Az öregedés információs modellje
ELSŐ
A II. főtétel és az információ
A szuper hosszú élet feltétele, valamint az öregedés és az elmúlás levezethető és értelmezhető, informatikai és termodinamikai fogalmakkal, természetesen nem lelki, vagy társadalmi, hanem fizikai szempontból. A következőkben egy öregedéselmélet alapgondolatát ismertetjük, amely képes értelmezni és magyarázni az öregedéssel kapcsolatos hatalmas tényanyagot. Egyben iránymutatással szolgál a hosszú élethez.
Az öregedés információs modelljének az az előnye más öregedéselméletekkel szemben, hogy felhasználva az entrópia és az információ egyenértékét (átszámíthatóságát) egységes elméleti keretben tudja tárgyalni az öregedést jellemző legkülönfélébb kémiai károsodásokat és információs hibákat, illetve a hosszútávon fellépő entrópia növekedést és/vagy információ csökkenést.
Mindenekelőtt idézzük fel, hogy a fizikában az entrópia a molekulahalmazok (helyi, helyzeti, mozgási, energetikai) rendezetlenségének a mértéke, mérhető, számolható mennyiség. Zárt rendszerről akkor beszélünk, ha a rendszer anyag, energia és információ szempontjából is tökéletesen szigetelt, vagy annak tekinthető. Minden zárt rendszernek van egy maximális entrópiájú stabil egyensúlyi állapota, amely felé a rendszer „törekszik”, és ha elérte, benne is marad. A termodinamika 2. főtétele szerint:
Zárt, rendszerben spontán lezajló folyamatok során, az entrópia nem csökkenhet, gyakorlatilag mindig növekszik irreverzibilis folyamatok esetében.
Nincs megszabva a növekedés sebessége és módja, ez egyéb feltételektől is függ. Az entrópia növekedés lehet például robbanásszerűen gyors, magas hőmérsékleten vagy testhőmérsékleten lassú, katalizátorokkal, enzimekkel szabályozott folyamat eredménye. Akár a rendszer bizonyos részeiben csökkenhet is az entrópia. A szigorú törvény csak az összegre vonatkozik.
Most nézzük ugyanezt a problémakört informatikai szempontból! Információelméleti és termodinamikai összefüggésekből levezethető az információ-entrópia egyenértékűsége. Lásd az „Információ kontra entrópia” c. cikkemet. Nevezetesen:
dH = - kA dS
Az információváltozás (dH), arányos az entrópia-változással (dS), de negatív előjellel. A növekvő entrópia csökkenő információt jelent és fordítva, ha egy zárt rendszerben nő az entrópia, akkor szükségképpen csökken az információ. A kA (kappa) együttható értéke a Boltzmann-állandóból (kB) számolható: kA =1/(kB*ln 2) = 1,044 * 1023 bit*K/J.
d-val (delta) a mennyiségek változását, *-gal a szorzást jelöltük. Mivel a kA rendkívül nagy szám, az összefüggés azt is jelenti, hogy viszonylag kevés energiával nagyon sok információ (adat) tárolható, továbbítható, feldolgozható. Igaz, ez a termodinamikai (ill. statisztikus-fizikai) információ, ami egy felső korlátnak tekinthető, ez technológiailag valószínűleg nem hasznosítható, tehát a kezelhető információ nagyságrendekkel kevesebb.
Ha a rendszer entrópiája növekszik, akkor arányosan csökken az információja. A fentieket szem előtt tartva a termodinamika 2. főtételét átfogalmazhatjuk a következőképpen:
Egy zárt rendszer információtartalma nem nőhet, gyakorlatilag mindig csökken, irreverzibilis (spontán) folyamatok során.
Ezt az információ inflálódásának nevezhetjük, és messzemenő következményei vannak az élőlényekre nézve. Tehát, spontán folyamatokban az információ csökken. Ha nem zárt rendszerről van szó, akkor előfordulhat ugyan, hogy a rendszer információtartalma megfelelő folyamatok során növekszik, de akkor a környezetének ennél nagyobb mértékben csökken az információja, és ne feledjük itt a fizikai információról van szó, ennél sok nagyságrenddel kevesebb a szokásos kép vagy szöveg alapú információ, és az élőlények információtartalma is.
MÁSODIK
Az „élő állapotról”
A fentiekben zárt rendszereket tárgyaltunk, minket azonban az élőlények érdekelnek, amelyek egyáltalán nem zárt rendszerek, hanem nyíltak, anyag energia és információcserét folytatnak, amit a következőkben részletezünk. A részletezés azonban nem terjed ki a konkrét kémiai és fizikai folyamatokra. Ennél általánosabb szintű a modellünk. Az élőlények élettartamukhoz viszonyítva rövid távon folyamatosan alacsony szinten tartják az entrópiájukat, azaz nagyfokú (biológiai-kibernetikai) működő rendet valósítanak meg. Mindezt a termodinamikailag nagyon valószínűtlen dinamikus „élő állapotot” nagyrészt a Napból jövő, alacsony entrópiájú és magas szabadenergia tartalmú fénysugárzás felhasználásával érik el.
Egy tetszőleges élőlény mindig valamilyen „élő állapotban” van, ez dinamikus és metastabil állapot. A metastabil azt jelenti, hogy bizonyos határok között stabil, de elegendő zavarás esetén megnőhet az entrópiája és a rendszer összeomolhat. A normális metastabil élőlény entrópiája nem maximális, pontosabban csak szűk tartományban, lokálisan. Ha az élővilág egészét nézzük, elképesztően sok „élő állapot” létezik, jóval több, mint ahány faj létezett az evolúció során. Ha egy fajt tekintünk, akkor az egyik „élő állapotból” egy közeli másik állapotba való átmenet esetenként elképzelhető. Tulajdonképpen ilyen átmenet az is, amikor mutáció következtében új faj keletkezik.
Egy ilyen állapot jellemezhető biológiai, kémiai, fizikai struktúrával és folyamatokkal, illetve azzal az információval, ami ehhez az állapothoz szükséges és elégséges, ennek része a genetikai információ is. Jellemző az a homeosztát is, ami az élőlény meghatározott állandó belső állapotát biztosítja. Ennek az információnak a mibenlétét később még részletezzük.
Egy-egy „élő állapotnak” eltérő energia szintjei is léteznek. Például egy emlős állat (Brandt-denevér, dzsungáriai törpehörcsög, csupasz földikutya, barna medve, …) két különböző energiaszintű, aktivitású stabil „élő állapota” lehet az aktív és a hibernált, (illetve téli álom) állapot.
Ismert, hogy a növények (az autotróf élőlények zöme) a napfény energiájának felhasználásával széndioxidból és vízből szerves anyagokat és oxigént termelnek (fotoszintézis). A szénhidrogénekben ill. ATP molekulákban tárolt energiát pedig a növények saját anyagok gyártására, struktúraépítésre (növekedésre), szaporodásra és általában a folyamatok fenntartására, anyagok szintetizálására használják.
Az állatok és a mikrobák (a heterotróf élőlények) pedig magas szabadenergia tartalmú tápanyagokat (szénhidrátok, zsírok, fehérjék) fogyasztanak, a dinamikus „élő állapotuk” fenntartásához. Más élőlények által szintetizált szerves vegyületekben lévő energiát használják fel az életfolyamataikhoz, a fizikai munkavégzéshez, a hely és helyzetváltoztatáshoz, illetve egy részét hő formájában disszipálják környezetükbe.
Az élőlényben sejtek szaporodnak, struktúrák épülnek (például szövetek, szervek), és energiák raktározódnak (például zsírsejtekben, ATP-ben), és hosszabb ideig fennmaradnak, valamint ezekkel egy időben gyors folyamatok és körfolyamatok működnek és fennmaradnak és mindez szigorúan szabályozott módon. A lebontó folyamatok konvergensek (katabolizmus), sokféle prekurzorból néhányféle végtermékre vezetnek (pl. acetil-CoA-ra). a felépítő folyamatok divergensek, hiszen sokféle vegyületet szintetizálnak (anabolizmus).
A rendszerben így növekvő illetve változó rendezettséget, egyben csökkenő, illetve ingadozó entrópiát, a nyílt végű folyamatok pozitív entrópia-termelése, bőven ellensúlyozza, amely anyag és entrópia időnként és folyamatosan is a környezetbe ürítődik. Ezáltal természetesen a II. főtétel érvényben marad, az entrópia-termelés egyenlege, a rendszer plusz környezetre, élőlények esetében is pozitív marad. Végeredményben elmondhatjuk, hogy az élettartamhoz viszonyítva rövid távon az élőlény (időbeli) átlagos entrópiája és információja állandó, illetőleg csak nagyon lassan változik. Az entrópia viszonylag alacsony szintű az információ pedig igen magas. (A pillanatnyi, napi, heti ingadozásoktól eltekintünk, illetve kiátlagoljuk azokat.)
HARMADIK
Homeosztázis az élet alapja
Az „élő állapot” metastabil fennmaradása jól értelmezhető a homeosztázis fogalmával. A homeosztázis a sejt vagy a szervezet belső állapotának állandóságát biztosító élettani folyamatok összessége. A belső környezet a sejtet szöveteket körülvevő vér és nyirok folyadék, amely a sejt működésének a feltétele.
A szervezet különféle paramétereinek (például a vérben: PH, vércukor, ionkoncentrációk, ….) pillanatnyi értéke legyen X (aktuális érték), a szükséges érték X0 (cél érték). A kettő közötti eltérés pedig a deltaX (hibajel). Minden hibajelnek a nullához való közelítése a homeosztát fő feladata. Ha minden hibajel nulla, vagy közel van a nullához, akkor a szervezet pillanatnyilag optimálisan működik. Az élő homeosztátban a szabályozott paraméterek, egymással hálózat szerűen, összefüggő rendszert alkotnak. Egy élőlény öregedése során viszonylag lassan de változnak a rendszert leíró célértékek is. A fentebb leírt szabályozásokat negatív visszacsatolások valósítják meg. Negatívnak nevezzük a visszacsatolást: ha a hibajel úgy hat vissza a bemenetre, hogy pozitív hibajel esetén a kimeneti jel pillanatnyi értéke csökkenjen, ellenben, ha a hibajel negatív, akkor a kimeneti jel nőljön. Egészen addig, amíg eléri, vagy megközelíti a cél értéket. A negatív visszacsatolás révén a zavaró hatások ellenére is közelítőleg konstans értéken lehet tartani a homeosztatikus értékeket, tehát például a sejtek környezetét leíró paramétereket
A humán homeosztát fontosabb faktorait szokás megmérni, például egy vérvizsgálat alkalmával (PH, vércukor, ionkoncentrációk, ….). Az eredményekből következtetni lehet a szervezet egészségi állapotára..
NEGYEDIK
A növekvő entrópia
Tény, hogy az élőlényekben, például az élő állapot fenntartásának érdekében, számos irreverzibilis spontán folyamat zajlik, tetemes entrópia-termelés folyik, amit aztán a környezetbe leadnak. Az élő anyagra jellemző magas rendezettség és információtartalom paradox módon részben az entrópia spontán növekedésének a következménye, speciális kémiai folyamatok és hosszú ideig önfenntartó struktúrák mellett. Tételezzük fel, hogy a szervezet entrópiája bármi okból jelentősen növekszik. Mi lesz ennek a következménye?
Az entrópia növekedés egyben információ csökkenést jelent, - ha a rendszer határa anyag, energia és információ szempontjából zárt (térfogata sem változik). Csökken a rendszer összes információja, és szükségképpen sérül az „élő állapotra” vonatkozó információja, ami megengedhetetlen, mert a rendszer összeomlását eredményezheti. Ez az általános oka annak, hogy egy élőlényt nem tanácsos (szorosan és tökéletesen) elzárni a környezetétől, mert előbb-vagy utóbb elpusztul. Konkrét oka pedig az, hogy megfullad vagy éhen hal vagy… Először az „élő állapot” információjában, „szövegében” lévő kritikus pontok sérülnek, még mielőtt az entrópia jelentősen megnőne. Ugyanis az „élő állapot” szempontjából nem egyformán fontos minden információ, tehát vannak érzékeny pontok és már eleve hibás gócok. Először a „leggyengébb láncszem” szakad el. Később azonban az entrópia is jelentősen nő és az összeomlás irreverzibilis lesz.
Ennek ellenére igaz, hogy az „élő állapot” információja a rendszer egészébe van „beírva”, a teljes szervezetben működik (kémiai folyamatok, informatikai algoritmusok formájában). Az élőlényben nem lehet találni olyan részt, szervet, amely egyedül hordozná az életet.
Ha tehát a szervezetben az entrópia nő, akkor az információ csökken, ezért az életet kódoló információ is csökken. Ez konkrétan azt jelenti, hogy törlések, értelmetlen adatok és véletlen hibák keletkeznek az „élő állapot” jelhalmazában, annak működésében, tehát információjában.
A szaporodó hibák, és hiányok ellen nagy redundanciával és javító mechanizmusokkal lehet védekezni. Az élőlények éppen ezt teszik. Például a DNS minden sejtben (kb. 1012 sejt van az emberben) megtalálható, az egész szervezetet nézve pedig hatalmas a genetikai információ redundanciája. (Valószínű, hogy a több sejtmagot tartalmazó sejtek is azért jönnek létre, hogy az információs biztonságot és gyorsaságot fokozzák.)
ÖTÖDIK
Öregember öreg könyv hasonlat
Hogy érthetőbb legyen az itt fellépő biológiai és fizikai információ konfliktusa, hasonlítsunk egy élőlényt egy könyvhöz! Egy könyv lapokból, a lapok molekulákból állnak, amelyhez fizikai entrópia és információ tartozik. A könyvben makroszkopikus szinten olvasható szöveg is van, amely szintén humán információt hordoz. Ha évszázadok során a könyvet sok kémiai és fizikai hatás éri (megsárgul, eltépődik, a festék átalakul, elhalványodik…) és jelentősen nő a fizikai entrópiája, azaz csökken a információja, akkor a könyvben lévő szöveg is nehezen olvashatóvá válik, több helyen sérül, csökken az információtartalma. Ez elérhet egy kritikus szintet is, amikor a könyv nagy része már nem olvasható.
Hasonlóan, egy élőlény fizikai mikroszkopikus szinten atomokból, molekulákból ezek kölcsönhatásaiból áll, amelyhez fizikai entrópia és információ köthető. Egy magasabb, félig makroszkopikus szinten viszont, az élő állapotot leíró információ is jelen van. Ha évtizedek alatt az élőlényt sok kémiai és fizikai hatás éri (megsérül, ráncosodik, megőszül, látása csökken, öregségi pigmentes lesz…) és jelentősen nő a fizikai entrópiája, azaz csökken a fizikai információja, akkor az „élő állapotra” vonatkozó információ is nehezen „olvashatóvá” válik, vagy több helyen sérül, ill. megsemmisül, csökken az információ. Ez elérhet egy kritikus szintet is, amikor az „élő állapot” működésképtelenné válik, összeomlik. Természetesen a hasonlat kicsit sántít, hiszen a könyv egy egyszerű statikus rendszer, a humán információ megőrzésére szolgál, az élőlény viszont bonyolult dinamikus, önmagát felépítő és fenntartó rendszer. Van egy másik fontos különbség is. A könyvben a betűk és képek makroszkopikus méretűek és viszonylag kevés információt képviselnek. Az „élő állapot” információja viszont nagyrészt mikroszkopikus jelekkel van kódolva, „lenyúlik” az óriásmolekulák, atomok és elektronok szintjéig, ami sok nagyságrenddel több információt és még ennél is sokkal több adatmennyiséget jelent. (Lásd „A jel definíciója is jelekkel történik” c. írásom!) Az élőlény információja áthatja az egész anyagot. A fizikai információ csökkenése azonban ugyanúgy felemészti az élőre vonatkozó információt, mint a könyv szövegét.
HATODIK
Szennyezések és hibák felhalmozása
A számtalan öregedéselmélet között vannak olyanok, amelyek az élőlény öregedését az anyagcsere során felgyülemlő salakanyagoknak, ill. azok hatásainak tulajdonítják. Azt állítjuk, hogy ha a salakanyagok körét kitágítjuk a kémiai és informatikai hibák, illetőleg szennyezések irányába, akkor az öregedés és a végső összeomlás legáltalánosabb okait kutatva, igen közel járunk a valósághoz.
Minden olyan kémiai anyagot, amely már nem vesz részt az életfolyamatokban, de a szervezetben felhalmozódott, és/vagy lassítja annak működést, esetleg kárt okoz, méregként hat (kémiai) szennyezésnek nevezünk, függetlenül attól, hogyan került a szervezetbe vagy hogyan keletkezett.
Továbbá, minden olyan jelként funkcionáló anyagot, amely nem vesz részt az életfolyamatokban, de a szervezetben van, szaporodik és/vagy lassítja annak működését, esetleg kárt okoz, zavaró, hamis jelként hat informatikai hibának és/vagy szennyezésnek nevezünk, függetlenül attól, hogy hogyan került a szervezetbe vagy hogyan keletkezett, például a mutációk vagy szabadgyökök hatására.
Ismert, hogy az élő szervezet, - amely anyag, energia és információ vonatkozásában kvázi nyílt rendszer, bizonyos anyagokat, képtelen üríteni, vagy lebontani, más anyagokat ugyan képes leadni de nehezen, ezért azok is feldúsulnak a szervezetben. Továbbá egyes meghibásodott, vagy megváltozott molekulákat nem képes sem kijavítani, sem üríteni. A hibás molekulák, sejtalkotók hosszú távon nem csak feldúsulnak, hanem zavarják, legtöbbször lassítják a sejt és a szervezet működését. Ezekhez az anyagokhoz és jelekhez, egyszóval szennyezésekhez köthető entrópiát a szervezet nem képes üríteni a környezetbe.
Kézenfekvő, hogy egyetlen káros anyag jelentős feldúsulása, vagy egyetlen hibajel sokszorozódása a szervezetben, önmagában elegendő lehet a rendszer entrópiájának növekedéséhez, az információ csökkenéséhez, végeredményben az élőlény önszabályozásának az összeomlásához. A lehetséges káros szennyezések és hibák száma azonban biztosan nem egy. Valójában meglehetősen nagy szám. Ezzel szemben egy hatékony öregedéselméletnek minden okot, részleteiben ismernie kell, és meg kell találnia az elhárítás módját. Ennek fényében érthető, hogy miért olyan nehéz megfelelő öregedés-gátló technológiákat kidolgozni. Lássunk néhány példát az élő állapot információcsökkenésére, illetve a lehetséges szennyezésekre és informatikai hibákra!
Nem, vagy nehezen kiürülő anyagok.
Az arzén, higany, ólom, kadmium és más elemek nagyon lassan ürülnek ki a szervezetből. Például az ólomnak a szervezetben nincs élettani funkciója, feldúsulva mérgezést okozhat. Szerencsére az ólommérgezés kelátképző gyógyszerekkel jól gyógyítható.
Az öregségi pigmentek (lipoproteidek) barnás, sárgás festékanyagok. A kor előrehaladtával és fokozott terhelés, stressz esetén feldúsulnak, például az idegsejtekben a protoplazmában. Az öregedési pigmentek, azaz harmadlagos lizoszómák tartalma emészthetetlen maradék anyag. A pigmentek képződése irreverzibilis folyamat, akadályozzák az RNS termelését és ennek következtében a fehérje-termelést lassítják, tehát a sejt anyagcseréjét is.
Cukrok és fehérjék közötti reakciók eredményeként melanoidok, pigmentanyagok keletkeznek, testhőmérsékleten ez lassú reakció. A cukrokat a mitokondriumok a szervezet számára szükséges energiatermelés céljából elégetik. A cukor egy része azonban a fehérjékkel és nukleinsavakkal egyesül, a keletkező glükózamin aztán több stabil vegyületté alakul át. Késői glikációs végtermékek (AGE) keletkeznek, amire a szervezetnek nincs szüksége. Akadályozzák a normál anyagcserét. A fehérjék hídkötései egyébként megnehezítik a lebontásukat. Cukorbetegek esetében a reakció erőteljesebb a magas klükózszint miatt.
A rugalmas kollagén rostok a hosszú távon kialakuló hídkötések miatt erősebbé, merevebbé válnak, és növekszik a hőre való összehúzódásuk ereje. A kollagén rostok a lizil-oxidáz által katalizálva hídkötéssel kapcsolódnak össze és a rostok megszilárdulnak. Végeredményben a kollagén rostjai, - különösen, ha cukor bőségesen jelen van, - megújulásra képtelenné válnak és elvesztik rugalmasságukat.
Ugyanez a jelenség nukleinsavakkal (RNS, DNS) és fehérjékkel is lezajlik. Hasonló a helyzet a rugalmas elasztin rostokkal is, amelyek idővel elvesztik rugalmasságukat, funkciót vesztenek.
A fibronektin ragasztófehérje a sejtek tapadásában játszik szerepet, mennyisége a korral együtt nő, fölöslegesen felhalmozódik.
Az idő előre haladtával a fehérjék eltöredeznek, mennyiségük az évek számával nő, - a fehérjetöredékeket peptideknek nevezzük,– némelyik mérgező, gyulladást okozó. A peptidek különféle káros reakciókat segítenek elő. Van olyan, amelyik a fibronektin ragasztó szintézisét növeli.
Az oxidálódott fehérjék a lipofuscin szemcsék hosszú távon kiürítetlenül felhalmozódnak a sejtekben. Az evolúció nem foglalkozik az öregkorban fellépő káros reakciókkal.
Nem, vagy nehezen javítható információs hibák.
Az anyagcsere lebontó folyamatainak (katabolizmus) természetes mellékterméke oxidatív (erősen oxidáló hatású) szabadgyökök keletkezése. A hibákat nagyrészt ezek a szabadgyökök okozzák. A szabadgyökök olyan reaktív oxigén-, nitrogén-, kén- vagy szénközpontú molekulák (OH, H2O2,…..), illetve molekularészletek, amelyek párosítatlan elektronnal rendelkeznek, ezért rendkívül agresszívak és rövid életidejűek, gyorsan reakcióba lépnek más vegyületekkel elektronszerzés céljából és megsemmisülnek. A szabadgyökök megtámadják a különféle molekulákat, (zsírokat, szénhidrátokat, fehérjéket, nukleinsavakat, valamint a sejtalkotókat, mitokondriumokat, sejtmembránokat … ) és hibákat, károsodásokat okoznak. A szabadgyök tehát a szervezetben termelődött szennyezésnek tekinthető.
A sejt számára szükséges és használható energia nagy része a mitokondriumokban termelődik, az oxidatív szabadgyökök károsíthatják a fehérjéket és a mitokondriális DNS-t. Ráadásul itt nincsen DNS-t javító mechanizmus sem. Az energiatermelés károsodhat.
Mérgek vagy sugárzások (elektromágneses sugárzás, UV, röntgen, gamma, kozmikus vagy radioaktív sugárzás…) és más fizikai hatások is (magas hőmérséklet, elektromos áram…), vagy szabadgyökök hatására meghibásodnak az óriásmolekulák, a fehérjék, a nukleinsavak, illetve a sejtalkotók … Például a DNS vagy az RNS mutációt szenvedhet, azaz megváltozik az örökítő anyag, nagy valószínűséggel káros hiba keletkezik és csak kis valószínűséggel hasznos változás. A javítatlan hiba terjed a sejtosztódások során.
A sérült DNS-nek létezik gyors javítása is. Ez olyan javítási mechanizmus, amely maga is hibákat követ el, tehát újabb mutációkat, a genetikai információ lényegében sérült marad.
A sejtek képesek kijavítani a hibásan szintetizált DNS-t, de még így is maradnak hibák, amelyek hosszú távon halmozódnak és a sejtosztódás során sokszorozódnak.
Gyors öregedést és/vagy rövid életet okoznak a következő genetikai meghibásodások is. Jellemző rájuk a szív és érrendszer gyors elhasználódása. Fontos megjegyezni, hogy ezek a hibák még a születés előtt keletkeznek.
Werner-szindróma: a helikáz enzimet kódoló gén mutációja.
Progéria azaz korai öregség: a lamint (fehérje) kódoló gén mutációja.
Down-kór: kettő helyett három van a 21-es kromoszómából
Az emberi magzat sejtjei kb. 50 megkettőződés után megállnak, nem osztódnak tovább. (Csupán a csíravonal sejtjei és a rákos sejtek kerülik ki e szabályt.) A DNS végén található szekvenciák a telomerek együttes hossza minden osztódásnál rövidül. Ebből adódik, hogy a telomer hossz mutatja a még lehetséges osztódások számát. Tulajdonképpen a telomer hossza fordítva arányos a sejtkolónia öregedésével. Ha a teloméra régió rövidülése elér egy küszöbértéket a DNS-ben a kromoszómák strukturális károsodást szenvednek, széttörnek és leáll a további osztódás. A telomeráz enzim ugyan képes növelni a telomerek hosszát, de valószínű, hogy ez nem elegendő a sejtek teljes megfiatalításához, mivel a telomeráz az elrákosodás kockázatát is növeli.
A tovább már nem osztódó sejtekre például az idegsejtekre is jellemző az öregedés, és a sejtpusztulás, az idő előre haladtával számuk csökken. A csökkenés mértéke a sejt típusától is függ, az idegsejtek esetében viszonylag a legkisebb (70 év alatt kb. 30 %).
Közvetlenül a tápanyaggal is igen sok szennyezés jut be a szervezetbe. Becsüljük meg! Egy átlagember élete során mennyi szénhidrátot, zsírt, fehérjét, vitamint ásványi sókat és egyéb anyagokat fogyaszt el? Kb. 50 tonnát. Mennyi vizet, tejet, alkoholt és egyéb folyadékot iszik meg. Legalább 50 tonnát. Ez összesen 100 tonna. Ha élelmiszereinkben csak egy a tízezerhez a káros, nehezen ürülő szennyező anyag, akkor is ez10 kg szennyezés, plussz ami a szervezetben az anyagcsere során keletkezik, plussz amit belélegzünk, ennek a többszöröse.
Azt már nem is részletezzük, hogy mekkora szennyezést és kárt okoznak a szervezetbe került, ott élősködő és szaporodó mikroorganizmusok és férgek, amelyek ide ürítenek és ha túlszaporodnak, végzetes kárt is okozhatnak.
Az élő anyag állandó átalakulásban van, ezért az elhasználódott és/vagy meghibásodott sejtekre, szennyező anyagokra léteznek rövid távon lebontó, javító, újrahasznosító, kiürítő… mechanizmusok. Például a káros szabadgyököket antioxidánsok semlegesítik.
Egyes salakanyagok, szennyezések eltávolításában nagy szerepet játszik, például az autofágia. A sejtben az emésztendő anyag körül a citoplazma egy részlete kettős membránnal elhatárolódik. Az így kialakult vakuólum egy sejtalkotó lizoszómával egyesül, és megtörténik a bekebelezett komponensek lebontása, enzimek segítségével. Az esetleg emészthetetlen anyagok egy membránnal elhatárolt vakuólumban a sejtben maradnak. Az autofágiának nagy szerepe van a sejtek homeosztázisának fenntartásában. Az autofágia működéséhez szükséges fehérjék szintézisét az autofág gének (kb. 30) szabályozzák. Sok időskori betegség elsődleges oka az autofágia csökkent aktivitása és az emésztetlen salakanyagok felhalmozódása.
A programozott sejthalálról beszélünk, amikor a sejtben túl jelentős hibák szaporodnak fel és a sejtek öngyilkosságba menekülnek (apoptózis), például megakadályozva egy mutáns DNS elszaporodását, ezzel biztosítva a szervezet egészének túlélését. Ha az apoptózis meggyengül, a mutáns sejtek elszaporodnak.
Az entrópia exportálás tökéletlenségének más esetei is előfordulnak. Például hőfelvétellel (melegítéssel) is lehet az entrópiát növelni dS=dQ / T, ahol dQ a T abszolút hőmérsékleten közölt hő. Ha a környezeti hőmérséklet eléri, vagy meghaladja az élőlényét, akkor spontán módon hőt nem tud leadni. Ekkor meleg anyag leadásával vagy hideg anyag felvételével és/vagy aktív módon, például párologtatással képes a hőenergiát és az entrópiát csökkenteni. Adott esetben ez is hozzájárulhat a szervezet globális és pillanatnyi entrópiaszintjéhez és ebből adódó károsodásokhoz. (Lásd a hőhullámok esetén magas halálozási arányt.)
Az öregedést nehéz elválasztani a különböző betegségektől, talán azért mert közös gyökerük van. Az öregedés (végtelenül) sokdimenziós betegség. A közös gyökér (az ok) pedig az általános értelemben használt szennyezés. Láttuk, hogy az élőlények disszipatív, önszabályozott, szennyezett nyílt rendszerek. A szervezet (fajlagos) szennyezése hosszútávon (lassan de) folyamatosan növekszik, párhuzamosan, kölcsönhatásban az öregedéssel.
A hosszú távú, öregedéshez kapcsolható szennyezések feldúsulása ellen sajnos nincs evolúciós nyomás. Ezért ezek az algoritmusok többnyire hiányoznak. Az evolúció nem eléggé törődik az öregekkel. Lássuk mi lesz ennek a következménye!
A szennyezéshez kötött entrópia lassan, de hosszú távon folyamatosan növeli a rendszer entrópiáját – teljes összhangban azzal a megfigyeléssel, hogy az élő szervezetek hosszú távon öregszenek.
HETEDIK
Az összeomlás törvénye
Az előző fejezetben azt próbáltam bizonyítani, hogy az élőlényekben élethosszig növekszik a biológiai, fizikai, kémiai és informatikai szennyezés, illetve hiba.
Ha egy élőlényre igaz, hogy szennyezett kvázi nyílt, anyagcserét folytató rendszer, amely bizonyos anyagokra nézve kiüríthetetlen, és/vagy nehezen üríthető szennyező anyagokat, illetve hibás jeleket tartalmaz és (lassan de) állandóan, élethosszig növeli a szennyezéseket, hibákat, akkor igaz a következő megállapítás is: Minden ilyen lénynek folyamatosan nő az entrópiája, és ennek következtében csökken az „élő állapotra” vonatkozó információja. Ha ez az információ egy határon túl csökken, a szervezet szabályozása szükségszerűen összeomlik, illetve a lény meghal.
Egy élőlénynek nem lehet akármilyen nagy a tömegegységre eső fajlagos entrópiája. Ez egyáltalán nem jelenti azt, hogy minden élőlényre ugyanaz a határérték lenne jellemző.
Nem számít, hogy melyik hiba indítja el az összeomlást, mert számuk olyan nagy és a stabilitás olyan csekély, hogy az esemény biztosan bekövetkezik. Egyébként mindennapi tapasztalat, hogy az "élő állapot" stabilitása az öregedéssel párhuzamosan folyamatosan csökken.
Ez a törvény igen általános, független attól, hogy a szervezet milyen struktúrájú, és működésű, konkrétan milyen biokémiai és fizikai folyamatok zajlanak, ha a fenti feltételek fennállnak. Ez a szükségszerű összeomlás tétele.
Tudjuk, hogy az életfolyamatok, illetve az anyagcsere (katabolizmus, anabolizmus…) viszonylag alacsony szinten tartják a szervezet entrópiáját. Csakhogy az élettartammal összemérhető hosszú távon egészen más a helyzet, mint azt fentebb már láttuk. A hosszú távon felhalmozódó szennyezések jó része a szaporodási ciklusidőn belül (embernél ez 20-30-40 év) még nem okoznak terméketlenséget vagy halált. A nem üríthető külső és belső szennyezések akár molekuláris- akár jelszennyezések hosszú távon növelik az entrópiát és csökkentik a rendszer információját. A szervezetben globálisan csökkenő fizikai információ, az „élő állapot” információjára is hatással van, az is csökken, illetve egyes részei meghibásodnak. Nem működik megfelelően a lény bonyolult önszabályozó rendszere. Végezetül pedig az információvesztés következtében, az önszabályozással fenntartott metastabil „élő állapota” összeomlik.
Megjegyzés: A petesejt megtermékenyítése nem más, mint a felgyülemlett entrópiától való majdnem tökéletes megszabadulás. Rövid időre, hiszen az embrió fejlődésével kezdődik az entrópia felhalmozása is. A sejtek osztódása és növekedése is kezdetben entrópia csökkentő hatással bír.
NYOLCADIK
Öregedés – hibák az információban
A bioinformatika azon matematikai és számítógépes módszerek összefoglaló neve, amelyek segítségével megérthetjük a biológiai folyamatokat, ezért az öregedési modellünk ezen fontos tudományterülethez is kapcsolódik. A fenti gondolatmenetek után, hogyan magyarázzuk az élőlények öregedésével kapcsolatos jelenségeket?
Mindenekelőtt szögezzük le, hogy az öregedés sejt és szervezet szinten, az élethosszig tartó és rendkívül sokféle károsodások kijavítatlan hányadának fokozatos halmozódása, amely lényegében irreverzibilis folyamat. Azt állítjuk, hogy minél több az élőlény szennyezéshez kötött hibás információja, károsodása, biológiailag annál öregebb. Az „élő állapotra” vonatkozó információban lévő, feldúsuló hibák, mutációk, zajok és hatásaik jelennek meg az öregedés jelenségeiben. Az ideális, az „élő állapotra” vonatkozó rendezettségtől és az adott feltételekkel maximális információtartalomtól való viszonylagos kisebb-nagyobb eltérések összessége eredményezi az öregedést és fordítva minél öregebb a szervezet, globálisan annál több az információs eltérés a fiatal állapottól, ami túlnyomó részt, egyszerűen kémiai szennyezés, ill. informatikai hiba.
Az „élő állapot” információjának – a fent tárgyalt okok miatt – meghibásodott része az oka az öregedést jellemző mérhető jelenségeknek. Az „élő állapot” hibátlan információja a tökéletes fiatalság. Persze ezt csak egy adott fajra és populációra lehet elég pontosan definiálni. Ezek alapján az öregebb szervnek, sejtnek több a hibás információja. Ezt egyes esetekben mérni is tudjuk.
Tekintsük például a bőrszövetet! A bőr felszínét alkotó sejtek öregedése szemmel látható módon megváltoztatja a bőr rugalmasságát, mechanikai tulajdonságait, színét, kémiai és makroszkopikus szerkezetét is, a ráncok, anyajegyek, melanómák, szemölcsök … megjelenésével. Mindez úgy érzékelhető, mint a fiatalon egynemű, rugalmas, sima, puha… rendezett bőr későbbi rendezetlenné válása. A bőr öregedésével nő a fizikai entrópiája. A bőr rugalmassága alkalmas műszerrel mérhető, hasonlóan a nyomásellenállása is, amelyek jó mutatói lehetnek a bőr állapotának és öregedésének.
Ha az egészséges élőlények hosszú távon is úgy működnének, mint rövid távon, akkor tetszőleges ideig élhetnének. A hosszúidejű folyamatok nem eléggé „tervezettek”, az irreverzibilis folyamatok miatt szükségszerű információvesztés következik be, informatikai hibák, ill. kémiai szennyezések halmozódnak fel, ezek akadályozzák, lassítják az életfolyamatokat, öregítenek és az önszabályozás összeomlásához vezetnek.
KILENCEDIK
A démonok – avagy nanobotok
Képzeljük el, hogy egy élőlényben egy vagy akár nagyon sok mikroszkopikus démon működik, például programozott nanobotok. A démonok a mikronnál is jóval kisebbek és mindegyik képes felderíteni és kijavítani néhány specifikus molekuláris és/vagy sejtes hibát, azaz képes megszüntetni elemi szennyezéseket.
Ebben az esetben összeállítható olyan démonokból álló közösség, amely minden szennyezést, hibát képes megszüntetni. Tehát, megszűnik a szennyezések felhalmozódása, megszűnik az öregedés. Megkerültük az összeomlás törvényét. Az "élő állapot" megmarad. Természetesen az összentrópia tovább nő a környezetben, hiszen a démonok valamennyi entrópiát termelnek, miközben hasznos munkát végeznek.
Lehetséges ilyen démoni sereg? Látszólag igen, de a termelődő entrópia nem okoz-e újabb (még több) hibákat, illetve információvesztést a szervezetben. Gondoljunk csak az SOS javításra, amely úgy javítja a molekulákat, hogy újabb hibákat termel. Lehet, hogy démonunk úgy jár mint a Maxwell-démon, aki látszólag szét tudja válogatni a gyors és a lassú molekulákat egy edényben, a valóságban azonban erre képtelen. Azaz Maxwell-démont tervezni és építeni lehetetlen. (Lásd például a "Maxwell-démon a számítógépben c. cikket.)
Ha a szervezet üríthetetlen szennyezéseit, entrópia-növelő, információ-degradáló folyamatait közelítőleg kompenzálni lehetne tisztító, javító anyagokkal, sugárzásokkal, eljárásokkal és hibátlan információval, akkor az élőlény nem öregedne, és nagyon hosszú életet élhetne.
A különböző „élő állapotok” (nagyon) eltérő élettartamúak. Ez reményt keltő, hiszen megszámlálhatatlanul sok „élő állapot” lehetséges és a normál emberi állapothoz is találhatunk, valószínűleg találunk is egy vagy több „közeli” hosszú élettartamút.
Végh András
fizikus, orvos-biológiai szakmérnök
Irodalom
Dr. Balázs András, Az élet meghosszabítható, 1964
V. V. Frolkisz, Az öregedés és az életkor, 1980
Róbert László, A hosszú élet titka, 2010
Kurt Tepperwein, A fiatalság megőrzésének titkai, 2012
Dr. Berend M. és mások, Biológia III. 1996
Végh András, Információ kontra entrópia
https://veghandras.webnode.hu/news/informacio-kontra-entropia/
Végh András, A jel definíciója is jelekkel történik
https://veghandras.webnode.hu/news/a-jel-definicioja-is-jelekkel-tortenik-/