معلومة

شيخوخة وموت النباتات المعمرة


تولد أنواع النباتات المعمرة نباتًا جديدًا سنويًا من نفس مخزون الجذر الأصلي. في نهاية العام ، تذبل تلك اللقطة الجديدة وتموت ، لتظهر مرة أخرى في العام المقبل. ومن ثم ، من الواضح أن الأجزاء الموجودة فوق سطح الأرض من النباتات المعمرة تتقدم في العمر وتموت ، ولكن ماذا عن الجذور؟

هل جذور الأنواع النباتية المعمرة خالدة ، أم أن هذه الجذور تتقدم في العمر وتموت أيضًا؟


تستند القضية إلى تصورك لما يجب أن يكون عليه الفرد. غالبًا ما يصعب تطبيق مفهوم الفرد في علم الأحياء ، وبالتالي فهو مفهوم الشيخوخة. وبعبارة أخرى ، فإن الرغبة في التصنيف هي اتجاه بشري إلى حد ما ولكنها قد تفشل في تمثيل موضوعي للتنوع البيولوجي. كتاب التحولات الكبرى في إعادة النظر في التطور يقوم بعمل جيد للغاية لشرح صعوبات التعامل مع مفهوم الفرد في علم الأحياء.

يبدو أنك سعيد لاعتبار النسل فردًا مختلفًا إذا كان لا يزال بإمكانك إدراك الفرد الوالد. في البكتيريا ، يمكن اعتبار كلتا الخلايا الناتجة نسلًا وبالتالي أفرادًا جددًا. لاحظ مع ذلك ، أن التقسيم غير المتكافئ يجلب المزيد من الضبابية في هذه التصنيفات.

لاحظ أيضًا أن بكتيريا الخلية الواحدة تتقدم في العمر. انظر مقالة ويكيبيديا عن الشيخوخة الجرثومية. قد ترغب أيضًا في إلقاء نظرة على مقالة ويكيبيديا حول الخلود البيولوجي بالإضافة إلى المنشورات لماذا تعتبر Hydra Biologically Immortal؟ وهل عمر التماسيح ؟.


الشيخوخة والموت في الإشريكية القولونية

حقوق النشر: © 2005 المكتبة العامة للعلوم. هذا مقال مفتوح الوصول يتم توزيعه بموجب شروط ترخيص Creative Commons Attribution License ، والذي يسمح بالاستخدام غير المقيد والتوزيع والاستنساخ بأي وسيلة ، بشرط الاستشهاد بالعمل الأصلي بشكل صحيح.

كبشر ، الشيخوخة والموت جزء لا مفر منه من حياتنا. مع مرور كل عقد من الزمان ، فإن العلامات الملموسة للشيخوخة - شيب الشعر ، والأوجاع والآلام ، والفشل التدريجي لجهاز عضو واحد تلو الآخر - وإدراك أننا فانيون يشغلون أفكارنا بشكل متزايد.

تظهر جميع الحيوانات والنباتات الأخرى متعددة الخلايا أيضًا علامات واضحة للشيخوخة ، كما تفعل بعض الكائنات وحيدة الخلية. في الخميرة Saccharomyces cerevisiae (خميرة الخباز) ، على سبيل المثال ، تنخفض وظيفة الخلايا الفردية تدريجيًا بمرور الوقت ، ولكل خلية خميرة فترة حياة محدودة. في كائنات مثل هذه ، تم اقتراح أن التكاثر عن طريق التقسيم غير المتماثل هو شرط أساسي للشيخوخة. بعبارة أخرى ، لكي يتقدم الكائن الحي وحيد الخلية في العمر ، عندما ينقسم ، يجب أن ينتج عنه خلية "أصلية" وخلية نسل أصغر (كما في الخميرة) ، والتي يجب أن تمر بمرحلة نمو الأحداث أو التمايز من قبل يقسم. في كل انقسام للخلية ، تصبح الخلية الأم أكبر سناً حتى تصل إلى فترة حياتها الطبيعية وتموت.

ولكن ماذا عن الكائنات الحية التي تنتج خليتين متطابقتين ظاهريًا عندما تنقسم؟ هل هذه الكائنات العمر؟ كان الافتراض منذ بضع سنوات أن الخلايا التي تنقسم بشكل متماثل لا تتقدم في العمر وتكون خالدة وظيفيًا. اختبر إريك ستيوارت وزملاؤه هذه الفكرة الآن من خلال تحليل دورات التكاثر المتكررة في بكتيريا Escherichia coli ، وهي بكتيريا تتكاثر بدون طور الأحداث وبتقسيم متماثل ظاهريًا.

الإشريكية القولونية هي كائن حي على شكل قضيب يتكاثر عن طريق الانقسام في المنتصف. ترث كل خلية ناتجة نهاية أو قطبًا قديمًا وقطبًا جديدًا ، يتم تكوينه أثناء الانقسام. يحتوي القطبان الجديد والقديم على مكونات مختلفة قليلاً ، لذا على الرغم من أنهما متماثلان ، إلا أنهما غير متماثلين من الناحية الفسيولوجية. في التقسيم التالي ، ترث خلية واحدة القطب القديم مرة أخرى (بالإضافة إلى قطب جديد تمامًا) ، بينما ترث الخلية الأخرى ، قطبًا غير قديم تمامًا وقطبًا جديدًا. وهكذا ، استنتج ستيوارت وزملاؤه أنه يمكن تحديد عمر في التقسيمات لكل قطب وبالتالي لكل خلية.

استخدم الباحثون مجهرًا آليًا بفاصل زمني لمتابعة جميع أقسام الخلايا في 94 مستعمرة ، نمت كل واحدة من خلية E. إجمالاً ، بنى الباحثون سلالة لـ 35.049 خلية من حيث القطب - القديم أو الجديد - الذي ورثته كل خلية عند كل انقسام خلال تاريخها. ووجدوا أن الخلايا التي ترث الأقطاب القديمة لديها معدل نمو منخفض ، وانخفاض معدل تكوين النسل ، وزيادة خطر الموت مقارنة بالخلايا التي ترث أقطابًا جديدة. وهكذا ، على الرغم من أن الخلايا التي يتم إنتاجها عند انقسام الإشريكية القولونية تبدو متطابقة ، إلا أنها غير متناظرة وظيفيًا ، وخلية "القطب القديم" هي فعليًا والد متقدم في السن ينتج نسلًا متجددًا بشكل متكرر.

خلص ستيوارت وزملاؤه إلى أنه لا توجد استراتيجية للحياة محصنة ضد آثار الشيخوخة ويقترحون أن هذا قد يكون بسبب أن الخلود مكلف للغاية أو مستحيل ميكانيكيًا. قد تكون هذه أخبارًا سيئة للأشخاص الذين كانوا يأملون في أن يؤدي التقدم في العلوم في النهاية إلى خلود الإنسان. ومع ذلك ، يجب أن توفر الإشريكية القولونية الآن منصة وراثية ممتازة لدراسة الآليات الأساسية لشيخوخة الخلايا ، وبالتالي يمكن أن توفر معلومات قد تخفف بعض عدم الراحة في عملية الشيخوخة البشرية.


جزيء دائم يعالج البلاجرا ويوقف الشيخوخة مؤقتًا

ساعدت العملية القديمة المتمثلة في "nixtamalization" ، أو غليان الذرة في محلول قلوي قبل الاستهلاك ، سكان أمريكا الوسطى قبل العصر الكولومبي على استخراج البروتينات والفيتامينات من الذرة النادرة المغذيات. من خلال القيام بذلك ، كانت هذه القبائل قادرة إلى حد كبير على تجنب المرض الناجم عن نقص النيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد (NAD +). في الآونة الأخيرة ، نشر باحثون من Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (Katsyuba et al. ، 2018) في طبيعة سجية طريقة حديثة لتحسين مستويات NAD +.

في هذا التكرار الأخير ، كاتيسوبا وآخرون. أظهر أن هناك نهجًا محفوظًا تطوريًا لتعزيز إنتاج NAD + ، وهو أنزيم يعمل على تحسين الصحة وإطالة العمر الافتراضي.

ركز هؤلاء الباحثون على هدف إنزيمي جديد ، وهو ACSMD ، والذي يساعد الجسم عند تثبيطه من جديد NAD + التوليف. على الرغم من أن هذه المجموعة هي الأولى التي تمنع ACSMD بغرض تعزيز NAD + والعمر ، إلا أنها بعيدة كل البعد عن أول من أظهر التأثيرات الإيجابية الشاملة لـ NAD + على الصحة.

في الواقع ، تمت دراسة مرض البلاجرا ، وهو مرض ناجم عن نقص NAD + ، لأكثر من 200 عام. في منتصف القرن الثامن عشر ، قبل وقت طويل من الارتباط بين فيتامين ب3 و NAD + كان معروفًا ، حيث افترض الطبيب الإسباني ، جاسبار كاسال ، وجود صلة بين النقص الغذائي والبلاجرا. ومع ذلك ، فإن العلاقة السببية بين النظام الغذائي الذي يفتقر إلى العناصر الغذائية والأربعة D's of Pellagra - التهاب الجلد ، والإسهال ، والخرف ، والموت - لم يتم تأسيسها بشكل ثابت حتى أوائل القرن العشرين. نشر الدكتور جوزيف جولدبيرجر ، الجراح العام للولايات المتحدة ، نتائج في عام 1917 أظهرت أن أعراض البلاجرا يمكن عكسها عن طريق مكملات البروتين. بروح الدكتور Goldberger ، Katsyuba et al. تكملة النظام الغذائي للديدان مع سلائف NAD + التربتوفان ، والتي بدورها تطيل من عمرها.

يعمل NAD + كمساعد لإنزيم الأكسدة والاختزال للتفاعلات المتضمنة في عملية التمثيل الغذائي وكركيزة مشتركة للعديد من الإنزيمات التي تنظم التعبير الجيني. بالنظر إلى هذه الأدوار المزدوجة ، يمكن اعتبار NAD + جهاز استشعار يربط مستوى طاقة الخلية بالتعبير الجيني. يمكن للجسم تصنيع NAD + باستخدام فيتامين ب3 كسلائف (عبر مسار "Preiss-Handler" أو "salvage") أو من الأحماض الأمينية ، التربتوفان (رسم بياني 1). ومع ذلك ، مع تقدم الكائن الحي في السن ، تنخفض مستويات NAD +. ومن هنا يطرح السؤال ، إذا قمت بزيادة مستويات NAD + ، فهل تعيش لفترة أطول؟ في الواقع ، هناك العديد من الأدلة التي تشير إلى أن هذا هو الحال. أظهر الباحثون أن تعزيز NAD + من خلال التدخلات الجينية أو الغذائية ، يطيل كلاً من فترة الصحة (سنوات الحياة الصحية) والعمر في الكائنات الحية النموذجية المتعددة.

الشكل 1. مسارات التخليق الحيوي لـ NAD + ونتائج تثبيط ACMSD. يمكن تصنيع NAD + من ثلاثة مسارات مستقلة ، مسار Preiss-Handler ، ومسار الإنقاذ ، ومسار التخليق الحيوي de novo. يقوم مسار Preiss-Handler ومسار الإنقاذ بتوليف NAD + من فيتامين B3 الغذائي (نيكوتيناميد وحمض النيكوتين والنيكوتيناميد ريبوسيد). يقوم مسار التخليق الحيوي de novo بتوليف NAD + من التربتوفان الغذائي. لتعزيز تخليق NAD + ، كاتسيوبا وآخرون. تعزيز مسار de novo عن طريق تثبيط إنزيم ACMSD. وجدوا أن هذا يعزز نشاط السرتوين ، ويحسن صحة الميتوكوندريا ، ويزيد من العمر والفترة الصحية.

لماذا هذا؟ يشير أحد النماذج إلى أن امتداد العمر من NAD + يرتبط ارتباطًا وثيقًا بالأنزيمات المعتمدة على NAD ، و Sirtuins ، وصحة الميتوكوندريا. وبالتحديد ، يبدو أن NAD + يعزز نشاط Sirtuin ، الذي يؤثر على التعبير الجيني ويساعد على تحفيز "استجابة البروتين غير المطوي للميتوكوندريا". من خلال تحفيز استجابة البروتين غير المطوية للميتوكوندريا ، تقوم الميتوكوندريا بجهد فعلي لتنظيف القمامة يساعد في الحفاظ على قدرتها على تشغيل الخلية مع تقدم العمر.

مجهزة بهذه المعرفة ، كاتسيوبا وآخرون. شرع في إيجاد طريقة لمساعدة الجسم على إنتاج المزيد من NAD + بمفرده (أي من جديد NAD + التوليف). لتحقيق ذلك ، ركز الباحثون على إنزيم aminocarboxymuconate semialdehyde decarboxylase (ACMSD). على عكس نطق الاسم الكامل ، فإن دور ACMSD في تركيب NAD + بسيط للغاية. يمكن تلخيصها على النحو التالي: عندما نأكل البروتين ، يمكن للجسم تحويل الحمض الأميني التربتوفان إلى NAD + من خلال وسيط يسمى ACMS. لكن إنزيم ACMSD أيضا "يستخدم" ACMS. لذلك ، عندما يكون هناك المزيد من ACMSD ، يتم تحويل أقل من ACMS إلى NAD +. لذلك ، بطبيعة الحال ، كان المؤلفون يهدفون إلى منع ACMSD (رسم بياني 1). لحسن الحظ ، وجد الباحثون عقارين يفعلان ذلك بالضبط.

كاتسيوبا وآخرون اكتشفوا أن الديدان والفئران والخلايا البشرية ذات نشاط ACMSD المنخفض (الذي تحقق إما بوسائل وراثية أو دوائية) تنتج جميعها NAD + وتحسن صحة الميتوكوندريا. ومن المثير للاهتمام أن منع الـ ACMSD في الديدان أدى إلى إطالة متوسط ​​عمرها بنسبة تصل إلى 18٪. دون ترك أي جهد ، اختبر مؤلفو هذه الورقة أيضًا تأثير العلاج بالعقاقير المضادة لـ ACMSD على نموذجين من الفئران للمرض: نموذج لمرض الكبد الدهني غير الكحولي ونموذج إصابة الكلى الحادة. عندما تم تغذية هذه الفئران بأدوية مثبطة للـ ACMSD ، أظهر كل منها تحسينات في أنماط المرض الخاصة بكل منها.

في عام 1937 ، بعد عامين من وفاة الدكتور جوزيف جولدبرجر ، تم تحديد حمض النيكوتين كعامل قوي مضاد للبلاجرا. عندما تم تغذية كلب مصاب بالبيلاجرا بحمض النيكوتين ، لم يتم حل التهاب الجلد فحسب ، بل بدأ أيضًا في النمو مرة أخرى. في ضوء البيانات التي قدمها Katsyuba et al. ، من المغري التكهن بأن هذا النمو المتوقف كان نتيجة عدم توازن الطاقة الناجم عن خلل في الميتوكوندريا. مهما كانت الحالة ، فمن الواضح الآن أن NAD + يفعل أكثر بكثير من منع المرض الحاد. كاتسيوبا وآخرون لقد ميزت بدقة نهجًا جديدًا لزيادة مستويات NAD + وأظهرت أهميتها للصحة والشيخوخة. سيكون من المثير معرفة ما إذا كانت هذه المركبات المؤيدة لـ NAD + تعمل أيضًا على إطالة العمر والفترة الصحية في الثدييات ، وبالطبع كيفية أدائها في العيادة.


شيخوخة النباتات

مثل الحيوانات ، تتمتع النباتات أيضًا بعمر ثابت وبعد الانتهاء من هذه المادة المحيطة بالحيوان ، تموت. قبل الموت تحدث العديد من عمليات التحلل في أجسامهم مثل اصفرار الأوراق وتلاشي لون الزهرة. يرجع ذلك إلى فقدان بنية ووظيفة العضو أو النبات بأكمله. تُعرف العمليات المتدهورة التي تؤدي في النهاية إلى الخسارة الكاملة لتنظيم وعمل المصنع أو أجزائه شيخوخة.

يحدث الشيخوخة بسبب ترسب النفايات. في بعض النباتات يموت النبات كله بعد الإزهار وإنتاج البذور. هذا يسمى كله شيخوخة النبات. مثال - نباتات سنوية مثل الأرز والقمح والفول والطماطم. في العديد من النباتات الأخرى ، تموت الأجزاء الموجودة فوق التربة كل عام ويبقى نظام الجذر على قيد الحياة. هذا يسمى الجهاز أو شيخوخة إطلاق النار.

دور الهرمونات في الشيخوخة: يعزز حمض الأبسيسيك والإيثيلين شيخوخة الأوراق ولكن السيتوكينين يؤخر الشيخوخة ويساعد على بقاء الأوراق خضراء لفترة طويلة.

قطع - سفك

عندما تصبح الورقة قديمة فإنها تنفصل عن جسم النبات وتسقط. كما تنفصل الثمار الناضجة والزهور القديمة عن النباتات. يسمى هذا الانفصال عن أجزاء أو أعضاء النبات الأقدم من جسم النبات الرئيسي انفصال.

في النباتات ، تشكل طبقة من الأنسجة عمومًا منطقة انفصال عند قاعدة سويقات الورقة أو الزهرة أو الفاكهة. تصبح خلايا هذه الطبقة ناعمة وضعيفة بسبب تدمير الصفيحة الوسطى وجدار الخلية. لذلك يمكن فصل العضو بسهولة عن طريق الرياح أو تساقط المطر. الهرمونات النباتية مثل حمض الأبسيسيك والإيثيلين تعزز إفراز الأوراق ويمنعها الأوكسين.


أهداف الهدف أ:

أ -1: تحديد العوامل الوراثية والجزيئية والخلوية التي تحدد معدل عمليات الشيخوخة.

يواصل الباحثون تحديد وشرح العوامل الرئيسية التي تؤثر على معدل الشيخوخة ، بما في ذلك استجابة الجسم لمجموعة متنوعة من الضغوط. ) ، مثل تلك الناتجة عن الإجهاد التأكسدي ومراقبة جودة البروتين (بروتين). كما تستمر دراسات الجينات والآليات اللاجينية المرتبطة بعمليات الشيخوخة وطول العمر والأمراض المرتبطة بالعمر ، فضلاً عن التفاعل بين الجينات والتأثيرات البيئية ، في توفير نظرة ثاقبة لأمراض الأمراض وقابليتها للتأثر. ستدعم NIA الأبحاث لتحديد العوامل الإضافية وتوضيح أدوارها في كل من النماذج الحيوانية للشيخوخة والبشر.

A-2: تحديد كيف تساهم التغيرات الخلوية والجزيئية المرتبطة بالشيخوخة في تقليل المرونة وزيادة المراضة والتأثير على الاستجابة لعلاج الحالات الجسدية المرتبطة بالعمر.

غالبًا ما يكون التقدم في العمر مصحوبًا بتدهور تدريجي في معظم الوظائف الفسيولوجية ، مما يؤدي إلى زيادة التعرض للمرض. في الوقت نفسه ، يحافظ العديد من الأشخاص على وظائف بدنية ويتمتعون بصحة جيدة في سن أكبر. تُعلم هذه النتائج معًا مجال علم الشيخوخة الناشئ ، والذي يفترض أن التلاعب بالعمليات الأساسية للشيخوخة يمكن أن يساعد في الحفاظ على الوظيفة الفسيولوجية وقد يوفر طريقة فعالة للوقاية من الأمراض المرتبطة بالعمر أو علاجها. ستشجع NIA البحث في كل من فقدان الوظائف والحفاظ عليها أثناء عملية الشيخوخة وستعزز الدراسات في كل من البشر والنماذج الحيوانية للتحقيق في الآثار الصحية والمرضية للتلاعب بالعمليات المرتبطة بالشيخوخة على المستوى الجزيئي أو الخلوي.

أ -3: تحديد كيفية مساهمة القواعد الخلوية والجزيئية للتغيرات المرتبطة بالشيخوخة في تطور ومسار الخرف المرتبط بالعمر والاستجابة للعلاج.

الشيخوخة نفسها هي عامل الخطر الأساسي لتطور مرض الزهايمر ومعظم أشكال الخرف الأخرى ، بالإضافة إلى الأمراض والحالات (مثل مرض السكري من النوع 2 وارتفاع ضغط الدم وأمراض الأوعية الدموية) المرتبطة بزيادة خطر الإصابة بالخرف. ومع ذلك ، فإننا لا نفهم تمامًا الآليات التي من خلالها تؤثر التغييرات المرتبطة بالشيخوخة على الدماغ وتزيد من قابلية التأثر بالتغير المرضي. ستقوم NIA بإجراء ودعم الأبحاث حول كيفية تأثير عمليات الشيخوخة على تطور الأمراض العصبية. بالإضافة إلى ذلك ، سنختبر التدخلات في النماذج الحيوانية وفي النهاية في البشر التي ثبت أنها تزيد من العمر والفترة الصحية في الحيوانات لتحديد تأثيرها على الوظيفة الإدراكية.

أ -4: تحديد العوامل المرتبطة بالشيخوخة الناجحة والمرونة ضد المرض والخلل الوظيفي.

يبدو أن بعض الأشخاص يقاومون الأمراض المرتبطة بالعمر والخلل الوظيفي. قد يؤدي هؤلاء "كبار السن" حتى معرفيًا أو جسديًا عند المستويات التي غالبًا ما تُرى في الأشخاص الأصغر سنًا بعقود. ستعمل NIA على إلقاء الضوء على العوامل المرتبطة بهذه المرونة ، وتحديد ما إذا كان يمكن تسخير هذه العوامل لزيادة المرونة على نطاق أوسع بين السكان.

ج -5: فهم التغيرات الحسية والحركية المرتبطة بالشيخوخة وكيف تؤدي إلى انخفاض الوظيفة وزيادة خطر الإصابة بالأمراض.

يمكن أن تنجم التغيرات الحركية لدى كبار السن عن تغيرات في طريقة المشي والتوازن والقوة البدنية ، ويمكن أن تؤثر سلبًا على عدد وشدة السقوط والمشاركة الاجتماعية والاستقلالية. يعد فقدان الوظائف الحسية مثل الرؤية أو السمع أو القدرة على التذوق أمرًا شائعًا أيضًا بين كبار السن. ستوفر الأبحاث المدعومة من NIA لفهم الآليات الأساسية للتغيرات الحسية والحركية المرتبطة بالعمر بشكل أفضل قاعدة المعرفة اللازمة لتطوير التدخلات التي تعمل على تحسين الحركة والوظيفة الحسية في السنوات اللاحقة من الحياة.

ج -6: تحديد وتوصيف التدخلات التي تبشر بزيادة العمر الصحي.

أنشأت NIA ولا تزال تدعم برنامج اختبار التدخل لاختبار إمكانية تكرار التدخلات المرشحة التي ستطيل العمر وتزيد من فترة الصحة. في هذا البحث وغيره ، تعزز NIA الدراسات في كل من الكائنات الحية من الإناث والذكور. يتم دعم دراسات مماثلة في برنامج اختبار تدخلات Caenorhabditis ، وهي دراسة متعددة المؤسسات تبحث في التدخلات التي قد تطيل العمر أو فترة الصحة باستخدام أنواع وسلالات متنوعة من دودة Caenorhabditis ، لاستكشاف تأثير التنوع الجيني على فعالية التدخلات. نحن ندعم الدراسات حول آليات عمل هذه التدخلات التي ستسهل ترجمتها لإفادة الشيخوخة الصحية عند البشر.

أ -7: تطوير و / أو تحديد المؤشرات الحيوية (بما في ذلك المؤشرات الجينية ، والتخلقية ، والجزيئية ، والخلوية ، والمناعية ، والتمثيل الغذائي ، والتصوير ، والميكروبيوم) التي تنطبق على أبحاث الشيخوخة وعلم الشيخوخة.

الشيخوخة مرتبطة بالتغيرات على مستويات فسيولوجية متعددة. هناك حاجة إلى البحث لتمكيننا من التنبؤ بهذه التغييرات وتحديدها ومعالجتها عند الضرورة.

ج -8: استخدم علم الأحياء المقارن لفهم كيف تؤثر التكيفات في الأنواع المتنوعة في النهاية على الشيخوخة.

العمر هو سمة بيولوجية معقدة ناتجة عن تفاعلات جينية متعددة. في الواقع ، لقد حددنا ما يقرب من 400 جينة تشارك في عمر الإنسان. يمكن أن توفر مقارنة العمليات على المستويات الجزيئية والخلوية والهيكلية والعضوية عبر أنواع الحيوانات والتجمعات البشرية المتنوعة معلومات مهمة حول كيفية تفاعل هذه الجينات وإلقاء الضوء على المسارات الجزيئية الحرجة التي تحدد كل من العمر والوظيفة الصحية في الأعمار الأكبر.


الفيزياء تجعل الشيخوخة أمرًا لا مفر منه وليس بيولوجيا

إن داخل كل خلية في أجسادنا مثل مدينة مزدحمة ، مليئة بالمسارات ، ووسائل النقل ، والمكتبات ، والمصانع ، ومحطات الطاقة ، ووحدات التخلص من القمامة. عمال المدينة عبارة عن آلات بروتينية ، تقوم باستقلاب الطعام ، أو إخراج القمامة ، أو إصلاح الحمض النووي. يتم نقل البضائع من مكان إلى آخر بواسطة الآلات الجزيئية التي لوحظت وهي تسير على قدمين على طول حبل مشدود البروتين. أثناء قيام هذه الآلات بأعمالها ، فإنها محاطة بآلاف من جزيئات الماء ، والتي تصطدم بها بشكل عشوائي تريليون مرة في الثانية. هذا ما يسميه علماء الفيزياء تعبيرًا ملطفًا "الحركة الحرارية". قد تكون الفوضى الحرارية العنيفة أكثر ملاءمة.

كيف يمكن لأي آلة جزيئية حسنة النية أن تقوم بعمل جيد في ظل هذه الظروف غير المحتملة أمر محير. جزء من الإجابة هو أن آلات البروتين في خلايانا ، مثل السقاطة الصغيرة ، تحول الطاقة العشوائية التي تتلقاها من قصف الماء إلى الحركة الموجهة للغاية التي تجعل الخلايا تعمل. إنهم يحولون الفوضى إلى نظام.

جونر إيماجيس / جيتي

قبل أربع سنوات ، نشرت كتابًا بعنوان اسئلة الحياة، وهو ما يشرح كيف تنشئ الآلات الجزيئية النظام في خلايانا. كان قلقي الرئيسي هو كيف تتجنب الحياة الانزلاق إلى الفوضى. لدهشتي الكبيرة ، بعد وقت قصير من نشر الكتاب ، اتصل بي باحثون يدرسون الشيخوخة البيولوجية. في البداية لم أتمكن من رؤية الاتصال. لم أكن أعرف شيئًا عن الشيخوخة باستثناء ما تعلمته من إجباري على مراقبة العملية في جسدي.

ثم اتضح لي أنه من خلال التأكيد على دور الفوضى الحرارية في تحريك الآلات الجزيئية ، شجعت الباحثين المتقدمين في السن على التفكير أكثر في الأمر كمحرك للشيخوخة. قد تبدو الحركة الحرارية مفيدة على المدى القصير ، لأنها تحرك آلاتنا الجزيئية ، ولكن هل يمكن أن تكون ضارة على المدى الطويل؟ بعد كل شيء ، في غياب مدخلات الطاقة الخارجية ، تميل الحركة الحرارية العشوائية إلى تدمير النظام.

تم تقنين هذا الاتجاه في القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، الذي ينص على أن كل شيء يتقدم في العمر ويتحلل: المباني والطرق تنهار السفن والجبال تصدأ الصدأ. الهياكل التي لا حياة لها لا حول لها ولا قوة ضد ويلات الحركة الحرارية. لكن الحياة مختلفة: آلات البروتين تلتئم وتجدد خلاياها باستمرار.

وبهذا المعنى ، فإن الحياة تضع علم الأحياء في مواجهة الفيزياء في معركة مميتة. فلماذا تموت الكائنات الحية؟ هل الشيخوخة هي الانتصار النهائي للفيزياء على علم الأحياء؟ أم أن الشيخوخة جزء من علم الأحياء نفسه؟

لفهم ماضيك ، انظر إلى مستقبلك

بقلم كين وارتون وهو برايس

أنت تفكر في الوقت كله بشكل خاطئ ، وفقًا لأفضل نظرياتنا الفيزيائية. في نظرية النسبية العامة لأينشتاين ، لا يوجد تمييز مفاهيمي بين الماضي والمستقبل ، ناهيك عن الخط الموضوعي لـ "الآن". ليس هناك أي معنى في. اقرأ أكثر

إذا كانت هناك وثيقة تأسيسية للدراسة الحديثة للشيخوخة ، فقد تكون كذلك مشكلة غير محلولة في علم الأحياء بقلم السير بيتر مدور. كان مدور عالم أحياء حائزًا على جائزة نوبل ، فضلاً عن كونه كاتب مقالات وكتب بارع وأحيانًا لاذعًا. في مشكلة غير محلولة في علم الأحياءقدم مدور تفسيرين للشيخوخة ضد بعضهما البعض: من ناحية ، كان "الشيخوخة الفطرية" ، أو الشيخوخة كضرورة بيولوجية. ومن ناحية أخرى كانت نظرية "التآكل" للشيخوخة - الشيخوخة بسبب "الآثار المتراكمة للإجهاد المتكرر". الأول هو علم الأحياء ، والأخير فيزياء. يشير الشيخوخة الفطرية إلى أن الشيخوخة والموت تمليه التطور لإفساح المجال للأجيال الشابة.

تشير فكرة الشيخوخة الفطرية إلى أن لدينا ساعة رئيسية داخلنا تحسب ساعات حياتنا. هناك بالفعل ساعات مثل هذه. وأشهرها التيلوميرات - وهي قصاصات صغيرة من الحمض النووي يتم تقصيرها في كل مرة تنقسم فيها الخلية. كانت دراسة التيلوميرات مثيرة للجدل: ليس من الواضح ما إذا كان تقصير التيلومير هو سبب أو نتيجة للشيخوخة. لا تقصر التيلوميرات بكميات ثابتة - في حين أن هناك حدًا أدنى ينطلق عند كل انقسام للخلية ، فإنها ستقصر بمعدل أسرع إذا تعرضت الخلية للتلف من خلال وسائل أخرى. يعتقد العديد من الباحثين الآن أن تقصير التيلومير هو أكثر أعراض الشيخوخة من سببها.

تضع الحياة بين علم الأحياء والفيزياء في معركة مميتة.

مدور نفسه دافع عن نظرية "التآكل" - وجهة نظر الفيزياء للشيخوخة. أولاً ، قال ، من الصعب أن نرى كيف يمكن أن يكون الانتقاء الطبيعي قد اختار للشيخوخة ، لأننا لا نتكاثر في سنوات تقدمنا ​​في السن ، والانتقاء الطبيعي مدفوع بالاختلافات في معدلات التكاثر. ثانيًا ، ليس من الضروري قتل كبار السن بشكل فعال للحفاظ على عدد السكان المسنين صغيرًا. يمكن للصدفة العشوائية تحقيق ذلك بمفردها.

وقال مدور إن الساعة البيولوجية الرئيسية للشيخوخة غير ضرورية. لتوضيح السبب ، أشار إلى مثال غير حي: أنابيب الاختبار في المختبر. افترض أن أنابيب الاختبار تنكسر من وقت لآخر عن طريق الصدفة. للحفاظ على العدد الإجمالي لأنابيب الاختبار ثابتة ، يتم شراء إمدادات جديدة كل أسبوع. بعد مرور بضعة أشهر ، كم عدد أنابيب الاختبار الصغيرة الموجودة ، وكم عدد أنابيب الاختبار القديمة؟ إذا افترضنا أن احتمال الكسر العرضي مستقل عن العمر (افتراض معقول) ، ورسمنا عدد أنابيب الاختبار مقابل عمر كل أنبوب اختبار ، فإننا نحصل على منحنى انحلال أسي مقعر يشبه شريحة الطفل. يحتوي "منحنى الحياة" هذا على انخفاض حاد في الأعلى ، وهو مسطح في الأسفل.

الموت بدون شيخوخة: محاكاة منحنى الحياة بالكمبيوتر لكسر عشوائي لأنابيب الاختبار ومنحنى تركيب أسي (باللون الأحمر). المحور الرأسي هو عدد أنابيب الاختبار في كل فئة عمرية ، والمحور الأفقي هو عمر أنابيب الاختبار بالأسابيع. بيتر هوفمان

على الرغم من أن أنابيب الاختبار لا تتقادم (أنابيب الاختبار القديمة لا تنكسر أسهل من الأنابيب الصغيرة) ، فإن الاحتمال المستمر للكسر يقلل من عدد أنابيب الاختبار القديمة بشكل كبير. الآن ، افترض أن البشر ، مثل أنابيب الاختبار ، كانوا عرضة للموت في أي عمر. سيظل عدد كبار السن صغيرا. الاحتمالية ستلحق بنا في النهاية.

تكمن المشكلة في أن منحنيات الحياة المرسومة لسكان البشر لا تشبه منحنى أنبوب اختبار مدور. يبدأون بشكل مسطح إلى حد ما في الجزء العلوي ، مع عدد قليل من الخسائر في سن مبكرة (باستثناء عند الولادة). ثم في سن ما ، ينخفض ​​المنحنى فجأة. للحصول على مثل هذا المنحنى ، نحتاج إلى إضافة افتراض آخر إلى نموذج أنبوب الاختبار الخاص بمدور: يجب أن تتراكم أنابيب الاختبار الشقوق الصغيرة بمرور الوقت ، مما يزيد من خطر كسرها. بمعنى آخر ، يجب أن يتقدموا في السن. إذا زاد خطر الانهيار بشكل كبير ، فإننا نحصل على شيء يسمى قانون Gompertz-Makeham. هذا القانون يطابق منحنيات حياة الإنسان بشكل جيد. في لغة أنابيب الاختبار ، يتضمن القانون كلاً من خطر الكسر الثابت والمتزايد بشكل كبير. لوحظت هذه الزيادة الأسية في البشر ، حيث يتضاعف خطر الموت كل سبع سنوات بعد سن الثلاثين.

ما هو أصل هذه الزيادة الأسية؟ ليست الحركة الحرارية هي المصدر الوحيد للضرر في خلايانا. بعض العمليات المنتظمة ، وخاصة التمثيل الغذائي في الميتوكوندريا لدينا ، ليست مثالية وتميل إلى إنتاج الجذور - ذرات عالية التفاعل التي يمكن أن تتلف الحمض النووي. تشكل الضوضاء الحرارية وإنتاج الجذور الحرة معًا خطرًا أساسيًا لتلف الخلايا. عادة ما يتم إصلاح الضرر ، أو إذا اعتبرت الخلية غير قابلة للإصلاح ، يتم تحريض الخلية على الانتحار - وهي عملية تسمى موت الخلايا المبرمج. عادة ، تحل محلها خلية جذعية.

إن القضاء على السرطان أو مرض الزهايمر من شأنه أن يحسن الحياة ، لكنه لن يجعلنا خالدين ، أو حتى يسمح لنا بالعيش لفترة أطول بشكل ملحوظ.

لكن الضرر يتراكم في النهاية. لا يمكن إصلاح الحمض النووي إلا عندما تكون هناك نسخة طبق الأصل سليمة للنسخ. تتكشف البروتينات التالفة وتبدأ في الالتصاق ببعضها البعض ، وتشكيل الركام. تصبح آلية دفاع الخلية وموت الخلايا المبرمج معرضة للخطر. تبدأ "الخلايا الشائخة" بالتراكم في الأعضاء ، مما يؤدي إلى حدوث التهاب. لا يتم تنشيط الخلايا الجذعية أو تستنفد. تتلف الميتوكوندريا ، مما يقلل من إمداد الخلايا بالطاقة ، وهو أمر ضروري لتشغيل الآلات الجزيئية لإصلاح الحمض النووي. إنها حلقة مفرغة - أو ، بلغة فنية ، حلقة ردود فعل إيجابية. رياضياً ، تؤدي حلقة التغذية الراجعة الإيجابية هذه إلى زيادة أسية في المخاطر ، والتي يمكن أن تفسر شكل منحنيات الحياة البشرية.

الأدبيات العلمية مليئة بتفسيرات الشيخوخة: تراكم البروتين ، تلف الحمض النووي ، الالتهاب ، التيلوميرات. لكن هذه هي الاستجابات البيولوجية للسبب الأساسي ، وهو تراكم الضرر من خلال التدهور الحراري والكيميائي. لإثبات أن آثار الضرر الحراري تسبب بالفعل الشيخوخة ، سنحتاج إلى مراقبة البشر الذين يعيشون مع درجات حرارة داخلية مختلفة. هذا غير ممكن - ولكن هناك كائنات حية يمكن أن تتعرض لدرجات حرارة داخلية مختلفة دون ضرر فوري. في ورقة حديثة في طبيعة سجية، حدد فريق في كلية الطب بجامعة هارفارد اعتماد الشيخوخة على درجة الحرارة في الدودة المستديرة C. ايليجانس، مخلوق بسيط ومدروس جيدًا. ووجدوا أن شكل منحنى البقاء بقي على حاله بشكل أساسي ، لكنه تمدد أو تقلص مع تغير درجة الحرارة. تمتعت الكائنات التي نشأت في درجات حرارة منخفضة بمنحنى بقاء ممتد ، بينما عاشت الديدان المعرضة لدرجة حرارة أعلى حياة أقصر.

كاسمان / بيكساباي

علاوة على ذلك ، فإن عامل التمدد يعتمد على درجة الحرارة وفقًا لنمط مألوف لكل عالم: كان نفس اعتماد معدل تكسر الرابطة الكيميائية على درجة حرارة الحركة الحرارية العشوائية.

حتى أنني رأيت علاقة محتملة بين كسر الرابطة وشيخوخة الإنسان في مختبري الخاص. عندما واجهت قانون Gompertz-Makeham لأول مرة ، بدا مألوفًا بشكل غريب. في مختبري ، ندرس احتمالية بقاء الروابط الجزيئية المفردة باستخدام مجهر القوة الذرية ، والذي يمكنه قياس القوى الدقيقة التي تعمل بين جزيئين. في تجربة نموذجية ، نربط بروتينًا واحدًا بسطح مستو وآخر بطرف زنبرك ناتئ صغير. تركنا البروتينين يترابطان مع بعضهما البعض ، ثم نسحب الزنبرك ببطء لتطبيق قوة متزايدة على الجزيئين. في النهاية ، تنكسر الرابطة بين جزيئين ، ونقيس القوة اللازمة لتحقيق هذا الانكسار.

هذه عملية عشوائية ، تبدأ بالحركة الحرارية. في كل مرة نجري فيها التجربة ، تختلف قوة الكسر. لكن احتمالية البقاء على قيد الحياة للروابط المرسومة ضد القوة المطبقة تبدو تمامًا مثل بقاء الإنسان على قيد الحياة مقابل العمر. التشابه يتردد صداها مع C. ايليجانس النتائج ، التي تشير إلى وجود صلة محتملة بين كسر روابط البروتين والشيخوخة - وبين الشيخوخة والحركة الحرارية.

الموت المشترك: إلى اليسار: منحنى حياة الإنسان مع خط تركيب Gompertz-Makeham. إلى اليمين: مؤامرة البقاء على قيد الحياة للسندات البروتينية المفردة المعرضة لقوة متزايدة. الشكل الرياضي للمنحنين متطابق. بيتر هوفمان

هناك مناقشة قوية داخل مجتمع أبحاث الشيخوخة حول ما إذا كان يجب تصنيف الشيخوخة على أنها مرض. يرغب العديد من الباحثين الذين يدرسون أمراضًا معينة أو أنظمة خلوية أو مكونات جزيئية في رؤية موضوع البحث المفضل لديهم يأخذ عباءة "سبب" الشيخوخة. لكن العدد الهائل من الاحتمالات المطروحة يدحض الاحتمال ذاته. لا يمكن أن يكونوا جميعًا سببًا للشيخوخة. أشار ليونارد هايفليك ، المكتشف الأصلي لشيخوخة الخلايا ، في مقال بعنوان استفزازي بعنوان "الشيخوخة البيولوجية لم تعد مشكلة غير محلولة" أن "القاسم المشترك الذي تقوم عليه جميع النظريات الحديثة للشيخوخة هو التغيير في التركيب الجزيئي ، وبالتالي الوظيفة. " السبب النهائي ، وفقًا لـ Hayflick ، ​​هو "زيادة فقدان الدقة الجزيئية أو زيادة الاضطراب الجزيئي". سوف يظهر فقدان الأمانة وزيادة الفوضى - بطبيعته - بشكل عشوائي وبالتالي بشكل مختلف بالنسبة لأشخاص مختلفين. لكن السبب النهائي يظل كما هو.

إذا كان هذا التفسير للبيانات صحيحًا ، فإن الشيخوخة هي عملية طبيعية يمكن اختزالها في فيزياء حرارية نانوية - وليست مرضًا. حتى الخمسينيات من القرن الماضي ، كانت الخطوات الكبيرة التي تم تحقيقها في زيادة متوسط ​​العمر المتوقع للإنسان ، ترجع بالكامل تقريبًا إلى القضاء على الأمراض المعدية ، وهي عامل خطر مستمر لا يعتمد بشكل خاص على العمر. ونتيجة لذلك ، زاد متوسط ​​العمر المتوقع (متوسط ​​العمر عند الوفاة) بشكل كبير ، لكن الحد الأقصى للعمر لم يتغير. المخاطر المتزايدة بشكل كبير تطغى في النهاية على أي انخفاض في المخاطر المستمرة. يعد العبث بالمخاطر المستمرة مفيدًا ، ولكن فقط إلى حد ما: الخطر المستمر بيئي (الحوادث والأمراض المعدية) ، ولكن الكثير من المخاطر المتزايدة بشكل كبير ترجع إلى التآكل الداخلي. إن القضاء على السرطان أو مرض الزهايمر من شأنه أن يحسن الحياة ، لكنه لن يجعلنا خالدين ، أو حتى يسمح لنا بالعيش لفترة أطول بشكل ملحوظ.

هذا لا يعني أنه لا يوجد شيء يمكننا القيام به. هناك حاجة إلى مزيد من البحث في التغيرات الجزيئية المحددة في الشيخوخة. قد يوضح لنا هذا ما إذا كانت هناك مكونات جزيئية رئيسية هي أول من يتحلل ، وما إذا كان هذا الانهيار يؤدي إلى سلسلة الفشل اللاحقة. إذا كانت هناك مثل هذه المكونات الرئيسية ، فسيكون لدينا أهداف واضحة للتدخلات والإصلاح ، ربما من خلال تكنولوجيا النانو ، أو أبحاث الخلايا الجذعية ، أو تحرير الجينات. إنه يستحق المحاولة. لكن علينا أن نكون واضحين بشأن شيء واحد: لن نتغلب أبدًا على قوانين الفيزياء.

بيتر هوفمان أستاذ الفيزياء بجامعة واين ستيت والعميد المشارك للبحوث في كلية الآداب والعلوم الليبرالية.


لماذا الشيخوخة ليست حتمية

يتقدم الإنسان في العمر تدريجيًا ، لكن بعض الحيوانات تتقدم في العمر بشكل سريع في نهاية الحياة ، بينما لا يشيخ البعض الآخر على الإطلاق ، ويمكن أن يتراجع عدد قليل منهم. يجب أن يكون تنوع أنماط الشيخوخة في الطبيعة علامة تحذير لأي شخص يميل إلى التعميم - لا سيما التعميم بأن الشيخوخة أمر لا مفر منه.

تتكاثر البكتيريا بشكل متماثل ، وتنقسم إلى قسمين. ماذا يمكن أن تعني "الشيخوخة" بالنسبة للبكتيريا ، حيث أنه بعد التكاثر ، لا يوجد تمييز بين الوالدين والطفل؟ تتكاثر الطلائعيات وحيدة الخلية مثل الأميبا أيضًا بشكل متماثل ، ولكن الغريب أنهم اخترعوا طريقة للتقدم في العمر. وحتى بين أشكال الحياة العيانية ، فإن فترات حياة الكائنات الحية متغيرة بشكل كبير بطريقة يتم ضبطها بدقة مع الإيكولوجيا المحلية ومعدلات التكاثر. لا يمكن أن يكون هذا نتيجة لعملية عالمية لا هوادة فيها في الواقع ، مثل هذا الضبط الدقيق للظروف هو توقيع للتكيف.

الموت المفاجئ: تميل ذبابة Mayflies ، مثل تلك الموجودة في هذه الكومة ، إلى الموت بسرعة وفجأة في نهاية الدورة التناسلية. Fecundap الأسهم

تتراوح فترات الحياة من Methuselans الكبيرة والصغيرة إلى الكاميكازات الوراثية التي تموت بعد ظهر الربيع. اليعسوب المغمور يعيش أربعة أشهر ، والذباب البالغ نصف ساعة. نحن نعيش حوالي 70 عامًا ولكن قد يكون عمر نسيج الجنكة ملايين السنين. يصبح هذا النطاق أكثر إثارة للإعجاب عندما ندرك أن الأساس الجيني للشيخوخة مشترك على نطاق واسع عبر الأنواع المختلفة ، من خلايا الخميرة إلى الحيتان. بطريقة ما ، تم تشكيل نفس الآلية الوراثية ، الموروثة من أسلافنا المشتركين في فجر الحياة على الأرض ، لتوليد فترات حياة تتراوح من ساعات (خلايا الخميرة) إلى آلاف السنين (أشجار السكويا وحور الرجراج المهتز).

وليس فقط طول العمر ولكن نمط التدهور خلال تلك الفترة هو الذي يختلف بشكل كبير. يمكن أن تحدث الشيخوخة بوتيرة ثابتة على مدار العمر بأكمله (معظم السحالي والطيور) ، أو لا يمكن أن يكون هناك شيخوخة على الإطلاق لعقود في كل مرة ، يتبعها الموت المفاجئ (السيكادا ونباتات القرن).

يعمل "القاتل الداخلي" الخاص بنا مع التخفي ، مثل الإمبراطورة الشريرة التي تسمم زوجها تدريجيًا ولكن الأنواع الأخرى لديها قتلة داخليون يقومون بعملهم بسرعة أكبر ، ولا يزال البعض الآخر يبدو أنه ليس لديهم برامج موت جيني على الإطلاق. مثل هذا التنوع هو إشارة مؤكدة لميزة تم تشكيلها عن طريق الانتقاء الطبيعي النشط ، وليس قانون إنتروبيا غير قابل للتغيير.

مفارقة حارس القبر

على سفح تل في الركن الجنوبي الشرقي من مقبرة ماونت أوبورن في كامبريدج ماساتشوستس ، تقف حياة الإنسان بأكملها في ستة أسطر: ED… A GRA… ATE… .CLASS OF…. ولد 19… .DIED 3… .AGED… الخطوط تزين بقايا منزل على شكل. اقرأ أكثر

تختلف المؤشرات الحيوية للشيخوخة بشكل كبير من نوع إلى آخر - في الواقع ، من نوع فرد إلى التالي - من الصعب التوصل إلى تعريف عالمي واحد. قد يكون الرجل رماديًا قبل الأوان ، وقد يكون طفل الجرذ العاري مغطى بالتجاعيد. ومع ذلك ، بالنسبة للخبير الاكتواري ، فإن السؤال له إجابة واضحة ، حتى لو كانت واحدة لا يحبها إلا الإحصائي: الشيخوخة هي زيادة في معدل الوفيات. بعبارة أخرى ، كلما تقدم الحيوان في السن ، فإنه يتعرض لخطر الموت بشكل متزايد.

على سبيل المثال ، لدى رجل يبلغ من العمر 20 عامًا فرصة بنسبة 99.9٪ في العيش حتى يرى عيد ميلاده الحادي والعشرين. هذا يعني أن فرصته في الوفاة هي 1 في 1000 كل عام. إذا استمر هذا ، فسيكون لدى الشاب البالغ من العمر 40 عامًا فرصة واحدة من كل 1000 للموت قبل عيد ميلاده الحادي والأربعين. سنسمي ذلك "لا شيخوخة". في الواقع ، لدى شاب يبلغ من العمر 40 عامًا فرصة 2 من 1000 للموت قبل عيد ميلاده الحادي والأربعين. هذا مضاعفة خطر الوفاة له على مدى 20 عاما دليل على الشيخوخة التدريجية.

تزداد الأمور سوءا. يبلغ خطر إصابة شخص يبلغ من العمر 60 عامًا 10 في 1000 و 60 عامًا في 1000.

الحياة والموت: يكسر هذا الجدول احتمالات موت الإنسان في مختلف الأعمار. مع تقدم البشر في العمر ، تزداد فرصة الموت بشكل كبير. بيانات من الجداول الاكتوارية للضمان الاجتماعي لعام 2010.

لا يزداد خطر الموت فحسب ، بل يزداد بشكل أسرع وأسرع. الزيادة في التدهور أو فرص الوفاة مع مرور كل عام ، كما يحدث فينا بعد بلوغ سن الرشد ، يسمى "الشيخوخة المتسارعة". لكن الأنواع الأخرى لها أنماط مختلفة. قد يزداد احتمال الوفاة ثم يتلاشى: "تباطؤ الشيخوخة" أو حتى "هضبة الوفيات". إذا التزمنا بهذا التعريف للشيخوخة ، فنحن ملزمون بالقول إنه إذا لم يزداد احتمال الموت ، فلن يشيخ النوع على الإطلاق. من المتسق ، إذا كان غريبًا ، أن نقول إنه إذا انخفض احتمال الموت من عام إلى آخر ، فإن نوعًا ما يتقدم في العمر إلى الوراء ، وهو ما يسمى "الشيخوخة السلبية".

هناك مقياس موضوعي ثان للشيخوخة ، وهو انخفاض الخصوبة. مثلما يُعرَّف معدل الوفيات على أنه احتمال الوفاة ، تُعرَّف الخصوبة على أنها احتمالية التكاثر. يفقد الرجال الخصوبة تدريجياً على مدى حياتهم. تفقد النساء خصوبتهن بسرعة أكبر ، وتنخفض الخصوبة إلى الصفر عند سن اليأس. لكن الأنواع المختلفة لها أنماط مختلفة وجداول زمنية مختلفة. في بعض الأنواع ، تزداد الخصوبة على مدى معظم فترة الحياة ، وهو شكل آخر من أشكال "الشيخوخة السلبية".

على سبيل المثال ، تنضج سلحفاة بلاندينج ، وهي نوع من السلاحف الصندوقية شائعة في الغرب الأوسط الأمريكي ، ببطء على مدى عقود ، ولا تستمر في النمو ، لكنها تستمر في الزيادة في الخصوبة. على ما يبدو ، فإن خطر الموت ينخفض ​​أيضًا مع تقدم العمر. من منظور تطوري ، فإن فقدان الخصوبة أمر أساسي. من منظور الانتقاء الطبيعي ، بمجرد عدم قدرتك على التكاثر ، قد تكون ميتًا أيضًا.

يمكن للطبيعة أن تفعل ما تشاء مع الشيخوخة (أو عدم الشيخوخة). أي مقياس زمني ممكن ، وأي شكل ممكن.

نجد أنه من الطبيعي تصنيف الأنواع المختلفة على أنها تعيش لفترة طويلة أو قصيرة ، لتجميع الحشرات التي تعيش ليوم واحد معًا وتمييزها عن الأشجار والحيتان التي تعيش مئات السنين. لكن الكثير من هذا الاختلاف يمكن أن يُعزى إلى الحجم. يجب أن يحدث كل شيء من النمو إلى التكاثر إلى الشيخوخة بشكل أبطأ في عملاق مع التمثيل الغذائي البطيء وأطنان من الأنسجة للتغذية. لذلك نحن نميل إلى أن نكون أكثر إعجابًا بنحل العسل الذي يعيش 20 عامًا أكثر من إعجابنا بموظ يعيش 20 عامًا.

لكن لنفترض أننا قمنا بإزالة طول العمر تمامًا من الاعتبار ومقارنة الأنواع المختلفة بناءً على شكل بدلا من المدة الزمنية من تاريخ حياتهم. مهما كانت فترة الحياة طويلة أو قصيرة ، فإننا نعرضها في نفس مربع الحجم للمقارنة. بدلاً من السؤال عن المدة التي يعيشونها ، اسأل بدلاً من ذلك عما إذا كان سكانهم يميلون إلى الموت تدريجيًا ، أو إذا مات الكثير منهم في سن الرضاعة وأقل في وقت لاحق ، أو إذا كانت جميع الوفيات تتجمع في نهاية دورة الحياة. مخطط منشور في ورقة في طبيعة سجية في عام 2014 يفعل هذا بالضبط ، وما يظهر من هذه الصورة هو اتساع مدى إبداع الطبيعة. يتم تمثيل كل مجموعة يمكن تصورها ، مع تقدم سريع في العمر وعدم وجود شيخوخة متخلفة ، مقترنة بعمر يمتد لأسابيع أو سنوات أو قرون. إن الرفقاء الغريبين الذين يظهرون كجيران على الرسم البياني غير متوقعين تمامًا. على سبيل المثال ، في الجزء العلوي من الرسم البياني ، مع انخفاض معدل الوفيات الذي يرتفع فجأة في نهاية الحياة ، تنضم إلى البشر ديدان المختبر والأسماك الاستوائية (أسماك الغابي)! في الواقع ، من حيث ملامح الشيخوخة ، نحن البشر نبدو مثل دودة المختبر أكثر من الشمبانزي.

توضح الرسوم البيانية أعلاه تنوع طرق تقدم الحيوانات والنباتات في البرية. الخط الخفيف المتجه لأسفل في كل إطار هو منحنى البقاء ، والمنحنى الغامق تحته هو الخصوبة. يعني المنحدر الهابط لخط البقاء أن عددًا أقل وأقل من الأفراد يُتركون على قيد الحياة مع مرور الوقت. الطريقة التي تم بها إنشاء هذا الرسم البياني ، الخط المستقيم الذي يتجه قطريًا للأسفل يكون محايدًا ، أو لا يتقادم على الإطلاق. تمثل الخطوط المنحنية فوق القطر تقادمًا طبيعيًا ، بينما تمثل الخطوط التي تنحني أسفل القطر تقادمًا عكسيًا أو "شيخوخة سلبية". على سبيل المثال ، يظل الخط الخاص بالبشر ثابتًا لفترة طويلة ثم ينخفض ​​بشكل حاد مما يعني أن العديد من الأشخاص يعيشون حياة كاملة ، ومن ثم تتجمع وفاتهم جميعًا في الثمانينيات والتسعينيات من العمر (تم تسجيل الإحصائيات في العصر الحديث- اليوم اليابان).

ولكن بالنسبة للحيوانات والنباتات في الصفين السفليين ، فإن معدلات الوفيات أكثر ثباتًا. بالنسبة للسلاحف وأشجار البلوط ، في الواقع ، تتسطح المنحنيات. وهذا يعني أن هناك عددًا أقل من هؤلاء الذين يموتون في سن الشيخوخة أقل من الصغار الذين يموتون ، وهو ما يتقدم في العمر في الاتجاه المعاكس.

الخط الجريء ، الذي يمثل الخصوبة ، واضح ومباشر. قد ترتفع الخصوبة مع نمو الحيوان أو النبات ، أو قد تنخفض مع الشيخوخة الإنجابية - على سبيل المثال ، في سن اليأس. لاحظ أن الحيوانات في الصف العلوي تفقد كل خصوبتها جيدًا قبل أن تموت. هذا يشكل معضلة تطورية في حد ذاته. 1

في هذا الرسم البياني ، إذا كان منحنى البقاء قطريًا مستقيمًا ، لا يتوافق مع الشيخوخة - على سبيل المثال ، الهيدرا والسرطان الناسك. (يشبه الهيدرا قنديل البحر في المياه العذبة ، ويبلغ طوله ربع بوصة ويوجد في البرك). جميع الحيوانات في الصف العلوي تظهر "شيخوخة حقيقية" - فهي أكثر عرضة للموت مع تقدمها في السن. يُظهر الصفان التاليان نباتات وحيوانات لا تتقدم في العمر أو تتقدم في الاتجاه المعاكس. بالنسبة للحالة الأخيرة ، كلما كبروا ، قل خطر الموت. معظم الأشجار على هذا النحو ، والسلاحف تتبع نفس النمط ، مثل المحار وأسماك القرش (غير مصورة).

المنحنى السفلي الجريء في كل إطار هو الخصوبة. تتوقف الحيوانات في الصف العلوي عن التكاثر جيدًا قبل أن يُحتمل أن تموت. يفرض هذا لغزًا تطوريًا لعقيدة الداروينية الجديدة - إذا كان الهدف الوحيد للانتقاء الطبيعي هو زيادة التكاثر إلى أقصى حد ، فلماذا سمح التطور بالتكاثر إلى الصفر بينما يظل الكثير منهم على قيد الحياة؟ تشير منحنيات الخصوبة المتزايدة إلى زيادة التكاثر مع تقدم العمر ، وهو نوع آخر من الشيخوخة السلبية. عندما تفكر في شجرة تنمو بشكل أكبر مع مرور كل عام ، فليس من المستغرب أنها تصنع المزيد من البذور كلما تقدمت في السن. نبات الجبل الاسباني في الصف الثالث هو Borderea pyrenaica، وهو نبات ينمو على المنحدرات الصخرية لجبال البرانس. إذا لم يتم إزعاجها ، يمكن أن تعيش حتى 300 عام أو أكثر دون أي علامة على الشيخوخة ولكن لاحظ أن خصوبتها لا تستمر في الواقع حتى يبلغ عمرها أكثر من 20 عامًا.

رسالة هذا الرسم البياني هي أن الطبيعة يمكنها أن تفعل ما تشاء مع الشيخوخة (أو عدم الشيخوخة). أي مقياس زمني ممكن ، وأي شكل ممكن ، وكل نوع يتكيف بشكل رائع مع ظروفه البيئية. لا توجد قيود.

يمكن أن تكون الشيخوخة حتى الموت سريعة ومفاجئة في نهاية الدورة التناسلية. الموت المفاجئ بعد الإنجاب شائع في الطبيعة ، ويؤثر على الكائنات الحية المتنوعة مثل ذباب مايو ، والأخطبوط ، والسلمون ، ناهيك عن آلاف النباتات المزهرة السنوية. يشير علماء الأحياء إلى قصة الحياة هذه على أنها "شبه متكافئة" (من اللاتينية "ولادة واحدة").

يختلف سبب الوفاة في الكائنات الحية شبه المخترقة اختلافًا كبيرًا. توقف الأخطبوط عن الأكل. يقدم ذكور فرس النبي تضحية إنجابية نهائية ، حيث يقدمون أنفسهم كوجبات خفيفة لشريكاتهم. سمك السلمون يدمر أجسادهم بنيران المنشطات.

بحلول الوقت الذي يصل فيه السلمون إلى أرض التفريخ ، تكون عمليات الأيض الخاصة به في حالة انهيار نهائي. تقوم غددهم الكظرية بضخ الستيرويدات (القشرانيات السكرية) التي تسبب شيخوخة متسارعة - فورية تقريبا. لقد توقفوا عن الأكل. علاوة على ذلك ، تسببت الستيرويدات في انهيار جهاز المناعة لديهم ، لذا فإن أجسامهم مغطاة بالعدوى الفطرية. ضمور الكلى ، في حين أن الخلايا المجاورة (تسمى الخلايا البينية ، المرتبطة بالستيرويدات) تتضخم بشكل كبير. كما تتأثر أنظمة الدورة الدموية للأسماك المتدهورة بسرعة. تصاب شرايينهم بآفات تبدو ، بشكل مثير للاهتمام ، شبيهة بتلك المسؤولة عن أمراض القلب لدى كبار السن. السباحة في أعلى التيار شاقة ، لكن الضرب الميكانيكي ليس هو الذي يضر بأجسادهم. إنها بالأحرى سلسلة من التغيرات الكيميائية الحيوية السيئة ، تم ضبطها وراثيا لتتبع أعقاب التفريخ.

تمت برمجة بعض الكائنات الحية وراثيًا بحيث لا تأكل بعد التكاثر وتتضور جوعا نتيجة لذلك فهي أسرع وأكثر ضمانًا من الشيخوخة التقليدية. الذباب الذي يدخل مرحلة البلوغ ليس له فم أو جهاز هضمي مهما كان. تقضم الأفيال وتطحن الكثير من السيقان والأوراق خلال حياتها بحيث تتآكل ست مجموعات كاملة من الأسنان. ولكن عندما تختفي المجموعة السادسة ، لن تنمو مجموعة أخرى ، ويموت الفخذ من الجوع.

ملكة النحل لا تظهر عليها أعراض الشيخوخة. هم عجائب دائم الشباب.

في عام 2014 ، نشرت المصورة راشيل سوسمان مجلدًا يحتوي على طاولة قهوة لموضوعاتها القديمة بعنوان ، أقدم الأشياء الحية في العالم. كلهم نباتات. أحد أسباب ذلك ، على الأقل بالمقارنة مع الحيوانات المتنقلة ، هو أن النباتات لا تضطر إلى القلق بشأن عضلات الساقين القوية بما يكفي للمشي. محصورة في مكان واحد ، يمكن أن تنمو بشكل أكبر وأكثر ثباتًا وأكبر سنًا وأكثر خصوبة من أي حيوان آخر ، وتجني فوائد الأقدمية.

النباتات لها سر طول العمر آخر. في وقت مبكر من حياة الحيوان النامي ، تنفصل الخلايا الجنسية ، أو الخط الجرثومي ، عن باقي الجسم ، أو سوما. يجب فقط الحفاظ على الخط الجرثومي طاهرًا ليصبح الجيل التالي الذي يستطيع الجسم تحمله مع خلايا سوما واتخاذ طرق مختصرة أثناء تكاثرها. لكن النباتات لها نظام مختلف. الخط الجرثومي والسوما لا يفصلان أبدًا. تحتوي النباتات ، مثل الحيوانات ، على خلايا جذعية ، وفي النباتات لا تؤدي هذه الخلايا الجذعية إلى نمو نبات جديد فحسب ، بل تؤدي أيضًا إلى نمو البذور وحبوب اللقاح التي من المقرر أن تصبح الجيل التالي. في الشجرة ، توجد الخلايا الجذعية في طبقة رقيقة تحت اللحاء تسمى النسيج الإنشائي. يمتد النسيج الإنشائي إلى كل غصن وأغصان الشجرة وينتج عنه أوراق جديدة وكذلك براعم وبذور. في بعض نباتات الجنكة ، الأشجار غير المزهرة التي يعود تاريخها إلى العصر البرمي قبل 270 مليون سنة ، قد يكون عمر هذه الطبقة الإنشائية ملايين السنين.

ومع ذلك ، يبدو أن معظم الأشجار لها عمر مميز ، وبعد ذلك يصبح الموت أخيرًا أكثر احتمالية مع مرور كل عام. تبدأ البراعم ("البراعم المعلقة") في النمو مباشرة من جذع الشجرة حيث يتباطأ النمو في الفروع الخارجية. هناك بعض الدلائل على أن الأشجار تصبح أكثر عرضة للفطريات والأمراض مع تقدم العمر ، ولكن بالنسبة للجزء الأكبر ، تستسلم الأشجار القديمة للمخاطر الميكانيكية ذات الحجم الزائد. إن القدرة ذاتها على الاستمرار في النمو والتي توفر لهم إمكانية "الشيخوخة العكسية" على مدى عقود عديدة تثبت في النهاية أنها كانت سبباً في انهيارهم.

شاب للأبد: يعود "قنديل البحر الخالد" إلى مرحلة الزوائد اللحمية بعد التزاوج. ثم يكبر مرة أخرى. ييمينغ تشين

على الرغم من أنه لا يتم تسجيله في رياض الأطفال في سن 65 ، إلا أنه متوسط ​​الخالد Turritopsis nutricula حقق 15 دقيقة من الشهرة عندما تم الترحيب به على أنه "قنديل البحر الخالد" في مقالات الأخبار العلمية لعام 2010. البالغ توريتوبسيس لقد ورثت حيلة أنيقة: بعد تفريخ الزوائد اللحمية ، تتراجع مرة أخرى إلى الورم الحميدة ، وتبدأ حياتها من جديد. يتم تحقيق ذلك عن طريق تحويل الخلايا البالغة مرة أخرى إلى خلايا جذعية ، عكس اتجاه النمو المعتاد من الخلايا الجذعية إلى الخلايا المتمايزة - في جوهرها القيادة للخلف في طريق تنموي أحادي الاتجاه. عناوين تسمى توريتوبسيس زر بنيامين البحر.

خنافس ديرميستيد (Trogoderma glabrum) يؤدي خدعة مماثلة ، ولكن فقط عندما يتضور جوعًا. بينما يلعبون الحياة على جثة في الغابة ، تمر الخنافس بست مراحل يرقات مختلفة متتالية ، تبدو مثل يرقة ، ثم دودة ألفية ، ثم طائرة شراعية مائية قبل أن ينتهي بها الأمر كخنفساء ذات ستة أرجل. قام زوجان من علماء الحشرات يعملان في جامعة ويسكونسن في عام 1972 بعزل يرقات المرحلة السادسة (عندما كانوا جاهزين للتو ليصبحوا بالغين) في أنابيب اختبار واكتشفوا أنه بدون طعام ، ارتدوا إلى المرحلة الخامسة من اليرقات. إذا تم حرمانهم من الطعام لعدة أيام ، فإنهم في الواقع سوف يتقلصون ويتراجعون إلى الوراء خلال المراحل حتى بدوا وكأنهم يرقات حديثة الفقس. بعد ذلك ، إذا تم استئناف التغذية ، فسوف يتقدمون مرة أخرى خلال مراحل النمو ويصبحون بالغين مع فترات حياة طبيعية. وجدوا أنهم كانوا قادرين على تكرار الدورة مرارًا وتكرارًا ، مما سمح لهم بالنمو إلى المرحلة السادسة ثم تجويعهم مرة أخرى إلى المرحلة الأولى ، وبالتالي إطالة فترة حياتهم من ثمانية أسابيع إلى أكثر من عامين.

الهيدرا هي من اللافقاريات المتناظرة شعاعيًا ، ولكل منها فم على ساق ، وتحيط بها مخالب تنمو مرة أخرى عند قطعها - مثل الوحش متعدد الرؤوس في الأساطير اليونانية التي سميت باسمها. تمت دراستها لمدة أربع سنوات في كل مرة ، بدءًا من عينات من مختلف الأعمار تم جمعها في البرية ، ولا يبدو أنها تموت بمفردها أو تصبح أكثر عرضة للحيوانات المفترسة أو المرض. في جسم الإنسان ، تنسلخ خلايا معينة ، مثل خلايا الدم والجلد وبطانة المعدة ، وتتجدد باستمرار. جسم هيدرا كله مثل هذا ، يجدد نفسه من حجر الأساس للخلايا الجذعية كل بضعة أيام. تنسلخ بعض الخلايا وتموت خلايا أخرى ، عندما تكون كبيرة بما يكفي ، تنمو إلى مستنسخات هيدرا التي تتبرعم من ساق الجسم لتضرب من تلقاء نفسها. هذا هو النمط القديم من التكاثر ، الاستغناء عن الجنس. بالنسبة للهيدرا ، الجنس اختياري - تساهل عرضي.

تزعم إحدى المقالات الحديثة أن الهيدرا يكبر بالفعل ، ويظهر ذلك من خلال إبطاء معدل الاستنساخ. يقترح المؤلف أن الحيوانات المستنسخة ربما ترث عمر والديها. الفرضية هي أن التكاثر الجنسي فقط يعيد ضبط ساعة الشيخوخة. إذا كان هذا صحيحًا ، فإن أسلوب شيخوخة هيدرا هو ارتداد إلى الطلائعيات ، الميكروبات الأسلاف أكثر تعقيدًا من البكتيريا - بعضها له عمر محدود ، ويمكنه الانقسام عدة مرات فقط حتى ينفد الغاز التناسلي - ما لم يتم إطلاقها من خلال تبادل الجينات (نوع من نسخة أولية من الجنس) ، والتي تعيد ضبط ساعة الشيخوخة. الأميبات والميكروبات من الجنس باراميسيوم هي أمثلة على هذه الطلائعيات ، وهي خلايا منفردة في سلالة شاسعة انتشرت قديماً إلى أكثر من 100000 نوع وتشمل جميع الأعشاب البحرية وقوالب الوحل والهدب والكائنات الأخرى التي لا تنتمي إلى ممالك الحيوانات أو الفطريات أو النباتات أو البكتيريا.

تمتلك ملكة النحل والعاملات نفس الجينات ولكن فترات حياة مختلفة جدًا. في حالة ملكة النحل ، فإن غذاء ملكات النحل يوقف الشيخوخة. عندما تبدأ خلية جديدة ، تختار ممرضة النحل - بشكل تعسفي بقدر ما نستطيع أن نقول - يرقة واحدة ليتم تكريمها بالنظام الغذائي السائل للعائلة المالكة. بعض الطعام الشهي الكيميائي النشط من الناحية الفسيولوجية في غذاء ملكات النحل يحفز النحلة المحظوظة على النمو لتصبح ملكة بدلاً من عاملة. يمنح الغذاء الملكي للملكة الغدد التناسلية المفرطة النمو التي تمنحها حجمًا وشكلًا مميزين. تقوم الملكة برحلة واحدة في بداية حياتها المهنية ، والتي قد تتزاوج خلالها مع عشرات الطائرات بدون طيار المختلفة ، وتخزن حيواناتها المنوية لسنوات قادمة.

تصبح الملكة البالغة وزنها بالبيض ، وهي ثقيلة جدًا بحيث لا تستطيع الطيران ، آلة تكاثر: فهي تضع معدل هائل يبلغ حوالي 2000 في اليوم ، أي أكثر من وزن جسمها بالكامل. بالطبع ، يتطلب مثل هذا النظام التناسلي مجموعة من العمال المتخصصين لإطعامها ، وإزالة فضلاتها ، ونقل الفيرومونات (إشارات كيميائية) إلى بقية الخلية.

يعيش النحل العامل بضعة أسابيع ثم يموت من الشيخوخة. وهي لا تبلى فقط من أجزاء الجسم المكسورة ، من العوالم الخشنة والمتقلبة التي تطير من خلالها. نحن نعلم هذا لأن بقائهم يتبع شكلًا رياضيًا مألوفًا ، يسمى منحنى غومبيرتز ، وهو خاصية البقاء على قيد الحياة ، وهو نموذجي للبشر والعديد من الحيوانات الأخرى ، مما يشير إلى الشيخوخة. وفي الوقت نفسه ، فإن ملكات النحل ، على الرغم من أن جيناتها متطابقة مع جينات العمال ، إلا أنها لا تظهر أي أعراض للشيخوخة. يمكنهم العيش والاستلقاء لسنوات وأحيانًا ، إذا كانت الخلية سليمة ومستقرة ، لعقود. هم عجائب دائم الشباب. تموت الملكة بعد نفاد الحيوانات المنوية التي تلقتها أثناء رحلة زواجها. في هذه المرحلة ، قد تستمر في وضع البيض ، لكنها تخرج غير مخصبة ويمكن أن تنمو فقط لتصبح ذكورًا بلا طعم. ثم قام نفس العمال الذين حضروا لها باغتيال الملكة المنهوبة. يحتشدون حولها ، يلدغونها حتى الموت.

فترات ما بعد الإنجاب

لماذا يوجد انقطاع الطمث؟ نحن نعتني بشبابنا وعائلاتنا الممتدة ، ويستمر إخلاصنا بعد أن يكبر أطفالنا ويصبحون آباءً. ومن ثم ، فإن التفسير القياسي للحياة التي تستمر بعد انتهاء الخصوبة يسمى "فرضية الجدة". للمرأة مصلحة وراثية في رؤية أحفادها يكبرون بصحة جيدة. ربما في سن الستين يمكنهم المساهمة في إرثهم الجيني من خلال رعاية أحفادهم أكثر من إنجاب المزيد من الأطفال. هذه فرضية تبدو معقولة ، على الأقل بالنسبة للبشر ، لكن عددًا من الباحثين الديموغرافيين وجدوا أنه عندما يقومون بالأرقام ، يكون من الصعب إنجاحها.

تعتبر الحيتان والفيلة أيضًا أمثلة على الكائنات الحية التي تعيش أكثر من خصوبتها. إنها حيوانات اجتماعية أيضًا. ربما هم أكثر أهمية لأحفادهم مما نعرف. لكن في الرسم البياني ، هناك حيوانات أخرى تواصل العيش بعد انتهاء خصوبتها. وتشمل هذه أسماك الجوبي ، والبراغيث المائية ، والديدان الأسطوانية ، والروتيفير bdelloid ، وكلها تجعل الآباء النافقين يشبهون ماري بوبينز. كل هذه الحيوانات تضع البيض ، وهذا كل شيء. لم يرفع أي منهم جناحًا أو زعنفة لرعاية صغارهم ، ناهيك عن أحفادهم. ومع ذلك ، تقول نظرية التطور الحديثة أنه لا يوجد اختيار طبيعي لإبقائهم على قيد الحياة ، وبالتالي يجب أن نتوقع منهم أن يكونوا فاقدين.

في عام 2011 ، كان لديّ أنا وتشارلز جودنايت فكرة عن كيفية تطور فترة ما بعد الإنجاب ، وهي فكرة تبدو غير مرجحة في الملخص ، ولكن عندما قمنا بعمل الأرقام ، فقد تم تحقيقها بالفعل. لقد ناقشنا أن شريحة "المتقاعدين" الأكبر سناً من السكان تعمل على الحفاظ على استقرار السكان خلال دورات العيد والمجاعة. عندما تكون الأوقات جيدة ، فإنهم يأكلون الطعام الزائد ويساعدون على منع تجاوز عدد السكان. عندما يندر الطعام ، يكونون أول من يموت.

إن أنماط الشيخوخة في الطبيعة متنوعة بقدر ما يمكن أن تكون ، مما يشير إلى أن الطبيعة قادرة على تشغيل الشيخوخة وإيقافها حسب الرغبة. مع وضع هذا في الاعتبار ، قد نغفر لنا فيما يتعلق بالنظريات التي تفسر سبب وجوب وجود الشيخوخة في ظل شك شديد. ايا كان تبين أن نظريتنا للشيخوخة هي أنه كان من الأفضل إفساح المجال للمرونة والتنوع والاستثناءات.

عالم الأحياء النظري جوش ميتلدورف حاصل على درجة الدكتوراه. من جامعة بنسلفانيا. يدير موقع AgingAdvice.org على الويب ، ويكتب عمودًا أسبوعيًا لموقع ScienceBlog.com. شغل ميتلدورف مناصب بحثية وتدريسية زائرة في جامعات مختلفة بما في ذلك معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة هارفارد وبيركلي.

دوريون ساجان هو كاتب مشهور وفيلسوف ومنظر بيئي. ظهرت مقالاته ومقالاته ومراجعات كتبه في التاريخ الطبيعي ، سميثسونيان ، وايرد ، عالم جديد ، و اوقات نيويورك، من بين أمور أخرى.

1. جونز ، أور ، وآخرون.، تنوع الشيخوخة عبر شجرة الحياة. طبيعة سجية 505, 169–173 (2014).

مقتبس من كسر قانون الشيخوخة بواسطة جوش ميتلدورف ودوريون ساجان. حقوق الطبع والنشر © للمؤلفين وأعيد طبعها بإذن من كتب Flatiron ، وهي قسم من Holtzbrinck Publishers Ltd.


السادس. طول العمر والشيخوخة

1. عمر

يتراوح متوسط ​​العمر المتوقع للنباتات المعمرة متعددة الكربونات من 10 لتر في بعض الأنواع العشبية إلى أكثر من 2000 عام في الصنوبريات الخشبية (الجدول 1). يمكن أن تتكاثر العديد من النباتات التي تشكل استنساخًا عن طريق التكاثر اللاجنسي لتكوين "أفراد" بحجم المجتمع يتمتعون بعمر غير عادي ، كما هو الحال بالنسبة لـ لوماتيا تسمانيكا (لينش وآخرون. ، 1998) ، بما يزيد عن 40000 سنة. على مدار هذه الأعمار الممتدة للغاية ، ستكون دورة البدء والنضج والشيخوخة والموت للوحدات الهيكلية الفردية متكررة ، ويبدو أنها مستمرة بشكل مستقل عن أي عمليات تحدد شيخوخة وطول عمر النبات ككل.يتناقض هذا مع استراتيجية monocarpic ، حيث يتم استدعاء الشيخوخة التدريجية وموت الجسم النباتي بأكمله لضمان تعبئة المواد الغذائية الجماعية ونقلها إلى البذور التي تبقى على قيد الحياة لإعادة بدء دورة الحياة في الجيل التالي.

صنف العمر (سنة)
نباتات مفردة
شجر الصنوبر (صنوبر لونجايفا) 4600
سيكويا عملاقة (Sequoiadendron giganteum) 3200
هون الصنوبر (Dacrydium franklinii) 2200+
العرعر الشائع (Juniperus communis) 2000
صنوبر حجري (صنوبر سيمبرا) 1200
كوينزلاند كوري (Agathis microstachya) 1060
الزان الأوروبي (فاجوس سيلفاتيكا) 930
زيتون (أوليا يوروبا) 700
بلاكغوم (نيسا سيلفاتيكا) 679
الشوكران (Tsuga canadensis) 555
الصنبور الاسكتلندي (صنوبر سيلفستريس) 500
بلوط ابيض (Quercus ألبا) 464
بلوط الكستناء (كويركوس مونتانا) 427
الملعب الصنوبر (صنوبر صلب) 375
البلوط الأحمر (Quercus rubra) 326
كمثرى (Pyrus communis) 300
البلوط الأسود (Quercus velutina) 257
الجوز الأسود (Juglans nigra) 250
الرماد الأوروبي (Fraxinus اكسلسيور) 250
تفاح (بيروس مالوس) 200
الإنجليزية اللبلاب (هيديرا هيليكس) 200
صفصاف القطب الشمالي (ساليكس القطب الشمالي) 130
قرانيا المزهرة (كورنوس فلوريدا) 125
البتولا الأبيض الأوروبي (Betula verrucosa) 120
بيجتوث أسبن (Populus grandidentata) 113
عنب أوروبي (كرمة العنب الاوروبي) 100
هيذر الاسكتلندي (Calluna vulgaris) 42
ميرتل وورتليبيري (فاكينيوم ميرتيلوس) 28
هيث الربيع (إيريكا كارنيا) 21
شيخ أوروبي (Sambucus racemosus) 20
الزعتر الاسكندنافي (شميدري الغدة الصعترية) 14
هيذر Crossleaf (إيريكا تتراليكس) 10
نباتات نسيليّة
الملك لوماتيا (لوماتيا تسمانيكا) 43 000+
التوت (Gaylussacia brachycerium) 13 000+
الكريوزوت (لارا ترايدنتاتا) 11 000+
اهتزاز الحور الرجراج (Populus tremuloides) 10 000+
براكين (البتيريديوم أكويلينوم) 1400
عشب مخملي (هولكوس موليس) 1000+
حشيش الأغنام (فيستوكا أوفينا) 1000+
العكرش الأحمر (فيستوكا روبرا) 1000+
صنوبر مطحون (شكوى ليكوبوديوم) 850
زنبق الوادي (مجالس كونفالاريا) 670+
عشب القصب (Calamagrostis epigeios) 400+
شجرة التنوب السوداء (Picea mariana) 330+
حكيم الخشب (Teucrium scorodonia) 100

2. الأحداث العشوائية وتدهور الشيخوخة

ستكون بعض الخلايا الإنشائية لأقدم الأفراد من الأنواع المدرجة في الجدول 1 تتكاثر الخلايا والأنسجة والأعضاء لمدة تصل إلى 3000 سنة وأكثر. حتى آلية النسخ المتماثل للخلية بأعلى دقة من المتوقع أن تنشر عددًا كبيرًا من الأخطاء على مدى مثل هذا النطاق الزمني الممتد (Salomonson، 1996 de Witte & Stöcklin، 2010). يمكن أن تكون الطفرات الجسدية أيضًا نتيجة للضرر الجيني والأيضي الناجم عن أنواع الأكسجين التفاعلية والجذور الحرة ، وهي عوامل تميل إلى التراكم مع تقدم العمر (Munné-Bosch ، 2007). يعمل معدل الطفرة الجسدية كساعة ويستخدم لتقدير العمر (Heinze & Fussi ، 2008 Warren ، 2009).

3. التيلوميرات وشيخوخة النبات

تنشأ بعض التغييرات المرتبطة بالعمر في الجينوم من الناحية الفسيولوجية وليس عن طريق الصدفة. مثال على ذلك هو مثيلة الحمض النووي ، كما نوقش أعلاه فيما يتعلق بتغيير الطور (القسم 4.). عملية أخرى جذبت الكثير من الاهتمام البحثي في ​​علم الشيخوخة هي تقصير التيلومير ، وهي آلية لها أصولها المفاهيمية في الفرضية القائلة بأن العمر المحدود للخلايا الحيوانية المعزولة في المختبر هو التعبير الخلوي لعملية الشيخوخة (Swim، 1959 Hayflick & Moorhead، 1961).

يتم الحفاظ على نظام التيلومير - التيلوميراز بشكل كبير ، وكانت هناك بعض الملاحظات حول تقصير التيلومير المرتبط بالعمر في بعض الأنواع النباتية. أفادت دراسة مبكرة أن التيلوميرات في الشعير أصبحت أقصر بشكل تدريجي أثناء تطوير النبات بالكامل ، ولكنها أطول في زراعة الكالس (كيليان). وآخرون. ، 1995) ومع ذلك ، ملاحظات على الصنوبر بريستليكون ، وكذلك الجنكة بيلوبا الأفراد حتى عمر 1400 عام ، فشلوا في إظهار تقصير كبير في التيلوميرات مع تقدم العمر (Flanary & Kletetschka ، 2005 Song وآخرون، 2010). علاوة على ذلك ، لا تظهر طفرات التيلوميراز تغييرات ثابتة في الشيخوخة المتدهورة أو العمليات ذات الصلة. أرابيدوبسيس المسوخات التي تحمل اضطراب T-DNA لل اتيرت يفتقر الجين إلى الإنزيم تيلوميراز ويبقى على قيد الحياة لمدة تصل إلى 10 أجيال. يحدث استنزاف التيلومير بمعدل ج. 250-500 زوج أساسي لكل جيل. بعد الجيل الخامس ، تبدأ العيوب الوراثية الخلوية في التراكم. تتطور نباتات الأجيال اللاحقة إلى تشوهات في الأعضاء والقواطع وتصبح في نهاية المطاف متوقفة في حالة نباتية وغير متمايزة جزئيًا. بشكل ملحوظ ، تعيش المسوخات في هذه المرحلة النهائية أطول من الأفراد من النوع البري (Riha وآخرون، 2001). حددت الدراسات التي أجريت على الأرز RICE TELOMERE BINDING PROTEIN1 (RTBP1) كمنظم سلبي لطول التيلومير ، مع دور محتمل في بنية التيلومير. أدى التخلص من تعبير RTBP1 إلى ظهور طفرات في الأرز ذات تيلوميرات أطول بكثير من تلك الموجودة في النوع البري. على مدى أربعة أجيال ، كان النمو والتطور مضطربين بشدة في rtb1 النباتات ، وكان هناك زيادة في تواتر تكوين جسر الطور وانصهار الكروموسومات (Hong وآخرون. ، 2007). من الواضح أن للنباتات والحيوانات استجابات مختلفة جذريًا لاضطراب التيلومير ، ربما كنتيجة لتباين البنى التنموية والجينومية. أشار McKnight & Shippen (2004) إلى أن النباتات لديها `` قدرة مذهلة على تحمل عدم الاستقرار الجيني الهائج '' واقترحا أن الحيوانات تستجيب للتيلوميرات المختلة بطريقة مختلفة اختلافًا جوهريًا لأنها ، على عكس النباتات ، تلجأ إلى القضاء على الخلايا عبر التوسط p53. مسارات موت الخلايا.

4. تكاليف الإصلاح والصيانة

العلاقة المتناقضة بين النباتات والحيوانات متعددة الخلايا مع التقاط واستخدام الموارد والطاقة لها آثار كبيرة على نظريات الشيخوخة البيولوجية. يجب على الحيوانات ، كونها غيرية التغذية ، التوفيق بين متطلبات الطاقة لأنشطة الإصلاح والصيانة مع متطلبات النمو والتكاثر. تعتبر بعض النظريات التدهور الفسيولوجي والوفيات المرتبطين بالعمر انعكاسًا لاختلال التوازن التدريجي في هذه العلاقة (كيركوود ، 2002). ومع ذلك ، فمن المشكوك فيه أن مثل هذا التفسير يمكن أن ينطبق على الكائنات ذاتية التغذية مثل النباتات الخضراء. بشكل عام ، النباتات غنية بالمواد والطاقة ، وتستحوذ على الموارد بطريقة وصفت بأنها مختلطة وحتى مرضية (Harper، 1977 Thomas & Sadras، 2001). لذلك من المحتمل أن يعني تخصيص الموارد بين أنشطة الإصلاح والنمو شيئًا مختلفًا تمامًا للنباتات مقارنة بالحيوانات.

ومع ذلك ، فقد أصبح الكثير من النشاط البحثي الحالي يركز على تقييد السعرات الحرارية (Mair & Dillin ، 2008) ، وهو مجال توافر الموارد الذي يؤثر على التدهور المرتبط بالعمر ، حيث يمكن للنباتات والحيوانات مشاركة الوظائف والآليات. إن الدافع الذي يحتل العناوين الرئيسية وراء الاهتمام بالطب الحيوي في هذا الموضوع هو بالطبع المشكلة السريرية والاجتماعية للسمنة ، على الرغم من أنه يبدو واضحًا أن السعرات الحرارية الزائدة ضارة لمتوسط ​​العمر المتوقع ، فإن الفكرة المعاكسة بأن تقييد تناول السعرات الحرارية يمكن أن يطيل العمر أكثر. مثير للجدل (انظر ماتيسون وآخرون. ، 2012). هنا ، تتناول المناقشة الأبحاث الحديثة التي تقترح آلية بيولوجية للخلية تعمل في الحيوانات والفطريات والنباتات لربط الحالة التغذوية والنمو والشيخوخة المتدهورة والالتهام الذاتي. الالتهام الذاتي ، وهو عملية تقويضية رئيسية للخلايا حقيقية النواة ، يشارك في أنشطة الإصلاح والصيانة من خلال تحطيم وإعادة تدوير الجزيئات الكبيرة والعضيات التالفة ، وقد تورط في حدوث تغيرات فسيولوجية ومرضية متنوعة مرتبطة بالعمر (Vellai وآخرون., 2009 ).

يلخص الشكل 7 آلية الالتهام الذاتي. التعبير عن جينات الالتهام الذاتي (ATGs) وأنشطة بروتينات ATG يتم التحكم فيها بواسطة شبكة من الكينازات التنظيمية. يبدأ الالتهام الذاتي بمرحلة تحريض الحويصلة ، تليها تمدد الحويصلة ، والالتحام والاندماج مع اللُونوبلاست ، وأخيرًا الهضم. تتلاقى مسارات الإشارات التي توجه الخلية نحو الالتهام الذاتي مع تعبير ونشاط ATG1 و ATG13. يتم فسفرة ATG1 بواسطة بروتين كيناز أ ، وهو منظم سلبي للالتهام الذاتي ، والذي يتم تنظيمه بحد ذاته بواسطة كيناز TOR. تطلق الفسفرة لـ ATG1 في العصارة الخلوية من هيكل ما قبل البلعمة (PAS) ، وهو مركب مع ATG13. التعبير عن ATG1 و ATG13 بواسطة منظم النسخ GCN4 (التحكم العام Nonderepressible4). يتم تنظيم GCN4 بواسطة عامل بدء الاستطالة الفسفوري 2α ، والذي بدوره يتم تنشيطه بواسطة كينازات GCN2 و AMK التي يسببها الجوع (كيناز منشط AMP). بالإضافة إلى دورها في ATG التعبير ، AMK يحفز الالتهام الذاتي عن طريق الفسفرة وتعطيل TOR. تتكون الحويصلة من اندماج PASs في قفص يلتقط جزءًا من السيتوبلازم. يتم توسيع حويصلة البلعمة الذاتية بواسطة العديد من بروتينات ATG. في النهاية ، يرتبط الجسيم الذاتي بأنابيب الهيكل الخلوي الدقيقة ويستهدف الفجوة (باشام ، 2007 Kundu & Thompson ، 2008 Liu & Bassham ، 2012).

يظهر TOR كنقطة التقاء لشبكة تنظيمية لتنسيق حالة الطاقة ، ومحتوى السكر ، وتوافر N ، ومصير الخلية وطول العمر ، على الرغم من أن مدى حفظ بنية نظام إشارات TOR للحيوانات والفطريات في النباتات لم يتم بعد مستقر بالكامل (Baena-Gonzáles & Sheen ، 2008). في مناقشتهم لعلاقة الشيخوخة بالنمو ، ذكر Blagosklonny & Hall (2009) أن `` إشارات TOR المعززة للحياة يبدو أنها تحتوي أيضًا على بذور الموت '' - أي أنها منظم حقيقي للشيخوخة على النحو المحدد في القسم 4. يعتبر TOR ضروريًا للغاية للتطوير والتحكم في نمو الخلايا وتكاثرها عن طريق تغيير ترجمة mRNA (Oldham & Hafen ، 2003). ومع ذلك ، عند الانتهاء من التمايز ، فإنه يتسبب في تدهور مرتبط بالعمر ، ويمكن زيادة العمر الافتراضي عن طريق تقليل إشارات TOR (Mair & Dillin ، 2008). في النباتات ، تظهر الطفرات في الالتهام الذاتي شيخوخة متسارعة وموتًا خلويًا (Thompson وآخرون. ، 2005) ، ويؤدي إسكات TOR kinase إلى إصفرار الأوراق مبكرًا وتراكم السكر (Deprost وآخرون. ، 2007) ، ربما من خلال تفاعل TOR مع مسارات تأشير hexokinase و SnRK1 (الشكل 6). إن الحجة الخاصة بـ TOR كمنظم لاستشعار المغذيات لنمو النبات والشيخوخة قوية بشكل معقول ، ولكن لا يزال يتعين إثبات الدليل القاطع على الدور في تدهور الشيخوخة (Liu & Bassham ، 2012).

5. الشيخوخة فيما يتعلق بالحجم والهيكل المعياري

الشيخوخة والشيخوخة في النباتات تتباعد جذريًا عن العمليات المكافئة في الحيوانات بسبب الاختلافات في التنظيم والتنمية. على وجه الخصوص ، يتكون جسم الحيوان من سلالة جرثومية متميزة (منتجة للأمشاج) وخلايا سوما (غير منتجة) ، بينما لا يوجد تمايز بين السلالة الجرثومية والسوما في النباتات (Walbot & Evans ، 2003). كما أن مخطط الجسم له أهمية خاصة للشيخوخة. على عكس الحيوانات ، تتطور النباتات عن طريق الانتشار المتكرر المفتوح للوحدات الهيكلية المتماثلة. ينشأ النطاق الواسع لشكل النبات ودورة حياته من الاختلافات في الترتيب المكاني للنباتات النباتية ، أو في توقيت بدء هذه الوحدات وتطويرها وكبر سنها (Sachs وآخرون. ، 1993 بورخيس ، 2009). تتصرف النباتات الفردية كمجموعات متنافسة من الأعضاء المتكافئة وراثيًا المدمجة من خلال تفاعلات المصدر والمغسلة ، وهي طريقة تنظيم تضمن التكيف مع البيئات غير المتجانسة.

نظرًا لأن النبات الفردي منظم على هيئة مجموعة من النباتات النباتية ، فإنه يبدو أشبه بكائن حي استعماري ، مثل الشعاب المرجانية ، وليس فردًا (توماس ، 2003). يكشف الفحص الدقيق عن هذا التشابه ربما يكون سطحيًا في أحسن الأحوال. تم قياس الشيخوخة في بعض الحيوانات المستعمرة. على سبيل المثال ، مجموعات من العدار تظهر الأورام الحميدة في الطور اللاجنسي معدلات وفيات منخفضة للغاية ولا يوجد انخفاض كبير في القدرة الإنجابية على مدى سنوات (مارتينيز ، 1998). ومع ذلك ، بمجرد التفريق الجنسي ، العدار تظهر المجموعات السكانية انخفاضًا مرتبطًا بالعمر في القدرات على التقاط الطعام ، والحركات الانقباضية والتكاثر ، وزيادة هائلة في معدل الوفيات (يوشيدا وآخرون، 2006). وجدت دراسة حديثة دليلاً على تدهور الشيخوخة (تم قياسه على أنه معدل الانتشار اللاجنسي ونشاط التيلوميراز وطول التيلومير النسبي) في السلالات اللاجنسية التي يبلغ عمرها من 7 إلى 12 عامًا من المستعمرة الأسكيدية. دبلوسوما الليستيريان. بشكل ملحوظ ، تم تحقيق التجديد الكامل الذي سمح بالانتشار والنمو إلى أجل غير مسمى بالمرور بين الأجيال الجنسية (Sköld وآخرون. ، 2011). يوشيدا وآخرون. (2006) اعتبر أن سلوك metazoans الاستعمارية يتوافق مع توقعات نظرية تعدد الاتجاهات للشيخوخة (Williams ، 1957) ، والتي يمكن استبعادها كتفسير للتدهور المرتبط بالعمر في الأشجار (Mencuccini) وآخرون، 2005). يؤدي الانقسام الاختزالي والتكاثر الجنسي إلى إعادة ضبط ساعة الشيخوخة ، يحدث شيء مشابه أثناء الدورة الانقسامية في meristems.

تكبر معظم النباتات المعمرة مع تقدمها في السن ، وبالطبع فإن الكائنات الحية الكبيرة والقديمة سوف تتعرض للضرب من العوامل الجوية أيضًا ، وهو المؤشر المرئي للشيخوخة. الحجم له عواقب فسيولوجية أيضًا. إنه عامل مهم في تطور أعراض التدهور المرتبط بالشيخوخة (اليوم وآخرون. يؤثر الحجم على تخصيص العناصر الغذائية ونسبة التمثيل الضوئي إلى الأنسجة التي تعمل على التنفس (Mencuccini وآخرون، 2005). مع نمو الشجرة ، تؤدي المسافات المتزايدة بين الجذور وأطراف التاج إلى زيادة الضغط على الوظائف الهيدروليكية لنظام الأوعية الدموية (Woodruff & Meinzer ، 2011). اعتبر Ryan & Yoder (1997) أن هذا أكثر احتمالًا من تخصيص المغذيات أو أنماط التنفس أو زيادة الحمل الطفري كمحدد لنمو الأشجار والشكل والتدهور الفسيولوجي المرتبط بالعمر. تراجع التمثيل الضوئي في صنوبر بونديروسا الأقدم (صنوبر بونديروسا) وأنواع أخرى مرتبطة بانخفاض تدفق المياه والنسغ في الشجرة بأكملها (Hubbard وآخرون، 1999). ومع ذلك ، لم يجد Lanner & Connor (2001) أي دليل على التدهور المرتبط بالعمر في وظيفة الأوعية الدموية لأشجار الصنوبر البريستليكون فوق الفئة العمرية 23-4713 سنة. إيشي وآخرون. (2007) اقترح أن الهيكل المعياري يسمح للأشجار بالحفاظ على إنتاجية التاج وطول العمر من خلال عملية التكرار التكيفي ، مما يقلل من نسبة التنفس إلى التمثيل الضوئي ، ويعزز التوصيل الهيدروليكي لأوراق الشجر النامية حديثًا ، ويقلل من فقد المغذيات ، ويجدد الإنجازات القمية ويزيد من العمر الإنجابي. انتاج.

6. أنماط الحولية والدائمة

  • في الفيديو S1 ، يتم تمثيل نمو اللقطة على أنه الإنتاج المتكرر للوحدات الهيكلية الجديدة (اللون الأخضر المرمز للشيخوخة ، والأصفر للشيخوخة). يُظهر الرسم المتحرك المرحلة الخضرية من دورة حياة النبات ، والتي تتطور خلالها الفروع من براعم إبطية وتنمو على شكل براعم جديدة. موجة النمو والتفرع تتبعها موجة الشيخوخة. طالما أن منطقة التشيخ تحافظ على بعدها عن الإنشائات المتكاثرة في قمم النبتة ، فإن النبات ككل يبقى على قيد الحياة. إن الاحتفاظ برأس نباتي واحد على الأقل هو مفتاح النجاة من التحديات البيئية الشديدة. على سبيل المثال ، تعتبر منظمة meristem interalary تكيفًا مورفولوجيًا يمنح الأعشاب المعمرة القدرة على تحمل الرعي والنار.
  • المثال الثاني (فيديو S2) يتبع نمط المثال الأول ، ولكن في هذه الحالة ، تضيع الوحدات الشائخة بسبب التساقط والموت والانحلال. هذا ما يحدث في مجموعات النباتات النسيليّة الزاحفة. مع انتقال موجة الشيخوخة والموت عبر جسم النبات ، تصبح الفروع الفردية معزولة على أنها رقاقات متطابقة وراثيًا وتستمر في التطور كأفراد منفصلين. كما رأينا (الجدول 1) ، يسمح هذا النمط من التطور لبعض الأنواع العشبية النسيليّة بتحقيق أعمار هائلة. تمكن المعمرة الأفقية أعضاء الاستنساخ من التحرك في جميع أنحاء البيئة - وهي طريقة فعالة للعثور على موارد جديدة واستغلالها بشكل منهجي.
  • الفيديو S3 هو نوع من التعمير الأفقي حيث تصبح الوحدات الشائخة ، بدلاً من أن تختفي ، خشنة وتستمر كنسيج خشبي (بني اللون مشفر). والنتيجة هي شجرة - مثال على المعمودية الرأسية.
  • يوضح الفيديو S4 نتيجة التغيير في نوع الوحدة الهيكلية من الخضري إلى الإنجاب أثناء النمو. في هذه الحالة ، يتم إنتاج زهرة طرفية (زرقاء) عند قمة كل فرع. مرة أخرى ، تتقدم موجة الشيخوخة عبر جسم النبات ، لكنها ، هذه المرة ، تتفوق تمامًا على إنتاج وحدات جديدة. والنتيجة هي monocarpy - تكاثر انتحاري. تشبه الوفيات في العديد من النباتات المعمرة متعددة الخلايا قصيرة العمر نسبيًا الوفيات الحولية أحادية الكربنة أو كل سنتين في الحدوث دون أي علامة على انخفاض اللياقة المرتبط بالعمر.

بالنظر إلى هذه الطريقة ، فإن الفروق بين النباتات الحولية ، والنباتات الحولية ، والنباتات المعمرة ، أو بين أحادي الكارب و polycarps ، هي في الأساس مسألة التوقيتات النسبية ومعدلات بدء وتنفيذ برامج التكاثر العضوي والشيخوخة. من السهل أن نتخيل أن اختيار الاختلافات الكمية في هذه العمليات يساهم بشكل كبير في الأصول التطورية للتنوع الكبير في عادات النبات وتاريخ الحياة.


دورة النمو والنسخ المتماثل

غالبًا ما يوصف نمو الخلايا وتضاعفها كعملية دورية ذات مرحلتين رئيسيتين: الطور البيني ، عندما تنمو الخلية وتنسخ الحمض النووي استعدادًا لانقسام الخلية ، و الانقسام المتساوي ، حيث يحدث الانقسام الفعلي للخلية إلى خليتين ابنتيتين. يتم تلخيص الأحداث التي تحدث في هذه العملية الدورية في الرسم التخطيطي الموجود على اليمين حيث تظهر أحداث الطور البيني بالسهام الزرقاء ويظهر الانقسام الفتيلي باللون البني. لاحظ أن الخلايا قد تخرج أيضًا من الدورة وتدخل G0 المرحلة إما مؤقتًا أو أكثر أو أقل بشكل دائم. في الخلايا التي تنمو وتنقسم بنشاط ، مثل تلك الموجودة في الجنين ، تكتمل الدورة بشكل متكرر حيث تنقسم الخلايا مرارًا وتكرارًا مع نمو الجنين وتطوره. عند البالغين ، تكون الحاجة إلى النمو والتطور قد ولت ، وتبقى معظم الخلايا في G0 المرحلة التي يؤدون خلالها وظائفهم المتخصصة ، لكنهم لم يعودوا يتكاثرون (على سبيل المثال ، الخلايا العصبية والعضلية). ومع ذلك ، حتى في البالغين المتطورين بشكل كامل ، تحتفظ بعض الخلايا السلفية بالقدرة على التكاثر وإحداث خلايا وليدة جديدة لتحل محل الخلايا التالفة أو المفقودة بسبب البلى. على سبيل المثال ، تمتلك خلايا كلارا في ظهارة الجهاز التنفسي القدرة على التكاثر لإنتاج خليتين ابنتيتين - واحدة ستكون خلية كلارا جديدة والأخرى ستتمايز إلى خلية طلائية بديلة. وبالمثل ، فإن الخلايا الجذعية المكونة للدم في نخاع العظام لديها القدرة على التكاثر لتكوين خلايا سلفية يمكنها التمايز إلى العناصر الخلوية المختلفة للدم.

تنظيم دورة الخلية له أهمية حاسمة في عملية الشيخوخة. يجب أن يحدث التكرار فقط عندما تكون هناك حاجة للنمو والتطور (في الأجنة والشباب) أو عندما تكون هناك حاجة لاستبدال الخلايا التالفة أو المفقودة. وبالتالي ، تتأثر الدورة بعوامل النمو وبجينات الورم الأولية التي تفضل التكاثر وبواسطة الجينات المضادة للأورام التي تنتج البروتينات التي تمنع التكاثر. تتفاعل هذه العوامل المختلفة لتنظيم دورة الخلية في الخلايا التي احتفظت بالقدرة على الانقسام. بالإضافة إلى ذلك ، هناك عمليات خلوية تشكل نقاط تفتيش تمنع استمرار دورة الخلية في حالة حدوث أخطاء. أول نقطة تفتيش تحدث أثناء G1 المرحلة ويوفر فرصة للخلية التي تعالج لإصلاح الحمض النووي التالف قبل أن تدخل الخلية المرحلة S عند حدوث النسخ المتماثل. هذا يمنع الخلايا الوليدة من وراثة الحمض النووي التالف ، مما قد يؤدي إلى حدوث طفرات. هناك أيضًا نقاط تفتيش أخرى في S و G2 المراحل التي تتحقق من تلف الحمض النووي وفشل تكرار الحمض النووي. تحدث نقطة تفتيش دورة الخلية النهائية في نهاية الانقسام الفتيلي وتتحقق من وجود أي كروموسومات غير محاذاة. تلعب العوامل العديدة التي تنظم دورة الخلية دورًا مهمًا في عملية الشيخوخة ، لأنه مع تقدم الخلايا في العمر تتضاءل قدرتها على التكاثر إلى درجة أنها لم تعد قادرة على الانقسام. عند حدوث ذلك ، تتضاءل القدرة على استبدال الخلايا التالفة أو المفقودة ويؤدي في النهاية إلى انخفاض في قوة الأنسجة والوظائف الخلوية والعضوية التي تتميز بالشيخوخة.


شكر وتقدير

نشكر R. D'Ari و M. Fox و M. Gromov و A. Carbone على المناقشات القيمة ، و M. Elowitz على بناء الجينات والمشورة ، A. Lindner و A. Gordon للمساعدة في المخطوطة ، مرفق التصوير في معهد Jacques Monod و Agnès Troullier للمساعدة الفنية ، و B. Sorre لقياسات ضوابط التعرض ، و S. Timmermann للمساعدة في الأرقام. لم يكن العمل ممكناً لولا دعم م. رادمان. تم تمويل EJS من قبل منظمة البيولوجيا الجزيئية الأوروبية و Fondation pour la Recherche Médicale.


شاهد الفيديو: المرحلة الثانوية - أحياء 3 - تابع: الأنسجة النباتية (كانون الثاني 2022).