Что регулирует циклическую работу биологического двигателя

Причины движения живого

Из приведенных выше примеров следует, что движение живых организмов является механическим движением, а причиной любого механического движения являются силы. В частности, причиной движения планет является гравитационная сила Солнца. Причиной движения двигателей, построенных человеком, являются либо электромагнитные силы (электродвигатели), либо сила давления горячего газа на поршень (тепловые двигатели). Что же является причиной движения живых организмов?

Как вам уже известно, субстратом жизни служат полимерные молекулы белков и нуклеиновых кислот. Все процессы в живом организме происходят вследствие химических реакций между этими и другими молекулами, составляющими живой организм или поступающими в организм. Каким же образом химические превращения способны вызвать механическое движение?

Среди различных белков, составляющих организм, важную роль играют молекулы, получившие название белки — молекулярные моторы. Характерным свойством таких молекул является способность изменять свою форму, т. е. взаиморасположение отдельных составляющих молекулы. Примерам такого белка является молекула миозина, которая при наблюдении в электронный микроскоп видна как короткая толстая нить с утолщением-головкой на одном из концов. Эта головка способна поворачиваться относительно нити.

Если головку прикрепить к какой-либо другой молекуле, при повороте она способна совершать механическую работу. Откуда берется энергия для такой работы? Энергию поставляет молекула АТФ — универсальный источник энергии клеток всех живых организмов.

Однако при движении головки относительное изменение длины молекулы миозина оказывается незначительным. Мышцы, созданные из таких молекул, могли бы сокращаться на единицы процентов (реальное сокращение мышц может доходить до 50%). И природа «исхитрилась» создать мотор, работающий по циклу, подобно тепловым двигателям, созданным человеком. Правда, произошло это за миллиарды лет до создания человеком тепловых двигателей. Биологический двигатель состоит из двух молекул — миозина, осуществляющего движение, и актина, молекулы которого, соединяясь между собой, образуют длинные тонкие нити.

Следует отметить, что КПД такого двигателя (отношение совершенной механической работы к затраченной энергии) в несколько раз превосходит КПД тепловых двигателей, созданных человеком. Человек еще не достиг совершенства, имеющегося в природе; возможно, двигатели, подобные биологическим, будут изобретены в будущем.

Что же регулирует циклическую работу биологического двигателя? Под воздействием нервного импульса в цитоплазме увеличивается концентрация ионов Ca 2+ . Они способствуют контакту актина с миозиновой головкой и соединению миозина с одной из составляющих молекулы АТФ (в определенном смысле действие ионов кальция подобно действию катализаторов при химической реакции). После того как миозиновая головка совершила очередное тянущее движение, концентрация ионов кальция уменьшается.

Биологические моторы основаны на взаимодействии двух типов молекул: молекулы, изменяющей форму, и перемещаемой молекулы. Эти молекулярные комплексы работают циклично и обусловливают практически все движения, которые наблюдаются в живой природе.

Читать далее

Предметы

• Астрономия
• Биология
• География
• Допризывная подготовка (Беларусь)
• Естествознание
• Информатика
• История Древнего мира
• История Словакии
• История Средних веков
• Легкая атлетика
• Обществоведение
• Туризм
• Физика
• Фотография
• Человек и мир

Что регулирует циклическую работу биологического двигателя

Author: СТРЕЖНЕВ МИХАИЛ АЛЕКСЕЕВИЧ / STREZHNEV MIKHAIL ALEKSEEVICH

В свое время Константин Эдуардович Циолковский предположил возможность биологического двигателя в виде стеклянного шара – подобия «громадного земного шара, только в крохотном виде». В нем, как и на какой-нибудь планете, есть количество материи и совершается определенный круговорот веществ. «Наш стеклянный шар и представляет подобие гипотетического существа, обходящегося неизменным количеством материи и вечно живущего»[3]. Получается «вечный биологический двигатель».

Меня заинтересовала идея создания биологического двигателя, чтобы его можно было использовать как альтернативный источник энергии для обеспечения длительных беспосадочных полетов.

Я выбрал эту тему в своем исследовании как более сложную для меня, по которой не так много материала для изучения, в отличие от тех же астероидов. Также я давно увлекаюсь робототехникой и темы по разработке автоматизированных систем мне знакомы, но мне всегда хочется изучить что-то новое. Я посчитал данное направление наиболее актуальным для развития летательной техники, так как все существующие способы уже находятся на пике используемых возможностей и нужно рассматривать что-то альтернативное. Тема исследования выходит за рамки моей учебной деятельности, охватывая биологические и физико-химические процессы, но инженер в 2100 году и должен быть широкопрофильным специалистом.

Передо мной встала проблема: можно ли создать биологический двигатель?

Гипотеза: Биологический двигатель может стать альтернативным источником энергии.

Цель исследования: рассмотреть возможность использования биологического двигателя как источника энергии применительно для обеспечения длительного беспосадочного полета летательного аппарата.

Задачи исследования:

— собрать информацию о применении биоматериала для создания двигателя;

— познакомиться с существующими биологическими двигателями;

— рассмотреть возможность использования биологических двигателей в космосе;

— сделать вывод о возможности использования биологического двигателя, как источника энергии для обеспечения длительного беспосадочного полета летательного аппарата.

Биологические двигатели в природе.

В природе биомоторы существовали на протяжении всего времени. Ротационный мотор, присущий бактериям, является по своему устройству электродвигателем, так называемым жгутиковым комплексом. Он используется для вращения жгутиков и перемещения клеток в водной среде. Специальные моторные белки развивают значительное механическое усилие и совершают перемещения при работе с молекулами ДНК[2].

В последнее время в нашей стране активно изучаются и используются нанотехнологии. Биологические двигатели как раз и относятся к этой сфере. Они имеют наноразмеры и более высокую эффективность по сравнению с элекродвигателями, созданными человечеством. Они экологически безопасны и совместимы с окружающей средой. По сути биологические моторы — это молекулы белка, средствами генной инженерии возможно их конструирование с необходимыми свойствами. Привлекательность биомолекулярных моторов для нанотехнологий состоит и в том, что сегодня это практически единственные реально существующие нанодвигатели. В реальности современные нанороботы нигде не применяются из-за отсутствия приличных двигателей, способных заставить микро-ботов двигаться.

Недостатком биологических моторов служат специфичные условия работы: кислотность, жидкая среда солевого состава и температура.

Ученым уже очень давно известно, что некоторые виды бактерий и других микроорганизмов имеют хвосты, движение которых позволяет им перемещаться вперед. Ранее науке не удавалось выяснить, что приводит в движение жгутики бактерий. И только недавно исследователи из Великобритании, при помощи технологии электронной криотомографии получили первые в истории высококачественные снимки биологических двигателей естественного происхождения (рис.1), которые чем-то напоминают современные двигательные установки и состоят из множества различных движущихся элементов[2].

В своих исследованиях ученые использовали в качестве образцов бактерии различных типов и, как оказалось, каждый тип бактерии обладает уникальным биологическим двигателем, отличающимся от двигателей других бактерий формой, величиной, сложностью структуры, мощностью, скоростью вращения и другими параметрами[2].

Единственной общей чертой всех биологических двигателей является система неподвижных молекулярных колец, своего рода эквивалент статора обычного электрического двигателя. Этот молекулярный статор и позволяет двигателю вырабатывать вращающий момент, который передается на крутящиеся органы бактерий — своего рода пропеллеры, толкающие их вперед[2].

Некоторые из бактерий имеют «статоры» достаточно больших размеров, что позволяет им вырабатывать большую мощность и крутящий момент. Самый большой «статор» можно увидеть у бактерии Campylobacter, он в два раза больше, чем «статор» бактерии вида Salmonella[2].

Полученные учеными снимки служат разоблачением ошибочного представления о том, что подобные биологические машины невероятно сложны. Теперь же, имея информацию о строении биологических двигателей естественного происхождения, ученые, работающие в области нанотехнологий, могут создавать свои собственные биодвигатели, обладающие необходимыми им размерами, скоростью, мощностью и другими характеристиками.

Первые созданные биологические двигатели

Разработка искусственных наномоторов находится на самых ранних стадиях.

Ученые, работая над задачей превращения бактерий в нанороботов,
обратили внимание на бактериальные жгутики у бактерий.
Законы физики наномира значительно разнятся с известными нам, поэтому уменьшившись до наноразмера микроба, человек просто не смог бы двигаться в жидкой среде. Бактерии же отлично справляются с этой функцией, используя для движения свои природные механизмы.

Исследователи пытались клонировать их, создавая упрощенные нано-аналоги, но они обладали целым рядом недостатков, в числе которых была значительная дороговизна, плохая подвижность и повышенная хрупкость изделий.

Ученые вырастили колонию бактерий Salmonella typhimurium, а затем покрыли их жгутики оксидом кремния и никелем — это позволило воздействовать на них с помощью магнитных полей. В ходе исследований выявили, что они смогли передвигаться не хуже обычных, преодолевая за секунду расстояние, превышающее в два раза их собственную длину[2].

В 2015 году ученым удалось создать и запустить необычный биологический двигатель, использующий бактерий и процесс испарения воды, постоянно происходящий на Земле.

Создав на базе круговорота воды новый способ, ученые получили бесконечный источник экологически чистой энергии, основными элементами которого являются споры бактерий.

В естественных условиях споры большинства вида бактерий расширяются в несколько раз, попав под воздействие влаги. Попав опять в сухие условия, споры снова сокращаются, уменьшаясь в размерах. Именно это простое движение легло в основу принципов работы созданного учеными биологического двигателя.

В настоящее время ученые занимаются экспериментами со спорами различных бактерий, чтобы еще больше увеличить деформацию. Это позволит разработать другие подобные технологии, сырьем для которых будет выступать вода.

Исследователи итальянского института нанотехнологий разработали систему микродвигателей, приводимую в действие микроорганизмами и управляемую светом.

Для систем из нескольких микромоторов важно, чтобы все они двигались с одной скоростью. Для этого разработан алгоритмом, который обрабатывает данные о скорости вращения каждого микромотора и информирует о тех двигателях, которые вращаются медленнее других.

Таким образом, первые существующие наработки пока не позволяют в полной мере использовать биодвигатели в авиации, возможно их применение коснется в первую очередь беспилотных летательных аппаратов, но пока моя идея – это только будущая перспектива альтернативного использования энергии.

Возможность применение биологического двигателя в космических аппаратах

Смогут ли бактерии жить в космосе? Недавно в средствах массовой информации появилось сообщение о том, что на МКС обнаружились микроорганизмы, «прилетевшие из космоса». С обшивки космической станции были взяты пробы, в которых обнаружились споры. Семенной материал на Земле в обычных условиях дал живые бактерии. Кроме того, выяснилось, что микроорганизмы, отправленные на станцию, могут адаптироваться к условиям открытого космоса.

Использование бактерий в биологических двигателях поможет улучшить экологию планеты. У ченые усовершенствовали самые обычные бактерии, заставив перерабатывать углекислый газ в топливо.
Многие тяжелые металлы ядовиты для микробов, и некоторые бактерии разработали систему защиты против таких примесей, выращивая на своей поверхности полупроводниковые кристаллы, нейтрализующие негативное влияние. А значит, теперь мы можем перерабатывать топливо, не выбрасывая углекислый газ в атмосферу.

Принцип передвижения летающей тарелки

Во флорентийской ратуше Палаццо Веккьо есть картина «Мадонна со святым Джованнино», авторство которой приписывают Доменико Гирландайо. Если обратить внимание на второй план, в правом углу можно увидеть крошечных мужчину с собакой, которые внимательно разглядывают непонятное пятно в небе – судя по всему не что иное, как летающая тарелка, от которой во все стороны исходят лучи.

Стоит заметить, что НЛО на картинах авторов Средневековья не были редкостью, но с тех пор наука мало продвинулась в их изучении.

Сам факт существования НЛО до сих пор ставится под сомнение. Но нас скорее интересует принцип передвижения летающей тарелки. И здесь очень убедительно выглядит версия, представленная В.Н.Мегре в серии книг «Звенящие Кедры России». Он описывает энергоустановку как деятельность живых организмов. Для движения различных механизмов в настоящее время мы используем преимущественно энергию взрыва – расширения. Но как следует из законов физики, должна быть и обратная ей энергия сжатия, которую человечество практически не использует. Но если объединить эти энергии в одном устройстве, можно представить себе механизм перемещения НЛО в пространстве. Нам известны микроорганизмы, превращающие газообразные вещества в твердые, при этом скорость этих процессов может быть различной. Эти бактерии и находятся с внутренней стороны верхней поверхности летающей тарелки, всасывают воздух, превращая его в твердое тело, при этом образуя вакуум впереди по ходу движения. Затвердевшие струи воздуха, проходя через основание тарелки, снова благодаря микробам распадаются на газы, толкая летательный аппарат вперед. Достичь значительной скорости этого процесса для поступательного движения кажется невероятно, но д вадцать лет назад сотовый телефон для каждого тоже был фантастикой, как говорят родители. Эта сфера очень привлекательна для исследования двигателей в энергетике, возможно к 2100 году мы уже будем пользоваться этими открытиями.

Заключение

Итак, мы рассмотрели возможность использования альтернативной энергии в виде биологического двигателя. Выяснили, что такие двигатели существуют в природе и даже реализуются учеными. До практического применения в качестве альтернативного источника энергии для обеспечения полетов еще далеко, но я думаю, что это очень перспективное направление.

В настоящее время используется энергия расширения вещества в виде взаимодействия (взрыва) других веществ для осуществления движения как в воздухе, так и в космосе. Но ведь согласно закону сохранения энергии должна быть и обратная энергия сжатия. Этот вопрос наука пока не изучила в достаточной степени, чтобы использовать его в авиации и космонавтике, но возможно его решение лежит в области микромира и нанотехнологий, когда бактерии будут создавать вакуум или разряжение на пути движения, а затем использовать ту же энергию для расширения позади летательных аппаратов. Фантастика? Нет, ведь мы пока не научились использовать энергию от взрыва водородной бомбы, используя этот процесс в мирных целях. Значит существует и обратная реакция, когда пространство может мгновенно сжаться. И созданные природой бактерии могут быть полезны в работе рассматриваемого биологического двигателя.

Поэтому считаю, что за биологическим двигателем будущее, как бы невероятно это сейчас не выглядело. Надеюсь, что уже в скором времени мою теорию возьмут на вооружение и через несколько лет биомоторы станут такими же привычными.

Список использованных источников.

1. Мегре В.Н. Серия книг «Звенящие Кедры России».
2. Алексеева В.И. Русский космизм: природа и человек.

§ 64. Движение в живой природе

Монада, точка малая средь вод,
Без ног, без членов плавает, снует,
Там вибрион, как угорь вьется,
Живым мерцает колесом Сувойка,
А там играет формами Протей,
То шар, то куб, то будто червь иль змей.
Э. Дарвин

Какой механизм лежит в основе движения живых организмов? Как действуют биологические моторы? Как работают мышцы? Каков механизм движения отдельных клеток и одноклеточных организмов?

Урок-лекция

МНОГООБРАЗИЕ ФОРМ ДВИЖЕНИЯ ЖИВОГО. Движение — одно из фундаментальных свойств живого. В повседневной жизни мы сталкиваемся в основном с движением, которое осуществляется благодаря работе мышц; это и бег коня, и полет бабочки, и ползание дождевого червя, и плавание карася. В основе этих внешне столь различных форм движения лежит активность мышечных волокон. Но не только сокращение мышц обеспечивает движение. Одноклеточные организмы, например амебы, жгутиконосцы, инфузории, тоже обладают способностью к перемещению в пространстве. Перемещения разного рода осуществляются и внутри самих клеток: движение вакуолей, транспортных пузырьков, содержащих выработанный клеткой секрет, расхождение хромосом делящейся клетки. Есть ли что-либо общее между всеми этими столь различными на первый взгляд процессами?

ПРИЧИНЫ ДВИЖЕНИЯ ЖИВОГО. Из приведенных выше примеров следует, что движение живых организмов является механическим движением, а причиной любого механического движения являются силы. В частности, причиной движения планет является гравитационная сила Солнца. Причиной движения двигателей, построенных человеком, являются либо электромагнитные силы (электродвигатели), либо сила давления горячего газа на поршень (тепловые двигатели). Что же является причиной движения живых организмов?

Как вам уже известно, субстратом жизни служат полимерные молекулы белков и нуклеиновых кислот. Все процессы в живом организме происходят вследствие химических реакций между этими и другими молекулами, составляющими живой организм или поступающими в организм. Каким же образом химические превращения способны вызвать механическое движение?

Раскадровка движения балерины

Среди различных белков, составляющих организм, важную роль играют молекулы, получившие название белки — молекулярные моторы Характерным свойством таких молекул является способность изменять свою форму, т. е. взаиморасположение отдельных составляющих молекулы. Примером такого белка является молекула миозина, которая при наблюдении в электронный микроскоп видна как короткая толстая нить с утолщением-головкой на одном из концов. Эта головка способна поворачиваться относительно нити (рис. 73).

Рис. 73. Движение головки миозина

Если головку прикрепить к какой-либо другой молекуле, при повороте она способна совершать механическую работу. Откуда берется энергия для такой работы? Энергию поставляет молекула АТФ — универсальный источник энергии клеток всех живых организмов.

Однако при движении головки относительное изменение длины молекулы миозина оказывается незначительным. Мышцы, созданные из таких молекул, могли бы сокращаться на единицы процентов (реальное сокращение мышц может доходить до 50%). И природа «исхитрилась» создать мотор, работающий по циклу, подобно тепловым двигателям, созданным человеком. Правда, произошло это за миллиарды лет до создания человеком тепловых двигателей. Биологический двигатель состоит из двух молекул — миозина, осуществляющего движение, и актина, молекулы которого, соединяясь между собой, образуют длинные тонкие нити. Рабочий цикл актин-миозинового мотора схематично изображен на рисунке 74.

Рис. 74. Схема рабочего цикла актин-миозинового мотора

Следует отметить, что КПД такого двигателя (отношение совершенной механической работы к затраченной энергии) в несколько раз превосходит КПД тепловых двигателей, созданных человеком. Человек еще не достиг совершенства, имеющегося в природе; возможно, двигатели, подобные биологическим, будут изобретены в будущем.

Биологические моторы основаны на взаимодействии двух типов молекул: молекулы, изменяющей форму, и перемещаемой молекулы. Эти молекулярные комплексы ра-циклично и обусловливают все движения, которые наблюдаются в живой природе.

Что же регулирует циклическую работу биологического двигателя? Под воздействием нервного импульса в цитоплазме увеличивается концентрация ионов Са 2+ . Они способствуют контакту актина с миозиновой головкой и соединению миозина с одной из составляющих молекулы АТФ (в определенном смысле действие ионов кальция подобно действию катализаторов при химической реакции). После того как миозиновая головка совершила очередное тянущее движение, концентрация ионов кальция уменьшается (см. рис. 74).

МЫШЕЧНОЕ СОКРАЩЕНИЕ. Рассмотрим работу мышцы. Схема мышцы приведена на рисунке 75. Мышечные волокна, имеющие диаметр порядка 50 мкм, состоят из отдельных цилиндрических структур — миофибрилл, которые имеют диаметр 1—2 мкм.

Рис. 75. Схема строения мышцы

Если сделать поперечный срез миофибриллы и взглянуть на него через электронный микроскоп, то можно увидеть правильно чередующиеся тонкие нити белка актина и толстые, связанные в пучок своими хвостовыми концами молекулы миозина. При зацеплении головки миозина за актиновую нить образуются поперечные мостики.

Основу работы мышцы составляет работа множества элементарных актин-миозиновых биологических моторов.

Схема работы отдельной сократимой единицы миофибриллы приведена на рисунке 76.

Рис. 76. Схема работы миофибриллы: расслабленное состояние (а), сокращенное состояние (б)

В расслабленном состоянии мышцы миозиновые и актиновые нити перекрываются незначительно. После нескольких циклов актин-миозиновых моторов актиновые нити оказываются втянутыми в промежутки между миозиновыми нитями, что приводит к сокращению мышцы.

УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ХАРАКТЕР БИОЛОГИЧЕСКОГО ДВИЖЕНИЯ. Описанные биологические моторы обусловливают различные движения живых организмов. Примерами таких движений являются изменение формы клетки и образование перетяжки между дочерними клетками в ходе клеточного деления, движение жгутиков и ресничек простейших живых организмов (жгутиконосцы, инфузории), амебовидное движение — один из самых распространенных способов перемещения клеток.

Исследование амебоидного движения показало, что в прилежащем к наружной плазматической мембране амеб слое цитоплазмы имеется сеточка из нитей актина и миозина. Сокращение и расслабление этой сеточки фактически изменяет упругость наружной оболочки, в результате чего цитоплазма перетекает в область, где эта упругость меньше. В этой области образуется вырост — псевдоподия, которая закрепляется на окружающих амебу телах. Затем вещество амебы постепенно перекачивается в область, где закрепилась псевдоподия, после чего цикл повторяется.

Подобный способ движения характерен также для лейкоцитов — элементов крови человека и позвоночных животных — участвующих в иммунном ответе организма. Перемещаясь, как амебы, эти клетки скапливаются вокруг проникших в организм инородных объектов и нейтрализуют их вредное воздействие на организм,

Движение при помощи жгутиков и ресничек чрезвычайно распространено среди одноклеточных организмов. Изгибаясь, жгутики и реснички совершают сложное движение. Движение жгутика напоминает движение гребного винта. Движение реснички напоминает движение рук человека, плывущего брассом: вначале следует прямой удар ресничкой, затем она изгибается и медленно возвращается в исходное положение.

Несмотря на огромное разнообразие форм движения живых существ, все они оказываются достаточно сходными и основанными на одних и тех же молекулярных механизмах.

Жгутики и реснички не содержат мышц. Под микроскопом видно, что жгутики и реснички состоят из микротрубочек, образованных молекулами белков. К каждой микротрубочке прикреплены ручки, образованные белком — молекулярным мотором (рис. 77).

Рис 77. Схема, иллюстрирующая механизм изгибания жгутиков и ресничек

Цикл движения состоит в том, что ручки микротрубочки цепляются за соседнюю микротрубочку, затем, изгибаясь, подтягивают соседнюю микротрубочку, после чего, отцепляясь, возвращаются в исходное положение. Таким образом, функцию актина в актин-миозиновом комплексе в данном случае выполняют микротрубочки. Если микротрубочки одним концом скреплены между собой, то при циклическом движении ручек происходит изгиб микротрубочек.

• Как осуществляется механическое движение в живой природе?
• Можно ли найти что-то общее в беге леопарда и ползании амебы? Если да, то что?
• За счет какого вида энергии совершается механическая работа при действии биологического мотора?

Cтволовые клетки кожи и мышц по-разному меняют биоритмы при старении

Рис. 1. Возрастные изменения в стволовых клетках кожи и мышц мыши. Ритмичность процессов сохраняется, но сами процессы претерпевают изменения: при старении необходимо отвечать на накапливающийся стресс. Однако ограничения в калорийности пищи позволяют репрограммировать циклы в сторону более молодого состояния. Изображение из обсуждаемой статьи в журнале Cell

Суточные циклы затрагивают не только общую активность организма млекопитающих, но и процессы внутри клеток, в том числе стволовых. Известно также, что с возрастом количество и работоспособность этих клеток снижается. Ученые из Испании и США изучали, что происходит с циклическими процессами в стволовых клетках разных тканей мыши при старении. Оказалось, что жизнь стволовых клеток продолжает подчиняться биоритмам, однако набор циклических процессов изменяется в зависимости от типа ткани и ее потребностей. В то же время, последствия возрастной перестройки биоритмов ученые смогли минимизировать, посадив мышей на низкокалорийную диету.

Активность большинства живых организмов напрямую зависит от времени суток. Сигнал об уровне освещенности поступает в нервную систему (или ее аналоги), которая, в свою очередь, выделяет гормоны, действующие на разные системы организма. Результатом становятся суточные (или циркадные) биоритмы — колебания в работе органов, тканей и даже отдельных клеток. Например, у человека за биоритмы отвечает супрахиазмальное ядро гипоталамуса, нейроны которого посылают сигнал в шишковидную железу и запускают выделение гормона мелатонина в темное время суток. А мелатонин уже регулирует работу отдельных органов. В результате ночью у людей снижаются температура и давление, активность кишечника и сердечно-сосудистой системы. Циклические процессы наблюдаются и на уровне клеток — например, в соответствии с биоритмами клетки печени усваивают вещества, а клетки волосяного фолликула делятся. Обсуждаемое исследование — отметим сразу — было проведено на мышах, для которых характерен ночной образ жизни, поэтому большинство циклов работает строго наоборот, и пик активности приходится на темное время суток.

Циклическая активность имеет значение, по всей видимости, только для взрослого организма — мыши, мутантные по генам контроля биоритмов, рождаются здоровыми, а дефекты в работе органов начинают проявляться позже. Но с возрастом даже у здоровых организмов некоторые биоритмы нарушаются. Например, у человека постепенно снижается выработка мелатонина эпифизом, поэтому сбиваются циклы сна и бодрствования, и пожилые люди чаще молодых страдают бессонницей. И тогда возникает вопрос: влияет ли старение на циклические процессы на уровне отдельных клеток и можем ли мы как-то на него повлиять или даже остановить?

Стволовые клетки, способные делиться в течение всей жизни человека, представляют собой ресурсы для возобновления тканей организма. Как и в других клетках, в них наблюдаются определенные суточные циклы, то есть ночью повышена экспрессия одного набора генов и происходят одни процессы, а днем — другие. Авторы исследуемой работы рассматривали два типа стволовых клеток мыши — эпидермальные (ЭпСК) и мышечные (МСК) как примеры часто и редко делящихся клеточных популяций соответственно.

Физиология стволовых клеток в организме различается в соответствии с потребностями тканей. ЭпСК находятся в коже, а значит должны часто делиться и дифференцироваться в клетки кожи. У мышей деление ЭпСК контролируется суточным биоритмом и происходит по ночам. Это связано с тем, что самое ценное, что есть в стволовой клетке, то есть ДНК, необходимо оберегать от ошибок и поломок, а главной их причиной обычно является свет. Под действием солнечного ультрафиолета азотистые основания в ДНК могут образовывать сшивки друг с другом, нарушая общую структуру молекулы. В момент удвоения ДНК стволовых клеток наиболее уязвима: она раскручивается, поэтому ее легче повредить, и ошибка с большей вероятностью попадет в дочерние клетки. Но даже если ошибку вовремя заметят системы репарации ДНК, то при большом количестве ошибок деление клетки будет остановлено. Одновременно с этим запустится процесс программируемой клеточной гибели — апоптоз, и клетка погибнет. Поэтому удвоение ДНК в делящихся стволовых клетках по возможности должно происходить в темное время суток. В то же время для деления клеткам нужна энергия, то есть высокий уровень глюкозы в крови. А значит деление должно приходиться на период активности организма (см. M. P. Antoch, R. V. Kondratov, 2010. Circadian Proteins and Genotoxic Stress Response). Это оказалось удобно для мышей с их ночным образом жизни, но совсем неудобно для человека, который активен в дневное время суток. Вероятно, это еще одна причина распространенности рака кожи у людей — неизбежное накопление ошибок в делящихся клетках под действием дневного света.

Функционирование МСК устроено по-другому. Их функция заключается в том, чтобы поддерживать себя в покоящемся состоянии и быть готовыми начать деление при необходимости. Для этого нужно регулярно сканировать ДНК на ошибки и обновлять белковый состав клетки. В делящихся клетках устаревшие белки равномерно распределяются между потомками и наносят мало вреда. Но в покоящихся МСК их накопление может привести к стрессу, при котором нарушается сразу множество функций клетки. Поэтому во взрослых клетках важную роль играет аутофагия — частичное самопоедание — в ходе которой клетка переваривает собственные белки. У мышей это обычно происходит днем, в период покоя (см. L. Garcia-Prat et al., 2016. Autophagy maintains stemness by preventing senescence).

Известно, что с возрастом количество и активность стволовых клеток снижается, то есть истощаются ресурсы организма для восстановления повреждений. Однако причины этого не до конца известны. По аналогии с расстройством циклов сна при старении можно предположить, что и суточные циклы стволовых клеток должны как-то изменяться, ухудшая их работу. Однако до недавнего времени никто этого не проверял. Авторы исследуемой работы измеряли экспрессию множества генов в ЭпСК и МСК взрослых и старых мышей в течение дня. Затем с помощью статистических критериев отбирали те гены, экспрессия которых показывала устойчивые пики в определенное время суток. Такие гены будем дальше называть «циклическими», в отличие от остальных, которые экспрессировались равномерно или с разовыми всплесками. Наличие циклических генов позволяет заключить, что клеточные процессы, за которые они отвечают, подчинены суточным биоритмам. То есть, сравнивая набор циклично экспрессирующихся генов в стволовых клетках взрослых и стареющих мышей, авторы делают выводы о том, насколько у этих клеток выражены те или иные функции.

Первое, на что исследователи обратили внимание, — суточные циклы сохраняются даже у старых стволовых клеток, то есть у них обнаруживается циклическая экспрессия генов. При этом амплитуда колебаний генов оставалась неизменной. Что касается набора циклических генов, то некоторый их процент (примерно одинаковый в обоих типах клеток) сохранялся, но существенная часть (больше 70%) изменялась: циклическими становились другие гены. Это значит, что при старении в стволовых клетках запускаются новые циклические процессы, которые требуют работы других генов.

Рис. 2. Количество циклических генов в ЭпСК и МСК. Изображение из обсуждаемой статьи в Cell

Более тщательный анализ состава циклических генов показал, что при старении сохраняются ключевые функции стволовых клеток. В случае ЭпСК, для которых главное — быстрое регулярное деление, остаются циклическими гены, регулирующие сами биоритмы, а также синтез ДНК и митоз (деление клеток). При этом из списка циклических исчезают гены, отвечающие за дифференцировку клеток, зато добавляются гены, связанные с реакцией на стресс, выделением провоспалительных веществ и репарацией ДНК. Причина возникновения стресса предположительно следующая: с возрастом у стволовых клеток больше времени занимает удвоение ДНК (возможно, из-за количества накопленных ошибок), поэтому оно начинается ночью и продолжается в течение всего дня, а деление происходит тогда же, когда и у взрослых клеток — в конце ночи. Из-за того, что синтез ДНК приходится на световой день, появляются световые повреждения, а это вызывает в клетке стресс. Поэтому важно запускать экспрессию генов репарации и реакции на стресс и синхронизировать ее с циклами генов, стимулирующих удвоение ДНК.

Рис. 3. Циклы экспрессии генов, контролирующих суточный ритм в ЭпСК. Черные линии — экспрессия в клетках взрослых мышей, серые — стареющих. По горизонтальной оси отложено время: ZT0 — начало светового дня, ZT12 — конец светового дня. Изображение из обсуждаемой статьи в Cell

Несколько по-другому обстоит ситуация с МСК. Так как регулярного деления от них не требуется, циклическую экспрессию генов митоза у них не обнаружили. Но как у взрослых клеток, так и у старых работают циклические гены, связанные с клеточным скелетом и контактами с межклеточным веществом. Это необходимо для того, чтобы клетки удерживались в своей нише и реагировали на изменения окружающей среды. В то же время, взрослые МСК в любой момент готовы к делению, поэтому у них ожидаемо обнаружили циклические гены репарации ДНК (для проверки на ошибки и починки) и аутофагии (для устранения пришедших в негодность белков). Все эти процессы — готовность к делению, репарация, аутофагия — в старых клетках больше не подчиняются биоритмам, так как соответствующие гены утрачивают цикличность экспрессии. Зато появляются циклические гены, отвечающие за выделение воспалительных белков — вероятно, в качестве реакции на стресс (как внутриклеточный, так и внешний, связанный с общими процессами старения в организме).

Таким образом, авторы обсуждаемой работы показали, что с возрастом стволовые клетки утрачивают часть своих циклических процессов, переключаясь на антистрессовый ответ. Однако все еще неясно, какие факторы вызывают это переключение. Авторы предприняли попытку повлиять на функционирование стволовых клеток с помощью пищевых ограничений. Давно известно, что низкокалорийная диета (содержащая на 30% меньше калорий, чем необходимо для полного насыщения животного) улучшает состояние мышей, повышает их когнитивные способности и продлевает им жизнь. К тому же, было обнаружено, что она стимулирует активность мышечных стволовых клеток (см. M. Cerletti et al., 2012. Short-term calorie restriction enhances skeletal muscle stem cell function).

Поэтому группу мышей в течение полугода держали на низкокалорийной диете, а затем сравнили цикличность экспрессии генов в стволовых клетках с контрольной группой (которая питалась полноценно) и со взрослыми животными. Выяснилось, что ограничение в питании позволяет предотвратить изменения в суточных циклах, связанные со старением стволовых клеток. Через полгода на диете в ЭпСК сохранялась цикличность генов дифференцировки, а синтез ДНК не сдвинулся на дневное время, хотя за это время клетки должны были сильно постареть (по меркам мышиной жизни полгода — довольно большой срок). Впрочем, было обнаружено небольшое количество циклических генов репарации, что характерно для старых клеток. В МСК через полгода аутофагия оставалась цикличной, как и во взрослых клетках. Тогда авторы провели обратное исследование: группу взрослых мышей держали на диете с повышенным содержанием жиров. Как и следовало ожидать, набор циклических генов стал больше похож на характерный для старых клеток. Впрочем, в полной мере клетки состояния старости не достигали, сохраняя целостность ДНК (ЭпСК) и способность к цикличной аутофагии (МСК). Однако появились циклические гены, характерные для воспаления и стрессовой реакции. К тому же, количество МСК стало меньше, то есть было дополнительно заторможено их деление.

Наконец, авторы исследования задались целью проверить, можно ли вызвать старение путем разрушения суточных циклов экспрессии. Оказалось, что нет: в клетках, мутантных по генам, контролирующим биоритмы, не возникало признаков старения.

Обсуждаемая работа приближает нас к пониманию того, какие изменения происходят в организме при старении. Судя по всему, на клеточном уровне цикличность экспрессии генов не исчезает, но изменяются наборы циклических генов. Стареющие стволовые клетки сохраняют базовые свойства: способность к делению (у клеток кожи) и контакты с окружающей средой (у клеток мышц). Однако вместо того, чтобы готовиться к дифференцировке (циклично экспрессировать дифференцировочные гены) и поддерживать постоянство внутренней среды (то есть регулярно осуществлять аутофагию), клетки переключаются на защиту от стресса и исправление накапливающихся ошибок. При этом тип защитной реакции зависит от принадлежности к той или иной ткани.

Причины подобных изменений в работе стволовых клеток остаются неизвестными. Однако не исключено, что это связано с общим уровнем стресса в организме, который повышается при старении. Возможно, именно поэтому в эксперименте с жирной диетой, которая повышает нагрузку на организм, были отмечены признаки старения стволовых клеток. Более подробное изучение циклических процессов на внутриклеточном уровне может подсказать нам новые способы замедлить старение. Однако не следует забывать, что у человека суточные ритмы устроены не так, как у мыши, а это значит, что старение стволовых клеток человека требует отдельного тщательного исследования.

Источник: Guiomar Solanas, Francisca Oliveira Peixoto, Eusebio Perdiguero, Merce Jardı, Vanessa Ruiz-Bonilla, Debayan Datta, Aikaterini Symeonidi, Andres Castellanos, Patrick-Simon Welz, Juan Martın Caballero, Paolo Sassone-Corsi, Pura Munoz-Canoves and Salvador Aznar Benitah. Aged Stem Cells Reprogram Their Daily Rhythmic Functions to Adapt to Stress // Cell. 2017. DOI: 10.1016/j.cell.2017.07.035.