PROCES STARENJA

Ako bismo samo mogli zadržati naše tjelesne funkcije kao što su prilikom 10 godine starosti, mogli bi očekivati da će nam životni vijek trajati oko 5000 godina u prosjeku. Na žalost od 11 godine, sve ide nizbrdo! Problem je u tome što naša tijela propadaju sa godinama. U većini vremena našeg života, rizik od smrti se povećava eksponencijalno, udvostručujući se svakih 8 godina. Stoga se postavlja pitanje, zbog čega starimo, te što se može napraviti povodom toga?

Mnogi znanstvenici vjeruju da smo po prvi puta u povijesti čovječanstva uspjeli razviti sofisticirano razumijevanje prirode ljudskog starenja, da bismo počeli promišljeno planirati načine kako to pobijediti. Ti znanstvenici rade iz jednostavne ali primjerene misli: čovjekovo tijelo, daleko od toga da bi bilo idealna kreacija, je naprava (mašina) sklona zastojima, defektima koja je napravljena kroz stohastički (slučajni) proces biološkom evolucijom. U ovome načinu gledanja, čovjek se može dodatno poboljšati preko genetičkog inženjerstva te biti bolje "održavan" kroz preventivnu, regenerativnu i protiv starenja medicinu kao i popravljajući i mijenjajući "istrošene" dijelove tijela. Ukratko, starenje se može smanjiti, a možda i dovesti na zanemarivi nivo.

Istraživanje za shvaćanjem i kontrolom nad procesom starenja, doveo nas je do toga da smo izvukli inspiraciju iz nečega što bi se na početku moglo činiti kao nemoguć izvor: nauke o pouzdanosti. Inženjerski pristup razumijevanju procesa starenja je zasnovano na idejama, metodama i modelima posuđenim iz teorije o pouzdanosti. Ta teorija razvijena kasnih 1950-ih godina prošlog stoljeća, da bi opisala načine zastoja i starenja kompleksnih električnih i elektroničkih uređaja, je u posljednjih nekoliko dekada značajno poboljšana, kako sa razvojem tehnike tako i razvojem znanstvenih metoda. Istraživačima dopušta da predvide kako će sustav, koji je sastavljen od konstituirajućih dijelova, s točno određenom arhitekturom i stupnjem pouzdanosti prestati raditi nakon nekog vremena.

Teorija je toliko uopćena da bi se mogla primijeniti prilikom razumijevanja procesa starenja kod živućih organizama, također. Mi nismo ništa različiti u odnosu na mašine i naprave koje gradimo, ako se uzme u obzir da tijekom vremena starimo i umiremo. Pronađeno je da razlika se tim više minimizira ako mislimo o sebi na ne-laskav način, a to je da mislimo da smo mašine napravljene od redundantnih komponenti, od kojih su mnoge defektne od samog starta.

Inženjerski pristup pouzdanosti procesu ljudskog starenja omogućava zajednički znanstveni jezik kao i generalni okvir za znanstvenike koji rade u različitim područjima na projektima o starenju. To im pomaže kod rušenja barijera koje su specijalisti (iz pojedinih područja) sagradili te im omogućava bolje razumijevanje jednih drugih.

Najznačajnija je činjenica da im jasno omogućava definirati što je to starenje. Kod teorije pouzdanosti, starenje je definirano kroz povećani rizik od zastoja.Preciznije definirano, nešto stari ako je više vjerojatno da će zatajiti sutra prije nego danas. Ako se rizik od zatajenja ne povećava kako vrijeme prolazi, tada, prema teoriji starenja, nema starenja.

Gledajući na podatke o ljudskom starenju, može se pronaći nevjerojatna podudarnost između starenja i zatajenja između živih organizama i tehničkih naprava.
Krivulja se može podijeliti u tri dijela: tzv. dječja smrtnost, normalno radno područje te područje starenja. Inženjeri i tehničari često ne vide sva tri dijelu u nekome produktu, primjerice područje tzv. dječja smrtnost je nešto kao garancija za izbjegavanje nesreće ali većina današnje elektronike postaje zastarjela mnogo prije nego elektroničke komponente stvarno počnu stariti (fizički stariti, primjerice elektrolitski kondenzatori se počnu sušiti, te tako gube svoja svojstva, op.p).

Na startu života nekog uređaja, u području tzv. dječje smrtnosti) postoji relativno velika mogućnost otkazivanja, koja se smanjuje tijekom godina starenja. Za vrijeme toga perioda, defektne komponente otkazuju. Primjerice, vjerojatnost da novi mikroprocesor otkaže jest puno veća na samome početku (kada se po prvi puta uključi u radnu okolinu), zbog toga jer do prvoga uključenja nije poznato da li je procesor u postupku izrade ispravno konstruiran. Mnoge, naizgled sitne nečistoće u materijalima koji se koriste za izradu mogu dovesti do grešaka u poluvodičkim elementima, te ako je pređena kritična masa, dolazi do otkazivanja rada procesora, prilikom prvog uključenja. Naravno, nikada nije moguće napraviti dva potpuno ista procesora. Uvijek će se razlikovati, minimalno za jedan atom. U drugu ruku, slična situacija se događa kod živih organizama, uključujući i ljude, u periodu poznatom kao dječja smrtnost.

Svi oni kako tehnički uređaji tako i živi organizmi, a posebno ljudi, koji nisu inicijalno "otkazali" (u slučaju ljudi, oni koji su se rodili, te preživjeli prvih par godina života, op.p.) radit će "bez greške" na neko vrijeme, koje je u tzv. "kada" krivulji prezentirano normalnim radnim područjem. To područje je karakterizirano niskim i otprilike konstantnim stopama kvara. Kod ljudi, naime, taj period je prekratak, te iznosi između 10 do 15 godina, počevši od otprilike 5 godine života.

Nakon toga dolazi se u treće područje – područje starenja. Karakterizirano je nemilosrdnim porastom mogućnosti kvara u vremenu. Kod većine živih organizama, uključujući i ljude, ovaj porast mogućnosti kvara slijedi eksponencijalnu funkciju opisanu tzv. Gompertz-ovim zakonom mortaliteta. Kod ljudi, period starenja se događa, otprilike od 20 godine života pa do 100-te godine života.

Ali postoji i četvrto područje koje dijele živi organizmi i tehnički uređaji. To područje je poznato u biologiji pod nazivom kasno-životno zaustavljanje mortaliteta. Također postoji i zakon pod tim imenom, koji kaže da u kasnijoj dobi života mortalitet prestaje da se ponaša po eksponencijalno rastućom zakonu, te umjesto toga ponaša se po konstantnom zakonu.
Primjerice, ako doživite 110-tu godinu, vjerojatnost da doživite naredni rođendan nije velika. Međutim, paradoksalno je to što vam takva vjerojatnost nije ništa gora od vjerojatnosti koja je bila kada ste imali 102 godine života. Postojalo je mnogo pokušaja da se objasni biologija iza ovih podataka u oblicima reprodukcije i evolucije. Ali pošto isti efekti koji su utvrđeni na istraživanjima sa ljudima, su pronađeni i u uređajima koje je napravio čovjek, kao što su čelik, industrijski releji i termalni izolatori na motorima, pokazano je da bi teorija pouzdanosti mogla dati bolje odgovore.

Kao neposredna posljedica promatranja došlo se do zaključka da ne postoji gornja granica do koje bi se moglo kazati da čovjekov život može trajati. Taj zaključak se neposredno kosi sa dosadašnjim uvriježenim stajalištima da svako čovjek ima na raspolaganju određen maksimalni broj godina života, te da je taj "podatak" (o duljini života, op.p.) biološki zapisan unutar svakog čovjeka.

Drugi zakon starenja postaje očit kada se promatra život starije populacije ljudi. Taj zakon se naziva kompenzacijski zakon mortaliteta ili zakon konvergencije mortaliteta u kasnoj životnoj dobi. Ovaj empirički zakon kaže da relativna razlika u omjeru smrtnosti između različitih populacija iste vrste opada sa godinama života. to znači, dok je populacija ljudi srednjih godina u Indiji za vrijeme II. Svjetskog rata mogla umrijeti znatno prije nego takva ista populacija ljudi u Norveškoj za vrijeme 1950-ih godina, smrtna stopa kod osamdesetogodišnjaka kod istih populacija je više slična jedna drugoj.

Bilo koja teorija ljudskog starenja mora objasniti ova zadnja tri pravila, koja su poznata kao zakoni mortaliteta ili zakoni greške. Bitno je napomenuti da teorija pouzdanosti, iako je u principu matematička disciplina i u sebi sadrži veliki broj matematičkih formula i izvoda, sadrži sve ove zakone.

Ovdje se iznosi što matematička teorija pouzdanosti kaže. Prvo, ona predviđa da se sustav može raspadati s godinama čak iako je sagrađen od elemenata koji ne stare – odnosno elemenata koji imaju konstantnu stopu kvarova koji su uzrokovani nasumičnim faktorima, kao što su, primjerice, radijacija ili zaraženost sa nekim virusom. To se odnosi na bilo koji sustav koji je napravljen od redundantnih (redundantno - višak) ali nezamjenljivih dijelova.

Jednostavan primjer bi moglo biti računalo sa 3 procesora. U ovome slučaju, procesori sami za sebe ne stare, ali trpe posljedice zbog nekog nepredviđenog događaja u nekom vremenskom trenutku u budućnosti te kao rezultat toga zataje.
Kod sustava sa tri procesora, potrebno je da se oštete sva tri procesora da bi se sustav oštetio, dok nasuprot tome, sustavu sa jednim procesorom je "dovoljno" da se pokvari taj procesor, iz nekog razloga, te da cijeli sustav prestane raditi. Čak i ovaj jednostavni, sustav koji u sebi ima dva procesora "viška" se ponaša kao da stari.

Pozitivni efekt redundantnosti u sustavima jest tolerancija na oštećenja, smanjuje rizik od greške (smrti) te povećava životni ciklus. Toleranciju, međutim, čini mogućim da se oštećenja akumuliraju tijekom vremena, stoga proizvodeći tzv. fenomen starenja. Postoje dobri razlozi da se gleda na ljude kao na redundantne sustave koji su minimalno načinjeni od dijelova koji ne stare. Redundantnost kod živih bića je jasno, budući da su naši vitalni organi i sustavi napravljeni od velikog broja ćelija. Također, postoji mnogo dokaza da neki od tih dijelova koji sačinjavaju i grade naše vitalne organe ne zastarijevaju.

Posljednji eksperimenti na istraživanjima Parkinsonove bolesti, (radi se o neurodegenerativnoj bolesti koja napreduje kako godine prolaze, tj. kako osoba koja ju ima stari), pokazali su da stopa smrtnosti moždanih ćelija ostaje konstantnom, bez obzira na godine. Također, pokazano je da mnoge ćelije, čak i u poodmaklog životnoj dobi, obavljaju svoju funkciju jednako dobro kao i "nove".

Redundantnost, sama za sebe, "brine" se za dva od tri zakona starenja. Prvi je kompenzacijski zakon: stariji ljudi iz različitih populacijskih skupina umiru otprilike istom stopom čak i ako mlađi ljudi imaju tih dvaju populacijskih skupina imaju različite stope umiranja. Pretpostavljajući da postoji greška ustaljenog stanja za svaku komponentu napose, sustav sa 10 redundantnih dijelova će, isprva, imati manju vjerojatnost kvara od onoga sa 8 redundantnih dijelova. Međutim, u nekoj točki svaki sustav će ostati samo na nekoliko radnih dijelova te istom stopom rizika od kvara. Jednostavno rečeno, sustavu sa 10 redundantnih dijelova će trebati više vremena da dođe do točke kada će mu ostati samo nekoliko radnih dijelova u sustavu.

Nakon određenog broja godina rada, svi redundantni sustavi izgube redundantnost te ostanu na samo one komponente koje su im kritične za obavljanje funkcije. U toj fazi, njihova stopa kvara je visoka ali konstantna više nego što se povećava. Istu karakteristiku pokazuje i krivulja koja prikazuje stopu smrtnosti kod ljudi u poodmakloj životnoj dobi.

Jedini preostali problem koji jednostavna redundancija ne objašnjava je zakon rasta mortaliteta sa godinama. Ako se na apcisu prikaže logaritamska stopa smrtnosti, dok na ordinatu godine živih bića, ugrubo se dobije ravna linija koja je opisana sa tzv. Gompertzovom krivuljom. Da bi se takva ista krivulja dobila i u slučaju tehničkih sustava i naprava, treba se na ordinatnu os unijeti logaritam od godina. Tako dobivene relacije nazivaju se Weibullov zakon snage. Drugim riječima kazano, tijekom starenja krivulja koja opisuje stopu smrtnosti za ljude ima nježniji porast od one kada se opisuje stopa kvara kod tehničkih uređaja. To je bila zagonetka za znanstvenika u mnogo prošlih godina.

Prije nekoliko godina došlo se do rješenja prilikom rada na jednom Ruskom mainframe računalu koji je imao sklonosti nasumičnog rušenja operativnog sustava (dakle, računalo je bilo pokvareno, op.p.). Ponašanje je bilo kompleksno i moglo se jedino opisati uspoređujući ga sa ponašanjem kod ljudi kao što su: koncepti karaktera, osobnosti te promjene raspoloženja. Uspoređujući tako dobivene podatke i izvlačeći zaključke, došli smo do spoznaje da se svi živi organizmi ponašaju kao djelomično pokvareni uređaji, više nego kao uređaji koji su tek izašli iz proizvodnog procesa i uspješno stavljeni u pogon.

Nasuprot tehničkim uređajima i sustavima koji su, ipak sastavljeni od prije testiranih dijelova, organizmi formiraju sami sebe kroz proces samo-kreiranja, gdje se na kraju dobije netestirani element – ćelija. Ta primarna razlika u načinu kako su ljudi građeni a kako tehnički uređaji ima važne implikacije kod načina kako pojedine skupine stare.

Dok se pouzdanost tehničkih naprava može osigurati korištenjem visokokvalitetnih komponenti tijekom izrade, pouzdanost živih organizama mora biti osigurana sa iznimno visokim stupnjem redundancije, da bi se prebrodila loša kvaliteta nekih elemenata. Drugim riječima, tehničke naprave se mogu sastaviti na način da izbjegnu grešku, dok živi organizmi grade sami sebe da bi tolerirali pogreške.

Istražujući ponašanje starog Ruskog računala, otkrilo se da su do sada svi modeli kojima se ispitivala pouzdanost sadržavali pogrešnu pretpostavku, a to je da je sustav prilikom starta neoštećen. Upravo ta pretpostavka je dovela do pogreški krivulja koje su opisivale stope kvarova (kod uređaja) ili stope smrtnosti (kod ljudi), te dovelo do neslaganja sa Weibullovim zakonom snage. Međutim, objašnjavajući eksponencijalno propadanje živih organizama zahtjeva upravo obrnutu pretpostavku: organizmi startaju u punoljetnost sa visokim iznosom početne greške.
Premda se ova ideja može činiti neintuitivna, vrlo dobro se slaže sa mnogim opservacijama kod velikih gubitaka ljudskih ćelija (stanica) prilikom nastajanja. Primjerice, ljudski ženski fetus sa 4 do 5 mjeseci posjeduje 6 do 7 miliona jajašaca. Do rođenja, taj broj pada na 1 do 2 miliona, te ima stalni trend pada. U pubertetu, kod normalnih djevojčica taj broj padne na 0.3 do 0.5 milion jajašaca, dakle ostane samo od 5 do 7 posto od početne vrijednosti. Istraživanja su pokazala da konstantni pad u broju tih jajašaca je odgovoran za menopauzu i nemogućnost reprodukcije te da one žene sa većim brojem jajašaca imaju duži reproduktivni ciklus.

Ako se prihvati ideja da smo rođeni sa velikim brojem oštećenja, tada slijedi da čak i malena poboljšanja (primjerice, poboljšavanje početno funkcionalnih elemenata) u sustavu u ranom čovjekovom razvoju moglo bi rezultirati u znatnom padu mortaliteta te u značajnom povećanju životnog ciklusa kod ljudi. Čak štoviše, postoji veliki broj dokaza koji podupiru tezu da neke degenerativne bolesti u odrasloj dobi potiču još dok se nalazimo u stadiju fetusa kao i da nam se starenje i duljina života programira u tom stadiju.

Interesantno, čak i takvi kratkotrajni događaji, u ranom stadiju života, kao što su mjesec rođenja utječu na duljinu života, indicirajući da nezgode u ranom-stadiju života (dok smo fetusi) kao što su nedostatak vitamina od majke, zbog njezine zimske dijete, ili izloženost bolestima kao što je gripa mogu imati dugoročne posljedice.

Sa stajališta teorije pouzdanosti o starenju znanstvenici imaju odgovor na pitanje zašto i kako starimo. Starimo zbog toga jer naš izgled sadrži nezamjenjive redundantne dijelove, od kojih su mnogi oštećeni, te starimo kada bilo koji od tih dijelova prestane raditi. Imajući u vidu tu teoriju, možemo fokusirati biomedicinska istraživanja na otkrivanja načina kako spriječiti ili barem kontrolirati starenje.

Jedan od genijalnih intervencija mogla bi biti način da izbjegnemo stvaranje oštećenja odgovornih za veliku početnu štetu koja nam već u samom početku određuje životni vijek. Čak i jednostavni pokušaji kao adekvatna opskrba vitaminima i drugim mikronutrientima za rodilju može spriječiti velika oštećenja DNA i mnoge defekte. Primjerice, trudnoj mišici (eng. mice, op.p.) su davali antioksidante koji smanjuju oštećenja na DNA i drugim staničnim strukturama, te je ona rodila potomka koji je imao dulji životni vijek. Takva istraživanja nas mogu dovesti do preventivnih tehnika za zaustavljanje bolesti koje se odnose na starenje, prije rođenja.

Također, mogli bismo malo više pažnje obratiti na prevenciju oštećenja tkiva i organa. eliminacijom visoko-raširenih kroničnih infekcija i sakrivenih upalnih procesa, može dovesti do odgađanja pojave srčane aritmije, arterioskleroze, dijabetesa, Alzerhaimerog sindroma i nekih tipova raka. I kada smo kod toga, trebali bismo naučiti kako bolje "popraviti" naša tijela kada smo ranjeni ili nas je bolest izmučila.

Živi organizmi već imaju različite mehanizme za popravke. Primjerice, ćelije/stanice koje su uništene prilikom izlaganja tijela sunčevim zrakama se obnavljaju. U tijelu postoje stanice koje mogu formirati različite stanice a koje potom formiraju različite vrste tkiva. Nadalje,

znanstvenici proučavaju efekt koji se događa kada se u čovjekovo tijelo namjerno unosi mala količina otrova, koja tada stimulira obrambeni sustav organizma za popravljanje, koji potom ima efekt da brani organizam od napada drugih rizika osim otrova. Ako bismo naučili kontrolirati taj zaštitni efekt, mogli bismo spriječiti ili barem usporiti gubitke stanica koji potom vodi starenju.

Konačno, mogli bismo naučiti da zamijenimo oštećene organe, mijenjajući ih za one mlađe i zdravije. Mnogi istraživači vjeruje da će se u budućnosti čovjekov životni vijek značajno poboljšati na način da se stari i "dotrajali" organi zamjenjuju sa organima koji su nastali inženjeringom. Takvi gore opisani procesi možda se sada mogu činiti kao naučna fantastika, ali već sada se veliki broj znanstvenika i laboratorija bavi tom tematikom, te se već rade prvi koraci na tome polju, kao što su uzgajanje organa. Trenutno se uzgajaju organi kao što su pluća, bubrezi, jetra i srčano tkivo.

Metaforički govoreći, naš životni vijek je vremenska bomba sa mnogo osigurača koji pregaraju pri različitim brzinama. Odstranjujući samo jednoga u nizu nije adekvatno rješenje – moramo se pobrinuti za sve njih.

Preuzeto iz časopisa SPECTRUM©, September 2004, Volume 41, Number 9, str 16-21. Ovaj članak su napisali Leonid Gavrilov i Natalia Gavrilova. Časopis SPECTRUM© je mjesečni časopis koji izlazi u nakladi "IEEE Computer Society". (IEEE© je skraćenica od The Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc.)