podręcznika, pojawiające się losowo zmiany w budowie i funkcji cząsteczek są wynikiem oddziaływania środowiska i mogą wywierać znaczący wpływ na proces starzenia się.

Nasza definicja nie wskazuje konkretnego momentu, w którym starzenie się rozpoczyna; głosi jedynie, że jest procesem zachodzącym w czasie. Przyjęliśmy takie podejście, ponieważ pojawia się coraz więcej poważnych dowodów wskazujących na to, że osobnicza trajektoria tempa starzenia się może być uzależniona od czynników środowiskowych oddziałujących nawet w okresie płodowym.

Do opisu procesu starzenia wykorzystuje się pojęcia rozwoju, dojrzałości i starzenia postreprodukcyjnego

Nasza definicja nie podaje okresu, w którym najprawdopodobniej wystąpi starzenie. Zakłada ona, że starzenie biologiczne ma charakter ciągły – rozpoczyna się z chwilą narodzin, a kończy się z chwilą śmierci. Choć takie ujęcie przedstawia pewną wartość teoretyczną, czyni trudnym porównywanie zmian w czasie życia. Musimy zatem wyznaczyć określone punkty w cyklu życiowym, które będą odpowiadać odrębnym okresom starzenia biologicznego. W niniejszej książce starzenie biologiczne będziemy omawiać w kategoriach rozwoju, dojrzałości i starzenia postreprodukcyjnego.

Rozwój to etap życia cechujący się występowaniem ogólnie korzystnych zmian funkcjonalnych. To wówczas larwa przeobraża się w poczwarkę, następuje ekspresja cech płciowych, a białka zsyntetyzowane w procesie transkrypcji na podstawie informacyjnego RNA (mRNA) osiągają swą czwartorzędową strukturę. Okres rozwoju dobiega końca, gdy organizm osiąga maksymalny poziom rozwoju (wzrastania) – to wówczas wiele organizmów osiąga optymalny sukces reprodukcyjny. Jeśli zaś chodzi o cząsteczki bioaktywne, komórki i narządy, rozwój kończy się z chwilą, gdy osiągnięta zostaje optymalna ich funkcjonalność. Dojrzałość to okres, w którym funkcjonowanie organizmu utrzymuje się na optymalnym poziomie lub powoli się obniża. Okres ten kończy się, gdy zaczyna zanikać zdolność do opierania się siłom entropii (degradacji materii i energii we wszechświecie do momentu osiągnięcia maksimum rozproszenia) w organizmie lub cząsteczce. Zdolność opierania się siłom entropii jako czynnik istotny dla starzenia się została szczegółowo omówiona w rozdziale 4. Starzenie postreprodukcyjne charakteryzuje się z reguły zanikiem witalności i funkcjonowania. Jego końcowym etapem jest śmierć.

Jak widać na ryc. 1.5, czas trwania każdego z tych etapów i ich udział w całkowitej długości życia znacznie różni się w zależności od formy życia. Krzywa etapów życia człowieka (zob. ryc. 1.5A) jest właściwa na przykład organizmom, u których większość długości życia stanowią okres rozwoju i okres dojrzałości. Mówiąc ogólnie, rośliny i zwierzęta, które wpisują się w ten wzorzec starzenia, osiągają określoną wielkość i są iteroparyczne, czyli przystępują do rozrodu więcej niż raz w ciągu życia. Inną cechą tych organizmów jest fakt, że znaczącą część ich życia stanowi okres postreprodukcyjny. Starzenie postreprodukcyjne tych organizmów przebiega zazwyczaj stopniowo.

Ryc. 1.5. Krzywe faz rozwoju osobniczego ukazują trzyetapowe wzorce starzenia biologicznego różnego rodzaju organizmów. Fazę progresywną (rozwoju) każdego z organizmów oznaczono kolorem zielonym, fazę dojrzałości – kolorem żółtym, a fazę starzenia postreprodukcyjnego – kolorem czerwonym. (A) Krzywa opisująca etapy życia człowieka jest typowa dla organizmów, których większość życia zajmują fazy rozwoju i dojrzałości. (B). Krzywa opisująca etapy życia cykady Magicicada septendecim jest charakterystyczna dla organizmów z wydłużoną fazą rozwoju. (C) Krzywa opisująca etapy życia krwinki czerwonej człowieka przedstawia starzenie się cząsteczek organicznych. (D) Krzywa opisująca etapy życia jesiotra amerykańskiego (Acipenser transmontanus) ukazuje życie organizmów, które – jak się  wydaje – nie ulegają starzeniu się

Cykada Magicicada septendecim, której krzywą etapów życia przedstawiono na ryc. 1.5B, to przykład organizmu o wydłużonej fazie rozwoju. (Cykada ta przez 16,5 roku żyje pod ziemią w postaci nimfy). Po fazie rozwoju następuje bardzo krótki etap dojrzałości, kiedy to cała energia organizmu inwestowana jest w reprodukcję. Po fazie dojrzałości następuje natychmiast faza gwałtownego starzenia postreprodukcyjnego. U zwierząt i roślin, których krzywa etapów życia przedstawia się w ten sposób, faza postreprodukcyjna następująca po fazie dojrzałości nie występuje i produkują one potomstwo zazwyczaj w jednym sezonie rozrodczym.

Kształt krzywej etapów życia krwinki czerwonej człowieka (zob. ryc. 1.5C) przedstawia starzenie cząsteczek organicznych. Krótki i szybki okres rozwoju odpowiada syntezie cząsteczki, białka lub komórki i liczy się go w sekundach lub dniach. Dojrzałość to okres pełnej funkcjonalności białka – w tym przypadku polegającej na zdolności występującej w komórce hemoglobiny do przenoszenia tlenu i dwutlenku węgla. Starzenie postreprodukcyjne jest wyrażone przez katabolizm (metaboliczny proces rozkładu polegający na przekształcaniu złożonych substancji w prostsze związki).

Z kolei ryc. 1.5D przedstawia krzywą etapów życia jesiotra amerykańskiego (Acipenser transmontanus) i stanowi ogólny wzorzec przebiegu życia organizmów, u których – jak się wydaje – starzenie postreprodukcyjne nie zachodzi lub zachodzi w minimalnym stopniu. Spośród wszystkich czterech najtrudniej jest opisać właśnie ten wzorzec, po części dlatego, że dysponujemy ograniczoną ilością danych na temat długości życia tego rodzaju organizmów. Niemniej możemy wymienić kilka cech łączących organizmy, które unikają starzenia postreprodukcyjnego: ciągły wzrost, reprodukcja opóźniona do końcowej części okresu reprodukcyjnego i iteroparyczność (wielokrotne przystępowanie do rozrodu).

Starzenie biologiczne różni się od chorób podeszłego wieku

Jak można było zauważyć, omawiając starzenie biologiczne, ani razu nie wspomnieliśmy o chorobach wieku podeszłego. W naszej ocenie wykorzystywanie chorób podeszłego wieku jako modelu służącego do opisu mechanizmów starzenia biologicznego nie służy bowiem zrozumieniu tych ostatnich – podobnie jak analiza wyników badań nad ospą wietrzną nie pogłębi naszej wiedzy na temat biologii rozwoju. Choroba to proces, w ramach którego normalne funkcjonowanie zwierzęcia lub rośliny zostaje zaburzone. Z kolei – jak przekonamy się w rozdziale 4 – wynikające ze starzenia biologicznego zmiany funkcjonalne i obniżenie (osłabienie) stanu fizycznego jest następstwem zaniku odporności na entropię, wynikającego z długoterminowego oddziaływania środowiska na organizm.

Rzecz jasna, wraz z wiekiem wrasta ryzyko rozwoju określonych chorób. Zdajemy sobie sprawę ze znaczenia zjawiska choroby u osób starszych i cały rozdział 9 poświęcamy etiologii najpowszechniejszych chorób pojawiających się na późniejszych etapach życia. Jak jednak wynika z najnowszych badań, nawet najpowszechniejsze choroby związane z wiekiem podeszłym mogą w większym stopniu być związane ze stylem życia, aniżeli stanowić nieodłączny element starzenia biologicznego. O wpływie stylu życia na rozwój chorób możemy się przekonać, analizując przyczyny podanych w tabeli 1.1 prowadzących do zgonu chorób: chorób serca, nowotworów i przewlekłej obturacyjnej choroby płuc (POChP). (1) 80% przypadków chorób serca związanych jest z czynnikami, nad którymi mamy kontrolę, jak palenie tytoniu, otyłość i dieta; (2) 75% przypadków nowotworów wydaje się mieć związek ze stylem życia lub ekspozycją na szkodliwe czynniki środowiskowe; (3) 90% przypadków POChP jest następstwem palenia tytoniu. Oznacza to, że upływ czasu (starzenie się) może mieć nieznaczny wpływ na te choroby, co potwierdza odrębność pojęcia choroby i pojęcia starzenia.

Choć znaczenie związanych z wiekiem chorób w kontekście starzenia się jest oczywiste, musimy ustalić różnice między nimi a starzeniem się. Pionier biogerontologii Leonard Hayflick tak oto zgrabnie je podsumował: starzenie się nie jest chorobą, ponieważ w przeciwieństwie do zmian towarzyszących jakiejkolwiek chorobie zmiany związane z wiekiem:

• obserwuje się u każdego zwierzęcia, które w dorosłości osiąga stały rozmiar

• nie podlegają właściwie żadnym barierom gatunkowym

• zachodzą wyłącznie po osiągnięciu dojrzałości płciowej

• zwiększają podatność na śmierć u 100% zwierząt, które podlegają starzeniu się

• obserwuje się zarówno u obiektów ożywionych, jak i nieożywionych.

W całym tym podręczniku znajdują się informacje na temat tych związanych z wiekiem zmian.

Przypisy

[*] Zamieszczone wstępy oraz podziękowania w Biologii starzenia zostały przetłumaczone z drugiego wydania wersji angielskiej Biology of Aging Rogera B. McDonalda [przyp. redakcji].