A fizika öl meg minket, nem a biológia

Egyre több bizonyíték van arra, hogy az öregedés kiváltója nem egy biológiai folyamat, hanem a sejtek elhasználódása a molekuláris kapcsolatok felbomlásához köthető.

A fizika öl meg minket, nem a biológia

1. oldal

Testünk minden sejtje egy-egy zsúfolt nagyváros, amely utakkal, teherforgalommal, könyvtárakkal, gyárakkal, erőművekkel és hulladékmegsemmisítőkkel van tele. A város működését fehérjékből álló gépezetek biztosítják, amelyek lebontják a táplálékot, megszabadulnak a szeméttől és kijavítják a DNS-ben keletkezett károkat. A teherrakományokat fehérjeláncokon lépkedő molekuláris gépezetek szállítják egyik helyszínről a másikra. És mindezen tevékeny alegységeket kaotikusan nyüzsgő vízmolekulák ezrei veszik körül, amelyek a hőmozgás eredményeként másodpercenként billiószor ütköznek bele a makromolekulákba.

Egészen elképesztő, hogy sejtünk belső rendszerei ilyen körülmények között is képesek ellátni feladataikat. A rejtély nyitja részben abban rejlik, hogy a fehérjék a vízmolekulák ütközéseiből nyert energiát a sejt belsejében zajló mozgásokra fordítják, és ezáltal rendet visznek a káoszba. Még ezt tekintetbe véve is bámulatos azonban, hogy az élet nem süllyed teljes szervezetlenségbe, egy új elmélet szerint ugyanakkor a testünket nagy arányban kitevő víz hőmozgásának nagyon jól meghatározható káros következményei lehetnek: részben ugyanis ezek állhatnak a szervezet öregedésének hátterében.

A termodinamika második főtétele szerint a magára hagyott spontán folyamatok rendezetlenségi foka, entrópiája nem csökkenthet. Nagyon leegyszerűsítve ez annyit jelent, hogy az idő múlásával minden pusztulóban van: az épületek és az utak elporladnak, a hajók és a sínek rozsdásodnak, a hegyek pedig elkopnak. Az élettelen struktúrák védtelenek hőmozgás destruktív hatása ellen. Az élő rendszerekkel ugyanakkor némileg más a helyzet, hiszen ezek képesek a folyamatos regenerációra: a fehérjékből álló gépezetek meggyógyulnak és megújítják a sejtet.

A sejten belül tehát a biológia és a fizika folyamatos harcban áll egymással. Ez lenne az oka annak, hogy minden ami él, idővel elpusztul? Az öregedés a fizika győzelme a biológia felett? Vagy talán maga is egy biológiai folyamat?

Az öregedés modernkori kutatásának egyik alapdokumentuma Peter Medawar Nobel-díjas biológus nevéhez fűződik. 1952-ben publikált A biológia egy megoldatlan problémája című előadásában a kutató két magyarázattal szolgál az öregedésre. Az egyik szerint a folyamat biológiai szükségesség, vagyis minden biológiai rendszer szerves része, hiszen így biztosítható hozzáférés az erőforrásokhoz a következő generáció tagjai számára. A másik szerint az öregedés annak köszönhető, hogy a folyamatos stressz hatásai felhalmozódnak a szervezetben, amely így fizikailag elhasználódik.

Az öregedés biológiai elmélete szerint egy bennünk létező óra számolja, hogy mennyi idő van még hátra halálunkig. Ehhez hasonló mechanizmusokat már sikerült is azonosítani a szervezetben, a kromoszómák végén található telomer régiók például minden sejtosztódással rövidebbé válnak. Az ezekkel kapcsolatos kutatások ugyanakkor ellentmondásos eredményeket produkáltak. Egyáltalán nem világos, hogy a telomerek az öregség miatt rövidülnek, rövidülésük ugyanis nem állandó ütemű: ha például a sejt sérült vagy beteg, az átlagosnál gyorsabban kezdenek fogyni. A kutatók többsége napjainkban már inkább úgy véli, hogy a telomerek rövidülése nem az öregedés oka, hanem annak csak egy tünete.

Medawar maga az elhasználódás elméletének támogatója volt, vagyis úgy hitte, hogy az öregedés fizikai folyamatokra vezethető vissza. Érvelése szerint a természetes kiválasztódással nehezen lehetne magyarázni, hogyan alakult ki az öregedés, hiszen a kiválasztódást a szaporodóképességbeli változások irányítják, idős korban pedig nem szaporodunk. Másodszor véleménye szerint semmi szükség arra, hogy az idős populáció létszámának alacsonyan tartását egy külön biológiai folyamat biztosítsa, amikor a véletlen balesetek ezt ugyanúgy képesek megoldani.

2. oldal

A szakértő szerint az öregedéshez nincs szükség biológiai órára. Példaként élettelen tárgyakat, a laborok kémcsöveit hozta fel, amelyek közül időről időre eltörik néhány. A kémcsövek számának állandóan tartására hetente új készleteket kell rendelni. Néhány hónap elteltével miből lesz több: régi vagy új kémcsőből? Ha feltételezzük, hogy a töréses balesetek bekövetkezési esélye független a kémcső korától, és a kémcsövek számát azok korának függvényében ábrázoljuk, egy exponenciálisan csökkenő görbét kapunk eredményül. Bár a kémcsövek nem öregszenek, vagyis nem törnek könnyebben a hetek múlásával, az állandóan előforduló balesetek gyorsan lecsökkentik egy-egy régebbi rakomány létszámát. Ennek mintájára gondolkodva az emberi öregedésről, az idősek száma is mindig alacsonyabb lesz a fiatalokénál, állítja Medawar.

Ennek kapcsán rögtön felmerülhet az a probléma, hogy az emberi populációk életkort és egyedszámot ábrázoló görbéi nem úgy néznek ki, mint Medawar kémcsöves függvénye. Ahelyett hogy meredeken zuhannának, majd ellaposodnának, az emberi görbék az első néhány évtizedben nagyjából egy szinten maradnak (ha a születési halálokat figyelmen kívül hagyjuk), majd egy bizonyos ponton a görbe hirtelen zuhanni kezd. Ahhoz hogy hasonló görbét kapjunk eredményül, még egy faktorral ki kell egészítenünk Medawar modelljét: feltételeznünk kell, hogy a kémcsövek apró repedéseket szednek össze a folyamatos használat során, amelyek növelik törési esélyeiket. Más szavakkal öregednek.

A kémcsövek mortalitási görbéje

A kiegészítéssel kapott eloszlás, az úgynevezett Gompertz–Makeham mortalitási törvény meglehetősen hűen modellezi az időskori halálozási valószínűséget. A kémcsövek nyelvére lefordítva ez egyszerre jelzi azt, hogy azok folyamatosan fogynak, ahogy egyre régebbiek, másrészt azt is, hogy minél öregebbek, exponenciálisan annál nagyobb az esély megsemmisülésükre. Ezt az exponenciális növekedést az emberekkel kapcsolatban is megfigyelték, hiszen 30 éves kor fölött hét évente megduplázódik a halál bekövetkeztének valószínűsége.

De mi lehet az oka az exponenciális változásnak? A hőmozgás nem a károk egyedüli forrása a sejtekben. Bizonyos természetes folyamatok, köztük a mitokondrium anyagcseréje sem tökéletes, és szabadgyökök keletkezéséhez vezet, amelyek aztán károsíthatják a DNS-t. A hőmozgás és a szabadgyökök keletkezése együttesen alkotja azt a háttérkockázatot, amellyel minden egészséges sejtnek meg kell küzdenie. A károk pedig vagy kijavításra kerülnek, vagy ha túl nagy a baj, a sejt öngyilkosságot követ el, majd jó esetben egy új sejt veszi át a helyét.

Az emberi mortalitási eloszlás és a fehérjék közti molekuláris kötések megmaradásának esélye (balra)

Ha javításra kerülnek a hibák, ezeket sem lehet a végtelenségig folytatni. A DNS csak akkor reparálható meg, ha van egy másolat, amely alapján ki lehet javítani. A hibásan legyártott fehérjék összetapadhatnak és aggregátumokat képezhetnek. A sejt védekező és öngyilkosságot biztosító mechanizmusai sérülhetnek. Ha az elöregedett sejtek száma túlságosan megnő egy szervben, abban gyulladás alakulhat ki. Az őssejt-készletek kimerülhetnek. A mitokondrium sérülhet, így nem feltétlenül jut elég energia a DNS javító mechanizmusainak működtetésére. Ördögi körről van tehát szó, amelyben a pozitív visszacsatolások eredményeként exponenciálisan növekszik az elhalálozás esélye.

A fehérjefelhalmozódást, a DNS-károsodást, a gyulladást és a telomerek rövidülését sokan sokféle módon kutatták az elmúlt évtizedekben az öregedés megmagyarázása céljából. Ha azonban Medawar elmélete helyes, ezek mind csak következmények, a hőmozgás okozta felhalmozódó károk és a kémiai degradáció folyományai. A hőmozgás ilyetén szerepének vitán felüli igazolásához azonban olyan embereket kellene vizsgálni, akik más belső hőmérséklettel élnek, mint többségünk.

3. oldal

Fajunk tagjai esetében ez nem megoldható, léteznek azonban olyan organizmusok, amelyek belső hőmérséklete széles határok között változtatható azonnali károkozás nélkül. Ilyen például a Caenorhabditis elegans nevű fonálféreg. A Harvard orvosi karának kutatói egy nemrég megjelent tanulmányban arról számolnak be, hogyan függ össze a testhőmérséklet az öregedés ütemével. Eredményeik alapján a már említett görbe alakja mindig hasonló marad, de a testhőmérséklet változtatásával a összenyomódik vagy széthúzódik a vízszintes tengely mentén.

Az alacsony testhőjű fonálférgek esetében a görbe jobban szét van húzva, vagyis ezek közül többen élnek meg magasabb életkort, míg a magasabb testhőmérsékletű állatok hajlamosak rövidebb életet élni. Ami még érdekesebb, a görbe összenyomódásának mértéke egy, a kutatók által jól ismert mintát követ: úgy függ a testhőmérséklettől, ahogy a kémiai kötések felbomlási aránya is függ az aktuális hőmérsékleten mért hőmozgástól.

Hasonló lefutású görbét kapott végeredményül nem sokkal korábban Peter Hoffmann, a Wayne Állami Egyetem kutatója is, aki kollégáival a molekuláris kötések megmaradási esélyeit vizsgálta atomerő-mikroszkóp segítségével. Egy tipikus kísérlet során a szakértők egy lapos felszínre helyezték az egyik fehérjét, míg egy másikat egy kis rugó végére erősítettek. A két fehérje között azok egymáshoz közelítésével kötés alakult ki, majd a kutatók lassan elkezdték ezzel ellentétes irányba húzni a rugót. A kötés idővel felbomlott, a szakértők pedig megmérték, hogy ehhez mekkora erő kifejtésére volt szükség. Az erő nagysága a hőmozgás kiszámíthatatlansága miatt mindig eltérő volt, a kötés túlélési esélye azonban hasonlóan függött a kifejtett erő nagyságától, mint az emberi túlélés az életkortól.

Parázs viták folynak a tudományos berkekben azzal kapcsolatban, hogy az öregedést betegségként kategorizáljuk-e. Rengetegen tanulmányozzák a folyamatot, és minden szakértő saját kutatásának tárgyára próbálja rábizonyítani, hogy az a szervezet időskori leépülésének elsődleges okozója. A lehetőségek óriási száma is jelzi azonban, hogy a többség nem feltétlenül jó helyen keresi a problémát, állítja Hoffmann.

Leonard Hayflick a sejtszintű öregedés felfedezője néhány évvel ezelőtt megjelent cikkében osztja ezt a véleményt. A szakértő szerint minden öregedéssel kapcsolatba hozott jelenség közös vonása, hogy megmagyarázható a molekuláris szerkezet és vele a funkció megváltozásával. A leépülés igazi oka ezek szerint a molekuláris káosz növekedése, amely véletlenszerűen nyilvánul meg, így mindenkiben egy kicsit másként manifesztálódik.

Ha ez utóbbi értelmezések helyesek, akkor az öregedés egy természetes, nanoszinten zajló termodinamikai folyamat, nem pedig betegség. Az 1950-es évekig sokan fűztek nagy reményeket ahhoz, hogy a fertőző betegségek legyőzésével elodázható a halál. Az ennek érdekében tett erőfeszítések eredményeként a várható élettartam valóban megnőtt, a maximális emberi élettartam azonban nem növekedett.

Úgy tűnik, hogy az exponenciálisan növekvő kockázat végül minden külső javító szándék ellenében győzedelmeskedik. Hiába csökkentjük tehát a környezeti kockázati tényezőket, a sejtek működéséből és a hőmozgásból adódó belső elhasználódást akkor sem fogjuk tudni megállítani. A rák vagy az Alzheimer-kór legyőzése ugyan sokak életszínvonalán javíthat, de nem tesz minket halhatatlanná és valószínűleg sokkal hosszabb életűvé sem.

Ez ugyanakkor nem jelenti azt, hogy semmit sem tehetünk a cél érdekében. A molekuláris változások további vizsgálatával például kideríthető lehet, hogy mely kötések bomlanak fel először, és melyek felbomlása teszi visszafordíthatatlanná az öregedési folyamatot. Ha léteznek azonosítható kulcsszereplők ebben a rendszerben, azok célzott javításával, pótlásával talán megnyújthatjuk életünket. A végtelenségig azonban ez sem fog menni, hiszen a fizika törvényeit nem fogjuk tudni legyőzni.

Tesztek

{{ i }}
arrow_backward arrow_forward
{{ content.commentCount }}

{{ content.title }}

{{ content.lead }}
{{ content.rate }} %
{{ content.title }}
{{ totalTranslation }}
{{ orderNumber }}
{{ showMoreLabelTranslation }}
A komment írásához előbb jelentkezz be!
Még nem érkeztek hozzászólások ehhez a cikkhez!
Segíts másoknak, mond el mit gondolsz a cikkről.
{{ showMoreCountLabel }}

Kapcsolódó cikkek

Magazin címlap arrow_forward