Biologia starzenia - ebook

WSTĘP*

Drugie wydanie książki z zakresu nauk o życiu powstaje zazwyczaj z dwóch powodów: (1) ponieważ wydanie pierwsze zostało dobrze przyjęte przez nauczycieli i studentów, (2) a także dlatego, że nowe wyniki badań uczyniły wydanie pierwsze nieco przestarzałym. Jeśli chodzi o przyczynę pierwszą, jestem wdzięczny i zaszczycony, że z _Biologii starzenia_ korzystało tak wiele osób. Nie byłbym w stanie stwierdzić, że wyniki nowych badań uwzględnione w wydaniu drugim, a ilość ich jest znacząca, zmieniają wnioski wynikające z wydania pierwszego. Nowe odkrycia potwierdzają dostępną nam już wcześniej wiedzę na temat starzenia się i długowieczności. Po co więc wydanie drugie, skoro pierwsze jeszcze się nie zdezaktualizowało?

Odpowiedź na to pytanie sprowadza się do jednego słowa – chodzi o złożoność. Otóż badania z zakresu biogerontologii przeprowadzone od czasu ukazania się wydania pierwszego wykazały, że mechanizmy starzenia się i długowieczności są niezwykle złożone. Mechanizmy te są tak skomplikowane, że aby pojąć wspomniane zagadnienia w pełni, potrzebny jest nowy model badawczy. Model ten – _biologia ilościowa_ – jest przyczyną, dla której ukazuje się wydanie drugie. Testowanie hipotez w ramach biologii ilościowej polega na porównywaniu danych eksperymentalnych z modelami teoretycznymi wykorzystującymi metody obliczeniowe. Chodzi o to, że w biologii zaczęto stosować metody matematyczne i obliczeniowe podobne do tych, które pozwoliły naukom fizycznym zrozumieć wszechświat. Jesteśmy głęboko przekonani, że biologia ilościowa jest przyszłością badań biogerontologicznych oraz że jej podstawowe koncepcje powinni sobie przyswoić wszyscy studenci biologii. W wydaniu drugim _Biologii starzenia_ uwydatniamy znaczenie rodzącej się dopiero biologii ilościowej dla nowego, pogłębionego rozumienia złożonych mechanizmów starzenia się i długowieczności.

Układ wydania drugiego nie różni się znacząco od organizacji wydania pierwszego. Wciąż twierdzimy, że aby rozumieć starzenie się człowieka w sensie biologicznym, trzeba najpierw uzyskać wgląd w mechanizmy komórkowe i molekularne leżące u podstaw zmian w czasie. Rozdziały 1–6 skupiają się na odkryciach z zakresu biologii komórkowej, molekularnej, a teraz także ilościowej, które to odkrycia pomagają wytłumaczyć procesy starzenia się i długowieczności. W rozdziałach 7–10 mowa jest wyłącznie o chorobach i starzeniu się człowieka. W tej części, w szczególności zaś w rozdziale 10, Czytelnik pozna metody, dzięki którym można spowolnić proces starzenia się i wydłużyć życie w zdrowiu. Wydanie drugie kończy się rozdziałem 11, w którym pokrótce zastanawiamy się, jak wydłużenie długości życia w zdrowiu zmienia nasze postrzeganie starzenia się i swojego miejsca w społeczeństwie.WSTĘP DO WYDANIA PIERWSZEGO

Dlaczego się starzejemy? Co przesądza o długości życia człowieka, jak również wszelkich innych gatunków? W roku 1952 sir Peter Medawar, biolog i laureat Nagrody Nobla, stwierdził, że starzenie biologiczne to jedna z wielkich nierozwiązanych zagadek jego czasów i że odpowiedź na to nastręczające trudności pytanie zajmie czterdzieści kolejnych lat. Współcześnie znamy już przyczynę leżącą u podstaw procesu starzenia się i wiemy, dlaczego długość życia danego gatunku wynosi tyle, ile wynosi. Mówiąc krótko, _starzenie się_ to proces losowy, a nie proces podlegający ewolucji. Z kolei _długowieczność_ podlega ewolucji za sprawą selekcji genów sprzyjających sukcesowi reprodukcyjnemu. Wraz z pogłębionym rozumieniem różnic między starzeniem się a długowiecznością pojawiło się nowe podejście badawcze dotyczące starzenia biologicznego – nauka zwana biogerontologią. W jej obszarze dokonano nowych, ekscytujących odkryć, dzięki którym mamy obecnie lepsze pojęcie na temat mechanizmów komórkowych i molekularnych leżących u podłoża starzenia się i długowieczności. _Biologia starzenia_, podejmująca problematykę starzenia biologicznego, to pierwszy podręcznik na ten temat od momentu wyjaśnienia przyczyn starzenia się i długowieczności.

Na przestrzeni ostatnich 15–20 lat wśród naukowców wypracowany został ogólny konsensus w kwestii ewolucyjnego wyjaśnienia, dlaczego starzejemy się i żyjemy tyle, ile żyjemy, a w konsekwencji pojawiło się mnóstwo badań na temat podstawowych mechanizmów starzenia się i długowieczności. Ich wyniki doprowadziły szybko do przekształcenia biogerontologii z nauki w pierwszym rzędzie biomedycznej i opartej na metodzie obserwacyjnej w dyscyplinę bardziej rygorystyczną i bazującą w większej części na eksperymentach, zaliczającą się do ogólnych nauk biologicznych. Nowy kierunek obrany przez biogerontologię sprawił, że pojawiła się potrzeba prowadzenia kursów z zakresu biologii starzenia się. Tempo opracowywania kursów spowolnił jednak brak podręcznika, w którym biogerontologia byłaby ujmowana z perspektywy biologicznej, a nie biomedycznej. _Biologia starzenia_ wypełnia tę lukę. Stanowi ona podręcznik z biologii napisany z myślą o studencie tego właśnie kierunku.

Niniejsza książka pozostaje spójna z fundamentalną zasadą głoszącą, że aby w pełni pojąć biologiczny proces starzenia się, trzeba najpierw zrozumieć podstawowe koncepcje z zakresu biochemii i fizjologii, które mają zastosowanie do wszystkich form życia i wszystkich jego etapów. Każdy z rozdziałów rozpoczyna się od omówienia podstawowych praw biologicznych odnoszących się do systemów, które nie uległy procesowi starzenia się. Wyposażony w taką wiedzę student jest lepiej przygotowany do opanowania wiedzy na temat zależnych od czasu zmian funkcji molekularnych i komórkowych, które składają się na proces starzenia się. Dzięki uwzględnieniu podstawowej wiedzy biologicznej student dysponuje także wiadomościami umożliwiającymi mu zrozumienie, jakie metody są w stanie spowolnić tempo starzenia się i zwiększyć długość życia.

Układ rozdziałów książki jest podobny do organizacji treści w innych podręcznikach z zakresu biologii – każdy z rozdziałów prezentuje koncepcje i zasady potrzebne do opanowania wiedzy z rozdziału kolejnego. Dziesięć początkowych rozdziałów podzielono na trzy ogólne grupy. W rozdziałach 1 i 2 omawiane są podstawowe pojęcia z zakresu biogerontologii, które odnoszą się zarówno do jej zastosowań eksperymentalnych, jak i klinicznych. Rozdziały 3–6 dotyczą odkryć w dziedzinie biogerontologii ewolucyjnej, komórkowej i genetycznej, którym zawdzięczamy obecny stan wiedzy na temat przyczyn i mechanizmów starzenia się. Z kolei w rozdziałach 7–10 mowa jest o związkach między opisaną wcześniej podstawową wiedzą a zjawiskami starzenia się człowieka i jego długowieczności. Uwzględniony został tu także związek między starzeniem się a chorobami, a ponadto mowa jest w nich o tym, co obecnie można zrobić, aby spowolnić tempo starzenia się człowieka.

Rozdział 1, zatytułowany _Podstawowe pojęcia biologii starzenia się_, stanowi podstawę wszystkich następujących po nim rozdziałów książki. Została w nim zaprezentowana i wytłumaczona terminologia, którą posługują się biogerontolodzy, przedstawiono w nim rozwój tej subdyscypliny, a ponadto opisano organizmy modelowe, które naukowcy wykorzystują do badania procesu starzenia się i długowieczności. W rozdziale 2, pt. _Ocena starzenia biologicznego_, przyglądamy się bliżej podstawowym metodom używanym przez biogerontologów do oszacowania tempa starzenia się osobnika i populacji. Omówiono w nim i uzupełniono go o tabele reguły pomiaru umieralności oraz pojęcia niezbędne do zrozumienia ewolucji długowieczności. W tym punkcie student zostaje zaznajomiony z demografią i dowiaduje się, jak dzięki oferowanym przez nią narzędziom prognozować trajektorie starzenia się i długowieczności, a także jak uzyskane w ten sposób prognozy można zastosować do lepszego zrozumienia mechanizmów i przyczyn starzenia się.

Rozdział 3, _Ewolucyjne teorie długowieczności i starzenia się,_ stanowi jądro całego podręcznika. Biogerontolodzy są zdolni do formułowania precyzyjnych hipotez na temat _mechanizmów_ starzenia się i ich testowania tylko wówczas, gdy wiedzą, _dlaczego_ się starzejemy, to znaczy jeśli rozumieją zjawiska starzenia się i ewolucji. W rozdziale 3 śledzimy rozwój teorii ewolucyjnych na temat długowieczności i starzenia się, począwszy od dawnych propozycji obserwacyjnych, a skończywszy na eksperymentach matematycznych i laboratoryjnych prowadzonych przez współczesnego ewolucjonistę.

Rozdziały 4 i 5 prezentują podstawowe odkrycia z zakresu biologii komórki i genetyki, dzięki którym poznaliśmy mechanizmy starzenia się. W rozdziale 4, zatytułowanym _Starzenie komórkowe_, mowa jest o podstawowych siłach rządzących wszechświatem, które mają wpływ na całość materii, a także dostarczają wyjaśnienia mechanizmów starzenia się. Tłumaczymy tu, w jaki sposób prawa termodynamiki określają fundamentalną zasadę starzenia komórkowego, głoszącą, że odzwierciedla ono akumulację uszkodzonych białek. Przedstawiając mechanizmy biochemiczne i fizjologiczne odpowiadające za akumulację uszkodzonych białek i określoną długość życia komórki, odwołujemy się do dwóch zjawisk: stresu oksydacyjnego i skracania telomerów.

Rozdział 5, _Genetyka długowieczności_, stanowi rozwinięcie treści zaprezentowanych w rozdziale 3, w którym stwierdzono, że długość życia gatunku jest powiązana z selekcją genów sprzyjających sukcesowi reprodukcyjnemu. Omawiamy tu wyniki wyrafinowanego badania laboratoryjnego na drożdżach i robakach, dzięki któremu zidentyfikowano konkretne geny odpowiadające za długość życia. Ponieważ ustalono już, że geny te wywierają podobny wpływ także na długość życia zwierząt wyższych, takich jak myszy czy szczury, student zrozumie, że biogerontologię czekają wkrótce wielkie odkrycia, dzięki którym możliwe będą manipulacje genetyczne wpływające na proces starzenia się i długowieczność.

Rozdział 6, _Starzenie się roślin_, prezentuje treści, które czynią ten podręcznik unikatowym – jest to pierwsza książka z zakresu biologii starzenia się, w której omówiono starzenie się roślin, a także znaczenie tego procesu dla zjawiska starzenia się człowieka i zwierząt. Nauki o roślinach stanowią istotną część biologii, starzenie się roślin zaś to istotny element biologii starzenia się.

Starzenie się człowieka zaczynamy omawiać w rozdziale 7, pt. _Długowieczność i długość życia człowieka,_ od przyjrzenia się nowemu obszarowi badań na temat starzenia się i długowieczności – biodemografii gerontologicznej. Biodemografia to nauka obliczeniowa łącząca ze sobą biologię i demografię. Wyniki badań prowadzonych w tym powstającym dopiero obszarze nauki dostarczają dowodów na to, że źródło starzenia się i czynniki wpływające na długowieczność człowieka mogą być inne niż w przypadku pozostałych gatunków, w tym pozostałych naczelnych. W drugiej połowie rozdziału przyglądamy się przyczynom bezprecedensowego wzrostu średniej długości życia ludzi w XX wieku.

Rozdział 8, _Spadek funkcji związany ze starzeniem się_, oraz rozdział 9, _Związane z wiekiem choroby człowieka_, omawiają zależne od czasu zmiany głównych układów fizjologicznych, tj. związane z wiekiem zmiany, które – ogólnie rzecz biorąc – nie zwiększają ryzyka choroby lub zgonu (rozdz. 8), ale też takie, których konsekwencją może być rozwój choroby, w związku czym zwiększa się umieralność i chorobowość (rozdz. 9). Podobnie jak to miało miejsce w poprzednich rozdziałach, także i tu przed omówieniem zmian związanych z wiekiem prezentujemy podstawową wiedzę z zakresu fizjologii.

Książkę zamyka rozdział 10, zatytułowany _Regulowanie starzenia się i długowieczności człowieka_, w którym omówiony zostaje krótko obecny stan wiedzy naukowej na temat możliwego regulowania starzenia się i długowieczności. Rozpoczynamy go od rozważań na temat ewentualnej niemożności manipulowania procesem starzenia biologicznego, a następnie omawiamy dwie metody, których wpływ na tempo starzenia się i długość życia został naukowo potwierdzony: (1) ograniczenie spożycia kalorii oraz (2) utrzymywanie aktywności fizycznej przez całe życie. Rozdział kończy się dyskusją na temat możliwych następstw wynikających ze spowolnienia procesu starzenia się i/lub zwiększenia długości życia człowieka.

Niniejszy podręcznik jest przystępnym wprowadzeniem do biogerontologii. Treść angażuje Czytelnika i została skomponowana tak, że ma się wrażenie, iż jest to opowieść, jednocześnie bez szkody dla dokładności, która jest cechą nieodłączną jakiegokolwiek tekstu biologicznego. Ilustracje są czytelne i towarzyszą im obszerne legendy, stanowiąc uzupełnienie tekstu głównego, a nie jego zwykłe powtórzenie. We wszystkich rozdziałach kluczowe pojęcia zostały pogrubione, a ich definicje znajdują się z obszernym _Słowniku pojęć_, a także w postaci internetowych fiszek; ramki uszczegóławiają wywód z tekstu głównego bądź wprowadzają dygresje związane z tematem rozdziału; _Kluczowe pojęcia_ stanowią podsumowanie najważniejszych wiadomości zaprezentowanych w każdym z rozdziałów; _Pytania do dyskusji_ stanowią pomoc dydaktyczną, _Literatura uzupełniająca_ zaś to lista źródeł przyporządkowanych każdemu z rozdziałów.

Podczas lektury rozdziałów 2 i 7 można skorzystać z artykułu: E. Arias, _United States life tables_, 2006, _Natl Vital Stat. Rep_. 58:1-40, 2010, który stanowi wyjaśnienie obliczeń matematycznych stosowanych do opracowywania tablic przeciętnego dalszego trwania życia. Z pełnym raportem można się zapoznać na stronie amerykańskiego Centrum Kontroli i Zapobiegania Chorobom (www.cdc.gov).

Biogerontologia to nauka stosunkowo młoda. Jest to obszar badań, który dotyczy nas wszystkich – tych planujących karierę w naukach biologicznych, nauczycieli z innych dziedzin wiedzy, zdrowia czy medycyny, czy po prostu tych, którzy starzejąc się, chcą jak najwięcej dowiedzieć się o tym procesie. Mamy nadzieję, że niniejszy podręcznik przyda się także studentom biologii. Czekamy zarówno na ich opinię, jak i na opinię nauczycieli.PODZIĘKOWANIA

Pierwsze – i najważniejsze – słowa podziękowania chciałbym skierować do tych wielu studentów i wykładowców, którzy uznali moją książkę za pomocną. Bez Was drugie wydanie by się nie ukazało. Dziękuję!

Wielkie podziękowania należą się pracownikom Garland Science, którzy zajmowali się przygotowywaniem drugiej edycji. Allie (Bochicchio) Troyanos, Twoja praca zakończyła się szybko, ale jak zwykle byłaś czarodziejką. Gdziekolwiek wylądowałaś, na pewno stało się to z korzyścią dla osób, które teraz Cię otaczają. Denise Schanck, byłaś twarzą i siłą napędową, dzięki której z Garland Science tak dobrze się współpracuje. Żywię szczerą nadzieję, że to, co teraz robisz, jest wspaniałe, bo na to zasługujesz.

CRC Press przejęło pracę zapoczątkowaną przez Garland Science. Choć tęsknię za ludźmi z Garland, w CRC jestem w równie dobrych rękach. Dzięki Chuckowi Crumly’emu trudne przejście od jednego wydawcy do drugiego było jak bułka z masłem. Cierpliwość dla zaniepokojonego autora była co najmniej niesłychana. Nie jestem w stanie wyobrazić sobie kogokolwiek lepiej nadającego się do tej pracy. Dziękuję Judith Simon i Suzanne Lassandro, które były moimi redaktorkami prowadzącymi. Obie byłyście przemiłe i wyrozumiałe. Jordan Wearing dostał pod koniec całego projektu trudne zadanie. To, jak dobrze je wykonał w tak krótkim czasie, było czymś spektakularnym. Dziękuję także Jennifer Blaise, Laurie Oksnowshy i wszystkim osobom, które pracują za kulisami CRC i dbają o szczegóły.

Poszczęściło mi się, że artystą _Biologii starzenia_ był Mathew McClement. Jesteś po prostu wspaniały. Dziękuję także Arunowi Kumarowi i wszystkim wspaniałym ludziom z Nova Techset – tworzycie znakomity zespół.

Jessica Coppola, moja bliska przyjaciółka, wciąż kieruje mnie na właściwe tory. Monica Hall jest przecudowna. Dzięki temu, jak sprawnie posługujesz się angielszczyzną, książkę tę da się czytać.

Chciałbym uhonorować też Michaela Rose’a – za jego wizjonerstwo i przełomowy wkład w biogerontologię. Twoje nauczanie i badanie ewolucji starzenia się były dla mnie motywacją, kiedy pisałem ten podręcznik. W niczym się nie pomyliłeś, choć wciąż jeszcze wielu rzeczy nie rozumiem.