МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОБЛЕМЫ СТАРЕНИЯ. ПРОИСХОЖДЕНИЕ СТАРЕНИЯ В ЭВОЛЮЦИИ

Доклады МОИП №41. Секция геронтологии. М., 2008. С.70-82

       Предложенный нами ранее общебиологический подход к изучению   старения позволил установить, что происхождение и причины старения    организмов связаны с сущностью жизни [5]. Несмотря на многие теории дать определение сущности жизни, этот вопрос в биологии остается открытым. Это связано, в основном, с применением разных подходов к проблеме, а часто являются суждением ученого.

В данной работе на основе методологии научного познания рассмотрены подходы к изучению сущности жизни и происхождения старения.

Ключевые слова: методология старения, Основной биологический закон, сущность жизни, старение

                    МЕТОДОЛОГИЯ   ИССЛЕДОВАНИЙ

       Общенаучные методы познания предлагают разработанные и надежные методы и средства для правильной постановки, успешного решения сложных проблем и получения достоверного знания, позволяют оценить недостатки и преимущества используемых методов и приемов познания.

              Основные  принципы  методологии

1. Структура научного знания - это установленные факты, закономерности, принципы - обобщающие группы фактов, постулаты, теории, законы, научные картины мира.

2. Логика и этапы научного познания включают в себя: постановку проблемы, разработку теории, решение проблемы, оценку теории на практике.

2.1. Научная проблема возникает, когда существующее знание не объясняет наблюдаемые факты или процессы и не указывает пути их решения (например старение). Проблема разрешается созданием теории.

2.2. Теория – это система знаний, объясняющих совокупность явлений и сводящая открытые в данной области законы к единому объединяющему началу.    Теория строится для объяснения реальности, но описывает идеальные объекты и процессы с конечным числом существенных свойств.

     При создании теории проводится анализ фактов, процессов, используются: общие теоретические идеи и принципы биологии, фундаментальные законы природы и естественно-научная картина мира; категории и принципы философии; методы научного познания.

    Для раскрытия ненаблюдаемых явлений и сложных внутренних процессов применяются теоретические методы: интуиция, абстрагирование, идеализация, обобщение, анализ, синтез, идеи, гипотезы, индукция, дедукция, исторические и логические методы. Важную роль в разработке теории играет интуиция ученого. Однако методологические принципы облегчают построение структуры теории и ограничивают произвол исследователя.

      Предварительно строится схема, идеализация процесса, выделяются факты, играющие в нем решающую роль, создается  упрощенная модель реального процесса. Одним из способов сведения сложности к простоте в теории является отсечение избыточной информации (принцип "Бритва Оккама”).    

    Теория опирается на систему эмпирических фактов. Опытные данные обычно не раскрывают сущность явления, требуется их систематизация и обобщение. Индукция позволяет путем повторного опыта, анализа и сравнения явлений выделить их общие существенные свойства, классифицировать и вывести общее (индуктивное) суждение, гипотезу, на основании которой исследуются факты. Логическим приемом здесь выступает абстрагирование – выделение класса процессов, явлений, свойств и отношений, неразличимых между собой с т.з. основного признака и отвлечение от других процессов, связей свойств и отношений. В центре внимания оказываются связи между процессами одного класса. Однако гипотеза в индукции не позволяет получить достоверное знание, а применяется для исключения логических ошибок.

      В дедукции считается истинным суждение, выведенное логически из принятых аксиом, общенаучных принципов, постулатов и законов. В них уже обобщены многие известные факты. В гипотетико- дедуктивной модели выдвигается гипотетическое  обобщение, которое сопоставляется с фактами. Для систематизации фактов должно быть принято минимальное число принципов и законов,  объясняющих максимальное число фактов. Здесь связи между процессами одного класса являются более достоверными, т.к. они основаны на объективных законах, т.е. опытные данные можно считать фактами, эмпирическим знанием, которое позволяет выводить следствия, предсказывать события и является базой для теории.

    Экстремальные принципы представляют обобщение многих фактов. Одним из них является принцип наименьшего действия, позволяющий решать задачу по конечным результатам (дедукция), когда процессы глубоко скрыты. Однако здесь надо задать целевую функцию. Этот принцип подходит для живых систем. Из него следуют принципы экономии энергии, оптимальной структуры органов и систем, размеров и пропорций тела и др.

2.3. Решение проблемы. В основе теории должен быть заложен общий закон или исходный принцип, обладающий наибольшей общностью. При решении проблемы старения - это Основной закон биологии, отражающий сущность жизни. При отсутствии такого закона мы ранее применили общебиологический подход [5] (дедукция), используя известные законы теоретической биологии, которые представляют целостную научную систему, основанную на единстве биологической формы движения материи, общности происхождения и системной организации живого. Система биологических законов подтверждается логической связью между ними и обобщает эмпирическое знание [5]. Это позволило нам ответить на вопрос с чем связано старение и самообновление организмов, а сущность этих процессов следует выводить из сущности жизни. 

                    ПРОБЛЕМА  СУЩНОСТИ  ЖИЗНИ   

 Решению проблемы о сущности жизни посвящены усилия многих биологов и философов от древности до наших дней. Существуют десятки определений сущности жизни, но нет общепринятого. Наиболее общим считается определение Ф.Энгельса, данное им в "Анти-Дюринге”, 1878 г.: "Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел”. Существенным моментом самообновления является обмен веществ. Ф.Энгельс отмечал недостатки этого определения как биологического закона. Однако здесь важно то, что сущность жизни, как предельное понятие в биологии, выводится не из биологических аксиом, а из общих законов существования и движения материи с помощью философских категорий, в частности диалектики природы. Поэтому это определение отражает общее коренное свойство живого, присущее всем биосистемам. Для перевода формулы Энгельса на общенаучный язык в ней каждое понятие требует особого исследования, причем самым трудным остается вопрос о сущности, причинах и механизмах самообновления, т.е. как живое воспроизводит и поддерживает само себя.       

    Живая природа – единая  саморазвивающаяся  система

"Белковые тела”, в современном смысле, - это вся живая природа. На основании закона единства и многообразия жизни она классифицируется на уровни организации биосистем: организменный, видовой, биоценотический, биосфера. Центральное место здесь занимают организмы (единица живого), которые имеют подчиненные подуровни: молекулярно-генетический, органеллы, клеточный, органный. Одноклеточные организмы имеют два первых подуровня. Вид (единица эволюции) по отношению  к  организмам  представляет  собой  видовую сущность или во внешнем выражении – качество. Т.е. имеется единство уровней существования биосистем и их иерархическое подчинение.

На каждом уровне и подуровне происходит самообновление структур, деление клеток, размножение организмов, выживание видов в зависимости от способов их существования и развития с помощью обмена веществ, энергии и информации с окружающей средой. Особенность этого обмена определяется сущностью жизни, т.е. это такой обмен, который направлен на самообновление, размножение организмов и саморазвитие живого. При этом биосистемы сами себя создают и разрушают. Поэтому обмен возможен при самоообновлении систем. Обособляясь от внешней среды, биосистемы на каждом уровне сами создают разные условия окружения. Т.о., условия существования всех подуровней определяет организм путем генетически определенного обмена веществ. Репликация ДНК, обновление органелл происходят в клетке, деление клеток и обновление органов находятся под контролем организма.  Прямое воздействие среды заменяется опосредованным, условия существования создаются, преобразуются и воспроизводятся под ведущим влиянием законов живой природы. Вид, биоценоз, живая природа в целом являются более открытыми системами. Одни организмы, виды служат условиями существования других. Т.о. на уровне живой природы действует всеобщий обмен веществ, энергии и информации. Неживые объекты не обладают таким обменом.

Следовательно, уровни биосистем, обмен веществ, энергии, информации и условия существования можно считать условиями саморазвития живого.

                          ЗАКОНЫ  ЖИВОЙ  ПРИРОДЫ

 В истории развития живого закономерно возникали и исчезали организмы и виды, изменялись условия их существования, обмен веществ, энергии и информации. Однако от возникновения жизни сохранилось одно свойство как общее выражение Основного закона  существования живой материи -  самосохранение, самоподдержание и саморазвитие жизни. Этот Закон выражает бессмертие жизни. Он следует и из закона, который мы обозначим Всеобщий закон существования материи, или закон самосохранения, самоподдержания и саморазвития материи. Этот закон выражает вечное существование материи. Он действует через универсальные законы (сохранения энергии (материи), тяготения, самоорганизации, цикличности и др.) в их единстве. Фактически этот закон отражает Мировой дух философии Гегеля как основы мироздания.

 Все другие биологические законы отражают специфику явлений, но в связи с Основным законом биологии. В каждом законе должны быть указаны две стороны и связи между ними. В Основном законе это, с одной стороны, постоянное самообновление, воспроизведение, размножение биосистем (молекулярных структур, клеток, органов, организмов, видов и т.д.); с другой стороны – средство (условие) осуществления этих процессов – обмен веществ, энергии и информации с окружающей средой, направленный на самообновление. Т.е. самообновление и есть специфический обмен (их единство). Для определения связи между ними следует понять каким именно образом действует основной и другие законы.

Законы в любом процессе и явлении действуют одновременно и выражают единый процесс развития (в нашем понимании – саморазвития). Это обобщено в законах диалектики: "Единство и борьба противоположностей" (источник развития),  "Переход количественных изменений в качественные", "Закон отрицания отрицания".  Согласно диалектике, все события и процессы в развитии любой системы происходят определенным, типичным образом,   они проходят т.н. триаду: событие или процесс (тезис), возникает противоположное событие (антитезис), борьба между которыми (разрешение противоречия) заканчивается отрицанием тезиса и антитезиса и нахождением решения (синтез), которое становится тезисом в следующей триаде. Развитие идет циклически.

В любом законе связь – это отношение двух сторон, которые выступают в единстве, но имеют и различия. Объективной основой связи единства и различия является внутренняя противоречивость всех явлений, процессов развития, старого и нового, обновления и разрушения и т.д. В процессе  развития между ними возникают и разрешаются внутренние противоречия, которые определяют переход от одной ступени к более высокой и воспроизведение собственных условий развития. Основной закон должен проявляться в основном противоречии между эволюционно сложившимся процессом самообновления на всех уровнях биосистем и ими же непрерывно осуществляемым обменом веществ, энергии и информации с изменяющимися условиями внешней среды.

Эти условия на каждом уровне биосистем определяются и ограничиваются другими уровнями. Структура каждого уровня для своего сохранения имеет тенденцию к обособлению, используя низшие уровни, а внешние условия (более высокие уровни) требуют изменения, развития. Так, органеллы и клетки имеют мембраны, сохранение и обособленность вида обеспечивается видоспецифической ДНК,  самообновлением на молекулярно- генетическом уровне вплоть до размножения на организменном уровне. При этом постоянно обновляемые биосистемы более высокого уровня (организм) являются одновременно условиями существования для низших уровней (органов, клеток и органелл). Происходит самосохранение биосистем  и их самоизменение или разрушение.

Единство этих процессов для организма и противоречия между ними определяются и разрешаются видом: для невымирания вида организмы должны сохраняться и в процессе развития изменяться до зрелости. При этом самообновление и изменение структур и обмена (развитие) направлено на достижение организмом зрелости, при которой изменения развития достигают критического уровня. Вступает в действие Закон отрицания: противоречие между старым и новым разрешается размножением, отрицанием, завершением развития, материнский организм отмирает, а его потомство обеспечивает обновление вида. Гибель клеток является сигналом к делению стволовых клеток и обновлению органов. Следующий цикл сохранения и изменения организма (и его подуровней) определяется видом.

Самообновление и обмен в процессе сохранения и изменения организма также изменяются и вступают в противоречие в момент созревания организма. Здесь определяющим является  самообновление вида. Поэтому обмен переключается на процессы, связанные с размножением и становится не в состоянии обеспечить самообновление структур организма, которые ответственны за этот обмен. Противоречие разрешается размножением, созданием нового, обновленного потомства и возобновленного обмена. Связь процессов зарождения потомства и старением родительских особей подробно показана в работе "Радикальное продление жизни. Подходы к решению проблемы".

Особенностью вида является то, что он состоит из разнокачественных организмов со всеми их подуровнями и единым геномом вида, все особи имеют один видоспецифический тип обмена и тождественны по наиболее важным признакам. Эти особенности обеспечивают самосохранение, самоизменение и приспособление вида в разных условиях при взаимодействии с внешней средой, и естественный отбор, т.е. способность к эволюции, неограниченной во времени. Вид становится практически открытой системой. Именно в эволюции проявляется видоспецифический обмен между особями, а также между организмами и средой. Такой обмен способствует сохранению  и  повышению жизнеспособности организмов. Это связано и с усложнением строения организмов, что делает их более закрытыми системами.

Способ существования живой природы состоит в ее непрерывном однонаправленном (необратимом) во времени саморазвитии и самоподдержании, которые обеспечиваются (обратимыми) циклами самообновления и разрушения биосистем вследствие закона циклического развития материи. Длительность циклов мала на молекулярно- генетическом уровне и увеличивается до бесконечности для живой природы в целом. Цикличность процессов основана на биоритмах (БР) на  всех уровнях биосистем, которые во многом определяются обращением Земли относительно Солнца [6]. Система БР организма определяет течение его биологического времени.

Многие характерные черты живого свойственны каталитическим и другим системам неживой природы: обмен веществ, энергии и информации; саморазвитие, саморегуляция процессов, реакции на внешние воздействия, приспособляемость, способность развиваться, существовать, гибнуть и др. Однако их особенностью для живых систем, как и биологических законов, является цель, направленная на выполнение основного закона и главного критерия живого. Так, отличие обмена веществ, энергии и информации живых и неживых систем состоит в различии носителей жизни, источниках и способах обмена энергии и потоков информации. Эти свойства проявляются в единстве у организмов одного вида, поэтому у каждой особи один (видовой) тип обмена веществ, энергии и информации. Он направлен на самообновление и  на размножение организма для самосохранения вида. Многие законы и принципы молекулярной биологии: закон о направлениях переноса генетической информации, принципы комплементарности и самосборки макромолекул, сохранения генетической информации, закон сохранения структур и др. осуществляются in vitro, но в организмах они направлены на выполнение основного закона.

Т.о., действие всех законов направлено на самосохранение вида и жизни в целом, т.е. на выполнение Основного закона биологии.

                 САМООРГАНИЗАЦИЯ  И  РАЗВИТИЕ  ЖИВОГО

Основной закон должен объяснять почему и каким образом происходит самосохранение и развитие жизни. Э.С.Бауэр вывел  (как Основной закон) Принцип устойчивого неравновесия: "Все и только живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии постоянную работу против равновесия …”, из которого следовали все законы биологии [1]. Здесь устойчивое неравновесие, т.е. удаление системы от равновесия, является следствием постоянного возобновления термодинамического потенциала, связанного c деформированным состоянием молекул "живого белка”. Хотя это не подтвердилось, анализ данного Принципа показывает, что он может работать на основе циклических сопряженных процессов с обратными связями. Таких сопряженных биохимических процессов сейчас известно много. В этом отношении наибольший интерес представляет изменение молекул в сопряженных реакциях ферментативного катализа. Кроме того, устойчивое неравновесие концентраций разных ионов наблюдается во многих  процессах, например: различие концентраций К⁺ и Na⁺ внутри и вне клеток, неравновесные градиенты концентрации Н⁺ и других ионов в создании электрохимического потенциала, в сопряженном синтезе АТФ и др. Все это не отменяет данный принцип как характерное свойство живого, но его нельзя считать Основным законом. Ценность наследия Э.С.Бауэра состоит  в  глубоком методологическом анализе проблемы сущности жизни. Э.С.Бауэр, в отличие от Ф.Энгельса, для вывода Основного закона не использовал общие Начала науки, хотя применял категории диалектики природы. Поэтому формула Ф.Энгельса абстрактна, но более отражает существенные свойства живого, хотя она не (могла быть) наполнена конкретным биологическим содержанием. Это, конечно, осознавал и Э.С.Бауэр. Поэтому он выдвигает Принцип качественной определенности: в чем общее и в чем основное отличие живого от неживого, хотя это обычный логический прием. Далее он применяет метод обобщающего абстрагирования: обобщенный (совместный) анализ частных законов биологии и всех явлений жизни  с т.з. абстрактно- гипотетического Принципа устойчивого неравновесия (метод индукции). С т.з. Э.Бауэра, он применял метод дедукции, т.к. считал этот принцип истинным, абсолютным. В результате он получает Общий закон как подтверждение этого гипотетического Принципа в качестве Основного закона. Анализ данного Принципа показывает, что устойчивое неравновесие является динамическим (циклическим) и отражает особенность нелинейных процессов в открытых и квазизакрытых системах, т.е. не только в живой, но и неживой материи (например, реакция Белоусова- Жаботинского и др.).

Здесь следует особо отметить, что слабые стороны известных определений сущности жизни заключаются в невозможности объяснить причины саморазвития и самообновления живого. Без этого нельзя применять определения на практике. Так, Ф.Энгельс в "Анти-Дюринге” в качестве сущности живого выводит самообновление, а обмен веществ – существенный момент, но в "Диалектике природы” обмен веществ выдвигается как основа самообновления. Для понимания причины саморазвития живого необходимо исходить из универсальных законов материи: законов сохранения, самоорганизации и цикличности развития материи.

Для всех уровней развития материи характерны 2 фундаментальных принципа: самоорганизация  – неравновесное упорядочивание систем и организация– равновесное упорядочивание, которые взаимосвязаны и цикличны. Эти принципы отражают законы диалектики развития материи. Самоорганизация – это самопроизвольное, не связанное с действием внешних организующих сил, регулярное поведение нелинейной системы. При этом часть свободной энергии системы затрачивается на работу против равновесия (Е), а часть  рассеивается. При увеличении Е степень самоорганизации повышается, система усложняется, становится менее открытой, в ней повышается необратимость процессов. Поэтому в добиологической эволюции саморазвитие  и самоорганизация могли осуществляться в открытых каталитических системах на основе базисной реакции с большим термодинамическим потенциалом [3]. Закономерностями саморазвития этих систем являются: способность увеличения каталитической активности реакции вследствие изменения природы центра катализа; роста интенсивности базисной реакции, степени организации системы и интенсивности потоков информации. При этом имеет место сопряжение базисной и обратной реакции (направленной против равновесия, процесс, аналогичный электромагнитной самоиндукции). Этот автокаталитический процесс идет циклически с затуханием. Самоорганизация подобных систем возможна, но  ограничена кинетическим барьером: рост макромолекул происходит, когда скорость их воспроизведения  превышает скорость распада. Для непрерывного обновления систем необходимо поддержание их далеко от термодинамического равновесия за счет эффективного производства энергии и наличия энергоемких структур, которые при этом распадаются.  Развитие систем может прекратиться, т.е. они "вымирают”, эволюция их ограничена.

Продолжение подробно на https://sites.google.com/site/chernilevsky/ 

............................................................          ..............................................  ........................................   ....................................   ...................................

Заключение

Главным критерием живой материи (в отличие от неживой) является самообновление и самовоспроизведение на всех уровнях живого, основанное на универсальном генетическом коде НК, биохимическом единстве живого, самоорганизующихся программах развития, видоспецифичном обмене веществ, энергии и информации, направленном на воспроизведение.

Живая материя представлена уровнями организации живого: организмы, виды (единицы эволюции), сообщества, биосфера в их единстве. Единицей жизни являются организмы, имеющие общие  видоспецифические структуры для развития, самообновления, размножения и обмена веществ, энергии и информации с окружающей средой. Единицей развития является ЖЦ организма.

Старение универсально для ЖЦ организмов всех видов и является видовым признаком, типичным для всех особей вида. У многоклеточных оно проявляется только у половых особей в ЖЦ после полового созревания, бесполым особям оно не свойственно. Подробно аспекты старения изложены автором в [5]. Исходя из сущности жизни замедление старения с целью продления жизни человека возможно воздействием на обмен веществ, энергии и информации с окружающей средой  в пределах возможностей существования вида [6,8].

Дальнейшая эволюция вида человека просматривается через расширение сознания, переход его в открытую систему, т.е. в единство со Вселенной, овладение её энергией и информацией, и способностью бессмертного существования по законам Вселенной.

                                          ЛИТЕРАТУРА

1.  Бауэр Э.С. Теоретическая биология. -М. Л. :ВИЭМ. 1935. 206 с.
2.  Колясников Ю.А. Тайна генетического кода – в структуре воды //Вестник РАН. 1993. Т.63, №8.С.730-732.
3.  Руденко А.П. Самоорганизация и прогрессивная эволюция в природных процессах в аспекте концепции эволюционного катализа. //Рос. хим. ж-л. 1995. Т.39, №2. С.55-71.
4.  Эйген М., Шустер П. Гиперцикл. –М. :Мир. 1982. 218 с.
5.  Чернилевский В.Е. Общебиологический подход к изучению причины старения //Биологические проблемы старения и увеличения продолжительности жизни. -М. :Наука. 1988. С.21-32.
6.  Чернилевский В.Е. Роль биоритмов в процессах старения и резервы продления жизни //Докл. МОИП. Общая биология. 2003. МОИП. Деп. в ВИНИТИ. № 1585-В2004. -М. 2004. С.28-38.
7.  Чернилевский В.Е. Роль стволовых клеток в самообновлении организмов и возможности продления жизни //Доклады МОИП №41. Секция геронтологии. -М., :Мультипринт. 2008. С.82-95.
8.  Чернилевский В.Е. Проблемы гипобиоза и продления жизни /Доклады МОИП №41. -М., Мультипринт. 2008. С.105-123.    

Продолжение подробно на  https://sites.google.com/site/chernilevsky/ 

.