Третью группу причин, порождающих нарушения на клеточном уровне, составляют факторы, вызывающие отклонения от оптимальных условий стационарного состояния.
Вероятно, в организме для каждого типа клеток существует оптимальная концентрация компонентов (ферментов, структурных белков и т. д.), результатом чего является оптимальная адаптация клеток, тканей и организма в целом к постоянно изменяющимся условиям внешней среды.
К сказанному имеют отношение две основные проблемы, с которыми мы сталкиваемся при изучении многоклеточных. Эти проблемы следующие: во-первых, почему многочисленные потенции в отношении синтеза, представленные в геноме, в конце концов реализуются по-разному в клетках различного типа, приводя к развитию взрослого организма, и, во-вторых, каким образом, после того как была достигнута эта дифференцировка, поддерживается стационарное состояние на протяжении длительного времени, достаточного для обеспечения эффективного продолжения рода?
Можно предположить, что поддержание постоянства химического состава клеток осуществляется с помощью по крайней мере двух совершенно различных механизмов. Более простая гипотеза — это схематическое представление о постоянном контролирующем процессе сопоставления химического состава клетки с определенной частью или с некоторой специфической молекулярной структурой генома. В связи с такой схемой возникает множество серьезных осложнений и подчиненных проблем. Во-первых, каков механизм отбора той специфической части генома, с которой следует сопоставлять состав клетки данного типа? Во-вторых, каким образом проводится это сопоставление, т. е. какова природа предполагаемой контролирующей системы? Каким образом осуществляется корреляция, если контролирующая система выявляет несоответствие между действительной структурой клетки и планом ее строения, заложенным в геноме? Решение всех этих проблем сопряжено с серьезными трудностями.
Альтернативная схема также неудовлетворительна. Сущность ее заключается в следующем: клетки могут иметь определенное количество различных квазистационарных состояний, соответствующих числу различных типов клеток, характеризующих вид. Так, мышечная клетка, закончив свое развитие, остается мышечной, нервная — нервной и т. д. Предполагается, что любое отклонение от данного твердо установленного плана приводит в движение ряд корригирующих реакций, направленных на возвращение всей системы к ее исходному стационарному состоянию. Само по себе допущение такой возможности, конечно, мало дает для понимания механизма процесса, но существенной чертой данной гипотезы как раз и является предположение о наличии множества систем, действующих по принципу обратной связи и обеспечивающих поддержание структуры клетки.
Какова бы ни была степень достоверности этих двух альтернатив или их комбинации, совершенно ясно, что вероятность внезапных или постепенных отклонений от стационарного состояния весьма велика. Так, если исходить из первой гипотезы, то легко себе представить, что при нарушениях генетической структуры, с которой сопоставляется состав клетки (а такие нарушения могут происходить под влиянием температуры ионизирующего излучения н т. п.), вся система должна, по-видимому, погибнуть; система утратит способность к поддержанию стабильности и в том случае, если нарушится либо считывающий, либо контролирующий, либо, наконец, корригирующий механизмы.
Альтернативный гипотетический механизм, предполагающий наличие различных квазистационарных состояний, также не исключает ни ошибок, ни постепенных отклонений. Так, даже если система работает со 100-процентной точностью, не исключается возможность случайных повреждений или незапрограммированных сдвигов (т. е. изменений, ускользающих от генетического контроля), изменяющих условия внутри клетки в такой степени, что система будет все более и более отклоняться от свойственного ей стационарного состояния. Подобные неблагоприятные влияния могут возникать в результате некоторых происходящих в клетке химических реакций с накоплением ингибиторов или токсичных веществ, разрушающих контролирующий механизм или нарушающих его функцию.
Важнейшую роль в возникновении таких нарушений играет среда, окружающая клетки. В связи с этим большой интерес представляет изучение механизмов, регулирующих устойчивость состава клеток. Исследования гормональных влияний и синтеза адаптивных ферментов с очевидностью показывают значение факторов внешней среды. Однако наличие некоторых внеклеточных факторов, способных вызывать подобные изменения, еще не дает оснований для вывода о том, что совокупность или даже значительная часть внутриклеточных гомеостатических систем управляется механизмами, действующими в целостном организме.
Поддержание стационарного состояния той или иной системы, в том числе и клетки, предполагает, что изменения соотношений различных составных частей системы не выходят за пределы случайных флуктуаций. Таким образом, любое стационарное состояние определяется равновесием между скоростью процессов синтеза и распада компонентов клетки. При равных скоростях синтеза и распада каждого из компонентов в общем плане строения не будет изменений, хотя и в этом случае механизмы различных реакций могут изменяться.
В основе некоторых ранних химических теорий старения, например теории Лёба и Нортропа, исходивших из собственных экспериментов по влиянию температуры на старение, лежит предположение о том, что при оплодотворении яйца организм получает определенное количество некой «жизненной субстанции» и что процесс старения состоит в постепенном ее расходовании. Гипотеза Пэрла о скорости расходования жизненной энергии представляет собой, в сущности, реставрацию этой теории, с той разницей, что Пэрл пользуется более строгими биологическими терминами. Согласно подобным теориям, по достижении известного периода жизни скорость синтеза некоторых компонентов приближается к нулю и по мере использования имеющихся компонентов система отклоняется от стационарного состояния. Эта схема, безусловно, приемлема для объяснения старения тех насекомых, которые на стадии имаго лишены ротового аппарата. Продолжительность их жизни ограничена запасами питательных веществ, накопленных в период личиночной стадии. Однако предположение о наличии такого же механизма у высших позвоночных кажется маловероятным.
Прямой антитезой изложенной выше гипотезы является предположение об утрате устойчивости вследствие накопления ингибиторов или токсичных веществ. Речь идет чаще всего о разнообразных органических и неорганических нерастворимых продуктах, возникающих в живых системах.
К таким веществам принято относить дейтерий, который вследствие низкой реакционной способности может вызывать изменение стационарного состояния. Мы пытались получить представление о влиянии дейтерия на продолжительность жизни дрозофил, выращивая их на средах, содержащих соответственно 20 и 40% тяжелой воды. Продолжительность жизни насекомых значительно уменьшалась уже в присутствии 20% тяжелой воды. Однако количество дейтерия, включающегося в условиях такого эксперимента в состав жизненно важных структур, должно настолько превосходить любое возможное его накопление в естественных условиях, что наблюдавшееся в опыте уменьшение продолжительности жизни следует признать незначительным. Следовательно, гипотезу, согласно которой старение обусловлено накоплением в организме больших количеств тяжелой воды, по-видимому, надо отбросить.
Много работ посвящено проблеме происходящего с возрастом накопления кальция в клетках и других элементах соединительной ткани. Особенно подробные данные по этому вопросу приводят Лансинг и сотр. Они отметили, что с возрастом содержание кальция в поверхностных слоях клетки повышается. Отложения кальция в стенках кровеносных сосудов нередко сопутствуют процессу старения, однако было бы большим заблуждением полагать, что эти изменения возникают не вследствие специфического патологического процесса, а являются причиной или даже существенным компонентом процесса старения. Дело в том, что мы пока не имеем возможности оценить значение накопления солей кальция в тканях с возрастом.
К этой же группе относятся многочисленные теории об аутоинтоксикации как причине старения. Мечников и его последователи считали, что истинной причиной старения является накопление токсичных продуктов гниения в кишечнике и рекомендовали самые разнообразные мероприятия хирургического или диетического характера для борьбы с этим процессом.
Наконец среди веществ, с которыми связывают подавление жизнедеятельности, фигурируют предполагаемые побочные продукты разрушения молекул, например, денатурированные белки. Ружичка и Бьорксен высказывают предположение о роли в процессах старения перекрестных реакций между белками. Обращает на себя внимание особенно выраженная тенденция к перекрестным реакциям, характерная для ненасыщенных жирных кислот, — свойство, которое обусловливает их широкое применение в лакокрасочной промышленности, но может вызывать весьма неблагоприятные последствия в длительно существующих биологических системах. Накопление веществ, содержащих группировки, которые слишком велики или слишком полярны, для того чтобы хороню растворяться в липидной фазе, или слишком гидрофобны для растворения в водной фазе, может вызвать серьезные нарушения функции механизмов поддержания стационарного состояния. Постепенное накопление побочных продуктов на поверхности различных субклеточных структур может стать причиной разрушительных процессов. В этом отношении интересны наблюдения, согласно которым у японцев, обычно потребляющих большое количество ненасыщенных жиров, отмечается избыточное накопление липофусцина в миокарде.