Техника для стабилизации биопроцессов

Л.Н.Смирнов

Достижения в области биотехнологии и накопление знаний о законах передачи, восстановления и сохранения информации позволяют по новому оценить возможности достижения «вечного» существования на земле отдельного организма. Считается, что человек на настоящем уровне развития преодолел барьер так называемой «искусственной смерти», обусловленной войнами и болезнями. Большинство современных людей уже доживают до старости и всё чаще появляются предложения и технические решения по преодолению второго барьера на пути к вечной жизни - «естественной смерти». Так, ГУП «НИИЭиергоцветмет» совместно с Академией инженерных наук РФ и кафедрой биологии Уральского государственного университета (г.Екатеринбург) разработали установочный комплект приборного комплекса «Код». Применение его останавливает процесс старения организма человека, позволяет снизить его возраст и удерживать возраст на планируемом «комфортном» уровне.

Предпосылкой разработки приборного комплекса «Код» послужило представление об отдельном организме, как о самоорганизующейся машине, развитое известным русским физиологом Павловым И.П.

Машина является рукотворным созданием человека и свойства ее известны. Одним из главных свойств машины является надёжность (долговечность). С позиции надёжности различают три типа машин.

Вечная машина - её работа обеспечивается непрерывным потоком запасных частей, выполненных по «регламенту», т.е. в соответствии с чертежами, в которых помимо основных параметров деталей представлены величины допусков на размеры и состав материалов. Величина допуска характеризует, как правило, достигнутую на данном этапе развития технологии предельную точность изготовления деталей. В материальном мире невозможно получить реальный объект теоретически заданных' размеров и выдержать абсолютно состав материала, из которого он сделан. В пределах значений допусков размеры и качество материалов деталей неопределены, иначе говоря, одинаковые детали отличаются друг от друга в пределах допусков. Таким образом, понятие допуска имеет фундаментальное значение, характеризуя в случае машины неустраняемую величину «хаоса».

Длительность работы машины второго типа - самой «короткоживущей» раина времени работы на отказ одной из её важных деталей, т.е. самая «короткоживущая» машина - это машина, не обеспеченная запасными частями.

Существует ещё машина третьего типа. По длительности работы она занимает промежуточное положение между уже рассмотренными. Особенностью такой машины является то, что, несмотря на полную обеспеченность запасными частями, она в процессе работы постепенно снижает производительность и имеет конечный срок службы, по окончании которого работа её становится невозможной. При этом по окончании срока службы машина не подлежит восстановлению по причине «исчезновения» информации о её деталях. Свойствами машины третьего типа обладает, например, машина, у которой отсутствуют (утеряны) чертежи деталей. Восстановление изношенной и вышедшей из строя детали в ней производится   посредством копирования сломанной или такой же целой детали, имеющейся в составе машины.

Копия может содержать «ошибки» в пределах двух допусков, т.к. параметры детали определяются только по замерам, а в замерах уже заложен разброс в пределах одного допуска. Поэтому одинаковые детали второго поколения отличаются одна от другой в пределах двух допусков, одинаковые детали третьего поколения будут отличаться в пределах трёх допусков и т.д. Таким образом, машина третьего типа - это машина с растущим допуском, в процессе её работы происходит нарастание «хаоса». Увеличение надёжности машины третьего типа, осуществляемое за счёт замены вышедших из строя деталей новыми, получаемыми последовательным копированием, сопровождается «рассеянием» информации о первоначальных свойствах деталей, из которых машина состоит. Последовательная замена деталей их копиями проявляется, как ускоренный износ «неломающихся деталей» в работающей машине. Согласно теории надёжности машин, увеличение допуска приводит к снижению эффективности работы машины и сопровождается ухудшением её внешнего вида. В этом случае можно говорить о постепенном. не восстанавливаемом «старении» машины. Номер сменяемого поколения деталей характеризует качество поступающих деталей, а, следовательно, и «возраст» машины. С излагаемых позиций «вечная» машина обеспечивается деталями нулевого поколения, качество которых неизменно.

Из изложенного следует: свойства машин с последовательным копированием деталей, поступающих на замену отслужившим свой срок, напоминают свойства организмов: они подвержены «старению» и «смерти».

Несложно наметить меры, при которых машина третьего типа переводится в первый тип и становится «вечной». Если каким-либо образом застабилизировать качество деталей, например, изготовив чертежи для деталей определённого номера смены поколений, при котором машина ещё функционирует и изготовлять детали, идущие на замену, уже по чертежам, то роста номера поколений деталей и увеличение «возраста» машины происходить не будет - она становится «вечной». Можно, например, используя априорную (уже известную) информацию о форме деталей, о влиянии отдельных размеров на их прочность и т.д. произвести оптимизацию по общему критерию качества, способствующему увеличению производительности машины, определить новые значения параметров деталей и закрепить их на чертеже. Изготовление деталей, поступающих на замену по чертежам, в данном случае эквивалентно снижению номера смены поколений деталей, т.е. уменьшению «возраста» машины.

В организмах происходит автоматическая генерация огромного количества клеток из одной, т.е. существует самоуправляемая форма «последовательного копирования» и приспособления (специализации) клеток для работы в едином организме. Прямое копирование (деление) приводит, как показано выше, к «рассеянию» информации об организме, заложенной в ДНК исходной клетки и, в конечном итоге, старению и смерти организма.

Считается, что основной причиной неоднозначности результатов при делении клетки является сложное взаимодействие различных факторов физико-химической природы, сопровождающих процесс её деления.

Исследованиями обнаружены клеточные механизмы, выработанные эволюционно. Они существенно уменьшают уровни воздействия неадекватности кодов в клетках на длительность жизни организмов. Известен, например, клеточный механизм восстановления повреждённых участков ДНК; механизм поддержания постоянства состава элементов питания клеток; механизм «самоуничтожения» сильно повреждённых клеток «спящими» генами смерти и т.п. Данные механизмы опосредованно увеличивают среднюю (относительную) точность копирования клеток.

Теоретическим обоснованием положения о неизбежности рассеяния информации при её передаче по бесконечной цепочке каналов служит известная теорема кодирования Шеннона.

Поэтому общим моментом у машины и организма на пути решения проблемы старения является необходимость запоминания либо параметров деталей машины, либо структуры ДНК конкретного организма, выбранной в качестве эталонной.

Предложено уже более трехсот теорий старения организмов. Однако, объяснение механизма старения и «естественной смерти» с информационных позиций наиболее полно соответствует выводам геронтологии (науки, изучающей старение живых организмов, в т.ч. и человека) о свойствах механизма, не позволяющего организмам существовать вечно.

Продолжительность жизни организма, исходя из современных представлений, связывается с числами клеточных поколений процесса деления соматических клеток. В общей теории онтогенеза считается, что «предел роста и жизни» зависит от «внутренних причин», причём причины не носят адаптивного характера, т.е. к ним невозможно приспособление в естественных условиях существования и развития организмов. Считается так же, что природа не против вечной жизни, поэтому существует представление о старости, как о побочном эффекте эволюции.

По причине неточной передачи наследственной информации в клеточных делениях взрослый организм состоит из структурно различающихся клеток, степень различий которых с возрастом увеличивается. В живом мире вряд ли можно обнаружить два абсолютно одинаковых организма одного вида, даже если они произошли из одной клетки.

Эволюционно длительность жизни организмов может возрастать от поколения к поколению, если будет возрастать точность копирования ДНК в клеточных делениях, но этот процесс никогда не приведёт к «вечной» жизни для одного поколения. Получается, что конечной длительностью жизни организмов разрешается противоречие двух природных процессов: с одной стороны - адаптация организмов к меняющимся условиям окружающей среды может осуществляться только за счёт «изменчивости» (рассеяния) наследственной информации; а с другой стороны - для обеспечения «вечной» жизни необходимо соблюдение условия сохранения постоянства наследственной информации, что исключает адаптационные свойства организмов. Поэтому необходимым условием обеспечения вечной жизни одного поколения организмов в обход эволюции является искусственное поддержание в клетках организма полноты наследственной информации с ограниченным рассеянием, не превышающим «комфортный» уровень.

Для решения этой задачи и разрабатывается приборный комплекс «Код», информация о котором была представлена на Нижегородской ярмарке-выставке, проходившей под девизом «Единая Россия» с 6 по 11 сентября 2000 года.

Установочный комплект комплекса состоит из многолучевого электронного микроскопа, блока анализа и обработки информации, блока приготовления клеток резервирования и блока управления.

Принцип действия комплекса следующий. Посредством многолучевого электронного блока осуществляется неразрушающий анализ ДНК клеток. извлечённых из разных органов организма. При этом клетки организма помещаются в питательную среду и размножаются. По результатам анализа, выполненного по специальному алгоритму, в памяти компьютера формируется эталонная структура ДНК, наилучшим образом соответствующая данному конкретному организму. Что эквивалентно получению чертежей деталей в случае машины третьего типа. За эталонную структуру ДНК принята структура, получаемая в результате анализа ДНК и её фрагментов в большом количестве клеток конкретного организма. Использование многолучевого электронного микроскопа позволяет анализировать неразрушающим методом требуемые фрагменты молекул, скрытые другими фрагментами при большой скорости анализа. Выбор эталонных фрагментов осуществляется по принципу «большинства». Предел жизни у мужчин наступает приблизительно при вероятности исполнения функции, равной 0,58, а у женщин - 0,56. Это означает, что «правильно» работающих фрагментов программы ДНК даже в старом организме сохраняется больше половины. Способность женского организма функционировать при меньшей вероятности исполнения функции обеспечивает женщинам более долгую жизнь по сравнению с мужчинами, что в среднем подтверждается на практике. В блоке приготовления клеток резервирования осуществляется с применением методов генной инженерии, если это требуется; размножение и отбраковка клеток, разброс в строении ДНК которых находится в пределах, больше заданных. Искусственная корректировка фрагментов ДНК методами генной инженерии требуется, например, для устранения вредных, наследственно приобретённых, мутаций. При проведении целевой программы США «Геном человека» было обнаружено более 4,5 тысяч таким образом приобретённых мутаций. Приготовленные клетки, например, с уровнем разброса фрагментов ДНК, не превышающим «комфортный», вводятся обратно в организм, в котором в результате этого снижается общий уровень разброса информации в структурах ДНК. В зависимости от дозы при регулярном введении клеток «резервирования» его возраст постепенно может быть снижен до заданного и дальше останется неизменным.

Таким образом, введением клеток резервирования осуществляется корректировка наследственной информации, останавливается рост и фиксируется уровень разброса наследственной информации и, тем самым, устраняется основная причина старения организма.

Результаты воздействия клеток   «резервирования» на организм человека можно проиллюстрировать следующим примером. С момента рождения до конца жизни человека изменяется его интенсивность основного обмена (и.о.о.). Каждому значению и.о.о. соответствует определённый возраст человека, поэтому по уровню и.о.о. можно судить о возрасте человека. Физически и.о.о. характеризует плотность теплового излучения с поверхности тела человека, измеряемая в определенное одно и тоже время суток. С возрастом и.о.о. падает по причине снижения синхронности работы клеток организма, в кодах ДИК которых накапливается неоднозначность.

Ниже на графике представлены зависимости и.о.о. человека от возрасти: реальные и искусственные, полученные в результате численных экспериментов на математической модели процесса воздействия клеток «резервирования» на человеческий организм.

Жирными линиями 1 на графике обозначены реальные зависимости и.о.о. от возраста современных среднестатистических мужчины и женщины соответственно. Реальные кривые имеют падающий характер вследствие явления возрастающего хаотического «рассеяния» наследственной информации в сменяемых поколениях клеток живого организма и снижения управляемости обменными процессами.

Прекращение роста организма (приблизительно 18,5 лет для женщин и 20,5 - для мужчин) отображается па опытном графике в виде изгиба кривых. С прекращением роста скорость деления клеток и «старение» замедляются, а кривые имеют более пологий характер. Считается, что на изгибе существует «комфортная» зона разброса наследственной информации, соответствующая оптимальным адаптационным возможностям организма. Однако, продолжающееся деление клеток приводит к всё большей неоднозначности и программах ДНК и с возрастом падение и.о.о. продолжается. Процесс заканчивается состоянием организма, когда он не может обслуживать себя, обменные процессы в нём затухают и наступает «естественная смерть» (70-80 лет на графике).

Тонкими линиями 2 обозначены зависимости, полученные расчётным путём на математической модели.

Зависимости 3 и 4 получены при регулярном введении «нейтральными» дозами клеток «резервирования» уровня 18,5 лет для женщин и 20.5 лет для мужчин. Точками обозначены моменты начала введения. «Молодые» клетки отличаются повышенной степенью одинаковости структур ДНК в дозах и близостью структур к некоторой эталонной структуре, характерной для конкретного организма и определяемой на приборном комплексе.

На графике тонкими горизонтальными линиями обозначены режимы стабилизации и.о.о. и возраста. Таким образом, на математической модели продемонстрирована возможность с помощью разработанного приборного комплекса избежать явления под названием «естественная смерть» и «удерживать» состояние организма человека на высоком активном уровне. независимо от возраста. Экспериментальная проверка подтверждает расчётные данные.

Комплекс имеет большие перспективы в коммерческом плане. Прототипом его, близким по принципу действия, но обладающим меньшей разрешающей способностью, является компьютерный томограф, который был изобретён в России ещё в период существования СССР. Однако, изготавливаются томографы только за рубежом. Стоимость компьютерных томографов в современных ценах весьма значительная. Приобрести их стремится большинство медицинских учреждений, т.е. потребность в подобных приборах в настоящее время практически не ограничена.

Напечатано в журнале Ежегодник «Большой Урал». На рубеже веков. № 1, 2001. Рекламно-издательский концерн «Реал». Екатеринбург.

Как нас найти...