биология учебник 10

Современый учебник по биологии

Ученые нашли способ восстанавливать хрящи в суставах.

http://med.stanford.edu/news/all-news/2020/08/Researchers-find-method-to-regrow-cartilage-in-the-joints.html

Наша хрящевая ткань имеет очень ограниченную способность к восстановлению, да и та теряется с возрастом. Поэтому чем дальше, тем хрящи больше изнашиваются и однажды истончаются настолько, что в суставе кость начинает тереться о кость. Это вызывает боль, воспаления и все остальные негативные эффекты пожилого возраста.

Ученым уже был известен способ восстановления хрящевой ткани, называющийся микроповреждениями. В хряще просверливалось множество маленьких отверстий, это заставляло тело производить новую хрящевую ткань, но она отличалась от "настоящей" примерно как шрамы отличаются от окружающей кожи. Она не обладает гибкостью, упругостью и нужной степенью скольжения.

Теперь к этому способу добавили еще и скелетные стволовые клетки. Такая клетка, прежде чем превратиться в костную ткань, проходит через стадию хряща, и исследователи нашли способ остановить развитие клеток на этой стадии с помощью костного морфогенетического белка. В итоге получилась новая хрящевая ткань, ничем не отличающаяся от оригинальной.

Сначала исследователи опробовали способ на обычных мышах, потом - на специальных мышах, которым была пересажена человеческая хрящевая ткань. На очереди более крупные животные, ну и потом человек.

Живи вечно или умри пытаясь. Часть 1.

Давно уже я собирался запилить общий пост про биологическое бессмертие, технологии омоложения и вот это все - прежде всего, чтобы самому для себя все это немного структурировать. Да все руки не доходили. И так и не дошли в общем-то, но зато вчера вышла статья, в которой чувак сделал примерно то, что хотел я, описал вкратце состояние индустрии на 2020 год, и я решил ее перевести. Сама статья написана довольно простым языком, но зато в ней просто море ссылок прямо по ходу текста, так что, если хотите углубиться - только в путь. Постарался перенести все, как было в оригинале; где можно, заменил ссылки на русскоязычные варианты. Да еще название позвучнее выбрал. И тэг такой же сделал, все следующие посты по теме буду под ним пилить.

МОЖНО ЛИ ВЫЛЕЧИТЬ СТАРЕНИЕ?

Люди издавна мечтали о вечной молодости. Теперь, с современной наукой, мы на пороге излечения старения и достижения биологического бессмертия. 

Пирамиды строились, чтобы даровать вечную жизнь похороненным фараонам. Первый император Китая, Цинь Шихуанди, отправил тысячу человек на кораблях за эликсиром молодости - никто не вернулся. Эти примеры показывают, как далеко готовы зайти люди, чтобы избежать судьбы.

Человек вглядывается в собственную смертность. "Глаз" М. Эшера, 1946 г.

Наше старейшее литературное произведение, Эпос о Гильгамеше, имеет возраст 4100 лет. Эпос рассказывает о короле, ищущем бессмертия. Он находит растение, дарующее омоложение, но его крадет змей.

3500-летняя Ригведа описывает  напиток богов Амирату. Он наделяет испивших его знаниями и бессмертием. Демон Раху пытается его украсть, но у него не получается.

В Книге Бытия, написанной 2600 лет назад, змей обманом заставляет Адама и Еву отведать плод Древа познания добра и зла. За это Бог изгоняет людей из рая, и они больше не могут есть от древа жизни, дарующего бессмертие.

Даже наука рассказывает историю утраченного бессмертия.

"Древо жизни". Эрнст Геккель, Эволюция человека, 1879 г.

Наши давние эволюционные предки были одноклеточными организмами. Эти клетки не старели, они были бессмертными. Но с появлением полового размножения, бессмертие перестало быть необходимостью для продолжения рода, и индивидуальное бессмертие было утрачено.

Люди давно мечтали о возвращении в это бессмертное состояние. Мечтали вкусить пищи богов и искупаться в фонтане молодости.

Но достижима ли эта мечта?

Вечная молодость посредством волшебства может остаться мечтой навечно, но как насчет вечной молодости посредством магии технологий?

Религия говорит о преодолении смерти, но не отвечает ясно, как это достигается. Мы же находим это преодоление в реальном физическом мире. Находим его в технологиях. Если вы правильно сконфигурируете материю и энергию, начнет твориться магия. 

- Рэй Курцвел

Существуют ли медицинские процедуры или препараты, которые могут обратить старение вспять? Возможна ли технически вечная жизнь?

Если подобные процедуры могут быть разработаны и станут доступны при нашей жизни, тогда вы УЖЕ можете считать себя бессмертными. Ибо с такими процедурами вы сможете пребывать в этом мире неограниченно долго.

Мы сейчас намного ближе к получению такого лечения, чем думает большинство. Препараты, обращающие старение, проходили и прямо сейчас проходят клинические испытания на людях.

МАКСИМАЛЬНАЯ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ЖИЗНИ

Почему никто не дожил до собственного двухсотлетия?

Даже если человеку повезло не травмироваться и не болеть, его организм все равно сдается на отметке около 120 лет максимум.

Похоже, будто мы, как смартфоны, созданы с запланированным устареванием. Неважно, как бережно ты относился к своему телу, жнец придет за каждым.

Но есть причины для надежды. Во-первых, нет никаких законов, биологических, химических или физических, обязывающих живое существо в конце концов умереть.

До сих пор в биологии не найдено ничего, указывающего на неизбежность смерти. Это наводит меня на мысль, что она вовсе не неизбежна, и что это лишь вопрос времени, пока биологи не откроют причины, и эта наша всеобщая ужасная болезнь и наша временность не будут излечены.

- Ричард Фейнман.

Старение как болезнь

Есть одно заболевание, которому подвержены 100% населения. Хуже того - она абсолютно смертельна. Эта болезнь называется старостью. Старение обычно не считается заболеванием. Но оно таковым является по определению. As ageing certainly causes dis-ease (не смог в игру слов).

Немногие бы выбрали бессмертие, если бы оно означало бесконечно нарастающую немощь.

Старение влияет на иммунную систему, увеличивает время выздоровления, снижает мышечную массу, притупляет чувства, уменьшает энергию.

Я набрал пригоршню пыли и попросил себе столько же дней рождения, сколько пылинок в этой горсти. Я лишь забыл сказать, что это должны быть годы молодости.

- Овидий, Метаморфозы

Мы не сможем остановить ход времени, но возможно, наши тела вовсе не обязаны становиться все более хрупкими с его течением.

Тело как машина

Медицина и анатомия относятся к человеческому телу как к механизму - очень сложному, но тем не менее механизму.

Ота точка зрения возникла в 17 веке.

Я хочу, чтобы вы считали, что эти функции (включая страсть, память и воображение) возникают из устройства органов механизма точно так же естественно, как движение часов и других автоматов возникает из устройства их противовесов и шестеренок.

- Рене Декарт, Трактат о человеке, 1633 г.

Что есть сердце, как не пружина; что есть нервы, как не множество нитей; что есть суставы, как не шестерни, приводящие в движение все тело, как было задумано создателем?

- Томас Гоббс, Левиафан, 1651 г.

Каждая часть тела выполняет собственную функцию. Сердце - насос, нервы - провода, жир - топливный бак, легкие - воздухозаборники, почки - выхлопная система, мышци - моторы, мозг - компьютер.

Старение как износ

Почему в восьмидесятилетних меньше жизни, чем в двадцатилетних? 

Автомобилю необязательно попадать в сильную аварию, чтобы перестать ездить. Он может перестать ездить без должного обслуживания и ремонта.

Таким образом, автомобиль "умирает" из-за накопления множественных мелких повреждений, которые мы называем износом. Шины стираются, в масле появляются примеси, шестеренки стираются, фильтры забиваются.

Автомобиль, который не обслуживают и не ремонтируют, неизбежно ломается.

По отдельности ни одна из этих поломок не является смертельной, но они могут привести к смерти от тысячи порезов. Так же и со старением. Как у клеточных машин, у наших тел есть две части: собственно клетки и то, что между ними. Соответственно и повреждения появляются либо в клетках, либо между ними.

Между 1955 и 1982 годами наука прошла путь от почти полного непонимания механизмов старения до того, что сейчас считается полной картиной. С 1982 года не было открыто других видов повреждения, вызывающих старение.

Возрастные повреждения разделяются на семь категорий. Исследователь старения Обри ди Грей назвал их

Семь смертных грехов старения. Можно ли их излечить? Источник: фонд SENS.

Семь типов повреждения ответственны за все эффекты старения:

1. Внутриклеточный мусор. У каждой клетки есть собственный "живот" - лизосома. Лизосомы перерабатывают вредные или бесполезные для клетки молекулы. Но не каждая молекула может быть идеально переварена лизосомой. Эти лизосомные отходы накапливаются в липофусциновых гранулах. Как грязь в моторном масле они нарушают работу клеток, вызывая такие недуги, как макулодистрофия и болезнь Паркинсона.

2. Внеклеточный мусор. Отходы могут также накапливаться в межклеточном пространстве. Например атероматозный налет на стенках артерий, вызываюищй атеросклероз и связанные болезни сосудов и сердца. Точно так же, невритидные бляшки, накапливающиеся вокруг клеток мозга, играют роль в возникновении болезни Альцгеймера.

3. Недостаток клеток. После примерно 50 циклов деления человеческие клетки становятся сенесцентными и перестают делиться. Это приводит к множеству нарушений. Сердце слабеет т. к. клетки сердечной мышцы не замещаются достаточно быстро. Такие органы, как почки и печень теряют эффективность. Потеря бета-клеток поджелудочной железы приводит к диабету. Потеря клеток, производящих пигмент, вызывает седину.

4. Избыток клеток. Сенесцентные клетки часто становятся дисфункциональными. Они не только ничего не делают, но становятся балластом. Они потребляют ресурсы, которые могли бы быть использованы здоровыми клетками. Из-за этих лодырей органы и ткани работают в суб-оптимальном режиме. Они также выделают вредные белки, которые могут вызвать рак в окружающих клетках.

5. Мутации хромосомной ДНК. Мутации ядерной ДНК могут вызвать нарушения в работе клеток. Самые серьезные нарушения возникают тогда, когда мутации происходят в генах, являющихся супрессорами опухолей. В результате бесконтрольного деления клеток возникают опухоли.

6. Мутация митохондриальной ДНК. Митохондрии - это энергетические станции клетки. Они производят АТФ, а также тепло. Мутации митохондриальной ДНК влияют на способность клеток функционировать и снижают эффективность обмена веществ. Мембраны митохондрий начинают "протекать" и как и с течью в топливной системе, меньше топлива попадает в двигатель.

7. Белковые спайки. Они удерживают наши клетки вместе. Без них вы бы быстро стали кучкой слизи. Эти спайки состоят из коллагена и эластина. Со временем к этим белкам присоединяются молекулы сахара, заставляя их черстветь. Потеря эластичности приводит к морщинам, жесткости артерий и затвердеванию хрусталика глаза, что вызывает старческую дальнозоркость.

Эти темные точки - накопившиеся отходы (липофусциновые гранулы) в клетках мозга. 

Возможно ли отремонтировать все эти возрастные повреждения?

БЕССМЕРТИЕ В ПРИРОДЕ

Если бессмертие и вечная молодость возможны, почему мы их не наблюдаем? Это пригодилось бы многим видам. Но почему мы тогда не находим деревья возрастом в миллион лет и тысячелетних животных? Почему нет созданий, поддерживающих молодость всю жизнь? Это бы наверняка давало эволюционное преимущество.

Даже деревья живут хоть и очень долго, но не вечно.

На самом деле, биологи нашли виды, которые не слабеют с возрастом, а только становятся больше и сильнее.

Вечная молодость

Некоторые виды испытывают пренебрежимое старение - их состояние не ухудшается с возрастом или ухудшается незначительно. Это морские анемоны, двустворчатые моллюски, омары,  алеутский морской окунь, гренландская акула и голый землекоп.

Омары становятся сильнее с возрастом. Этому огромному омару по имени Король Луи, как считается, 100 лет. Король Луи был отпущен обратно в океан в 2016 году.

Помимо того, что они не выказывают признаков старения, эти создания живут очень долго.

Голые землекопы, не смотря на то, что размером с мышь, живут в 8 раз дольше. В отличие от всех других млекопитающих, у которых с каждым годом жизни увеличивается шанс умереть, у землекопов это не так.

Самый старый моллюск был возрастом 507 лет, а самая старая гренландская акула - 512.

Биологическое бессмертие

Пренебрежимое старение показывает, что некоторые организмы могут избегать возрастных повреждений, либо исправлять их. Не смотря на это, они в конце концов все равно умирают. Они долгоживущи, но не бессмертны.

Возможно ли, чтобы организм не только оставался молодым, но и жил вечно?

Бессмертные организмы

По-настоящему бессмертное существо жило бы не сотни, а миллионы, даже миллиарды лет.

В 1995 году микробиолог Рауль Кано оживил дрожжи, которые были заперты в янтаре 45 миллионов лет.

Так выглядела земля, когда дрожжи были заперты в смолу дерева.

Эти дрожжи выжили в течение геологических периодов времени. В 2011 году Кано воплотил сволю мечту и приготовил из них пиво.

Ученые прорастили 31800-летние семена и воскресили червей, пролежавших в вечной мерзлоте в Сибири 42000 лет. Бактериальные споры, запертые в кристалл соли на четверть миллиарда лет, были возвращены к жизни.

Без сомнения, выдающиеся результаты. Но ни один из этих организмов не жил по-настоящему в течение этого времени. Они не ели, не дышали и не размножались. Они бездействовали в состоянии покоя, ожидая реактивации.

Бессмертные формы жизни, которые нам нужны, не в каком-то состоянии стазиса, они должны на самом деле жить миллионы лет. У них должен быть метаболизм: еда, пищеварение, дыхание, движение, размножение.

И такие организмы, прожившие миллиарды лет, на Земле есть. Может быть, совсем недалеко от вас.

Бессмертные клетки

Этой амебе от 750 миллионов до 1,5 миллиардов лет.

Это каплеобразное создание было здесь, охотилось и ело каждый день последний миллиард лет. Так оно проводит обычно свой день, пожирая инфузорий

Эта амеба старше рыб и растений. Старше континентов. Она видела расцвет и падение динозавров.

Мы знаем, что она древняя, поскольку ее кузины оставили после себя окаменелости.

Раковинные амебы делают раковины. Слева раковина амебы извлеченная из отложений в Большом Каньоне возрастом 742 миллиона лет. Справа - современный вид.

Как это существо прожило так долго? Все дело в способе размножения. Амебы размножаются делением пополам. Какая из них оригинал? Обе сделаны из атомов оригинала. Обе одинаково жизнеспособны. Ни одна не является ни материнской, ни дочерней.

Вы можете начать с любой живущей амебы и проследить ее историю назад сквозь эоны лет. В конце концов этот путь приведет вас к организму, уже слишком сильно отличающемуся от амебы, чтобы таковым называться - возможно около 1,5 миллиардов лет назад, когда протисты доминировали на Земле.

Все живущие амебы - это первые амебы, все они одинаково древние.

That First Amoeba, weirdly clever,

Exists today and shall forever,

Because he reproduced by fission;

He split himself, and each division

And subdivision deemed it fitting

To keep on splitting, splitting, splitting;

So, whatsoe’er their billions be,

All, all amoebas still are he.

- Артур Гитерман, Ода амебе, 1922 г.

Люди часто считают себя венцом эволции. Но геном амебы в сотни раз больше нашего. У амебы было очень много времени, чтобы узнать секреты выживания в меняющихся земных условиях за последний миллиард лет. Один из таких секретов - это секрет бессмертия и вечной молодости.

У нас есть общий предок с амебой. Амебы - наши дальние родственники. Вероятно, мы унаследовали в себе некоторые гены, необходимые для вечной жизни. Гены для очистки клеточного мусора и омоложения старых клеток. Вероятно, есть способ реактивировать эти гены.

Но тело амебы, в отличие от нашего, это всего лишь одна клетка. Ему не приходится иметь дело с межклеточным мусором. А есть ли бессмертные многоклеточные организмы? Какие-нибудь растения и животные?

Бессмертные животные

Лернейская гидра - создание из древнегреческих и древнеримских мифов. Она охраняла вход в загробный мир. У гидры было множество змееподобных голов, она жила в воде и могла регенерировать: на месте каждой отрубленной головы вырастало две новых.

Геракл и Иолай убивают Гидру, горшок 510 года до н. э.

Лернейская гидра - миф, но есть и настоящая. Впервые она была описана "отцом микробиологии" Левенгуком в 1702 году. Как гидра из мифов, эта гидра живет в воде и имеет множество змееподобных придатков.

В микромире настоящая гидра точно так же опасна, как мифическая. Ее щупальца парализуют при касании. Когда она питается, она разрывает  собственную "кожу", чтобы открыть рот. Она может поглощать добычу размером больше себя.

В 1744 году Абраам Трамбле открыл способности гидры к регенерации. Если гидре отрезать конечность, то не только отрастет сама конечность на гидре, но отрезанная конечность отрастит себе целую гидру.

В 1971 году довели этот эксперимент до предела. Они обнаружили, что гидру можно разрезать на сотни кусков, и если в куске есть хотя бы пара сотен клеток, то из него вырастет новая гидра.

В 1998 году исследователи пришли к выводу, что гидра скорее всего бессмертна.

Результаты не выявили признаков старения у гидры: смертность остается экстремально низкой, темп размножения не снижается. Похоже, что гидры на самом деле избежали старения и потенциально бессмертны

- Биолог Даниель Мартинез об изучении гидры, 1998 г.

Как и амеба, гидра размножается делением. Жизнеспособность отпочковавшихся особей такая же, как у оригинала. Это предполагает, что гидра, как и амеба, бессмертна.

Гидра полагается на свои способности к регенерации для размножения. Она отделяет от себя почку, из которой потом вырастает целая гидра - она клонирует себя.

Но в отличие от амеб, гидры - животные. Хоть и маленькие, они состоят из десятков тысяч клеток и могут вырастать до нескольких сантиметров - достаточно, чтобы увидеть невооруженным глазом. Их ближайшие родственники - морские анемоны и медузы.

Своей регенерацией гидры обязаны тому факту, что они наполнены стволовыми клетками. Некоторые даже описывают гидру как состоящую только из стволовых клеток.

Но все-таки гидры крошечные. Могут ли большие организмы обладать бессмертием?

Бессмертные растения

Самый большой живой организм - это вовсе не синий кит, не секвойя, но нечто гораздо большее. Он занимает площадь 43 гектара и весит 6600 тонн - в 1000 раз тяжелее слона и втрое тяжелее самой большой секвойи.

Вдобавок к рекордным размерам это еще и один из старейших организмов. Ему 80000 лет. Считается, что он бессмертен.

Этот организм - растение, обширная взаимосвязанная корневая система, проявляющаяся на поверхности в виде тополиной рощи.

Тополь - самое распространенное дерево в Северной Америке. Они растут от Канады до Мексики.

То, что мы воспринимаем как отдельно стоящие тополя, является скорее ветвями одного дерева. Эти ветви прорастают из земли и могут появляться в десятках метров - там, куда распространились корневые отпрыски.

Самая большая система тополей называется Пандо, она находится в Юте. Исследование генома показало, что все корни принадлежат одному организму.

 Пандо 80000 лет - в 20 раз больше, чем пирамидам. Когда он начал расти, на Земле было всего около 10000 особей человека.

Бессмертие гидры и тополя дает нам понять, что не обязательно быть одноклеточным или маленьким, чтобы быть бессмертным.

Требуется лишь механизм обновления.

Бессмертные виды

Если мы задумаемся, то поймем, что все виды бессмертны.

Все виды имеют механизмы омоложения. Некоторые омолаживаются постоянно: амеба, гидра и тополь.

Другие, как бессмертная медуза, омолаживаются периодически, возвращаясь из взрослого состояния назад в молодое.

Бессмертная медуза может возвращать себя из взрослой стадии в более ранее состояние. С помощью этого омоложения она может жить вечно.

Другие виды омолаживаются во время полового размножения, когда две взрослые родительские клетки соединяются и формируют новую клетку, которая возвращается в молодое состояние. Каким-то образом, этот процесс сбрасывает таймер клетки и позволяет ей делиться на протяжение еще одной человеческой жизни. В этом смысле каждая человеческая клетка принадлежит длинной, неразрывной цепи делений клеток человека. Эта цепь тянется на миллионы лет назад.

И хоть по отдельности все люди смертны, человечество - бессмертно.

Это важная подсказка. Внутри нас есть механизмы, переводящие клетки обратно в молодое состояние. Эти клетки нашли способ избавляться от мусора, восстанавливать ДНК и продолжать деление.

Если бы мы могли понять механизмы этого "сброса", мы могли бы включить их и в клетках, из которых мы состоим.

В 2006 году исследователь Синья Яманака открыл как это сделать. Он выявил четыре протеина, известных как факторы транскрипции, которые при введении в клетку могут вернуть ее в молодое состояние. Используя четыре этих фактора, - которые теперь называются факторами Яманаки, - он смог превращать любую клетку в плюрипотентную стволовую клетку.

Стволовые клетки - предки всех клеток человеческого тела.

В этом состоянии клетки находятся до того, как начинают дифференцироваться в клетки разных типов: кожи, мышц, печени, мозга и т. д. Стволовые клетки похожи на клетки человеческого эмбриона, до того, как они дифференцировались в различные органы и ткани.

В 2012 году Яманака получил Нобелевскую премию по медецине "за открытие, что взрослые клетки могут быть перепрограммированы в плюрипотентные".

Стволовые клетки - это основа развивающейся области регенеративной медицины.

Зачем мы стареем, почему размножаемся, и как это связано с микроорганизмами?