우리 몸의 모든 세포 내부는 붐비는 도시와 같습니다. 트랙, 운송, 도서관, 공장, 발전소 및 쓰레기 처리 장치로 가득합니다. 도시의 노동자들은 식품을 대사하거나 쓰레기를 꺼내거나 DNA를 수리하는 단백질 기계입니다. 화물은 단백질 줄거리를 따라 두 다리를 걷는 것으로 관찰 된 분자 기계에 의해 한 곳에서 다른 곳으로 이동합니다. 이 기계들이 그들의 사업을 시작함에 따라, 그들은 수천 개의 물 분자로 둘러싸여 있으며, 이들은 초당 1 조의 시간에 무작위로 충돌합니다. 이것이 물리학 자들이 "열 운동"이라고 부르는 것입니다. 폭력적인 열 혼란은 더 적합합니다.
그러한 참을 수없는 상황에서 선의의 분자 기계가 어떻게 좋은 일을 할 수 있는지는 수수께끼입니다. 대답의 일부는 작은 래칫과 마찬가지로 세포의 단백질 기계가 물 폭격으로부터받는 임의의 에너지를 세포가 작동하는 매우 지시 된 운동으로 바꾸는 것입니다. 그들은 혼돈을 순서로 바꿉니다.
4 년 전, 나는 Life 's Ratchet 라는 책을 출판했습니다. , 이것은 분자 기계가 세포에서 순서를 만드는 방법을 설명합니다. 나의 주요 관심사는 인생이 혼란에 빠지는 방법이었습니다. 놀랍게도, 책이 출판 된 직후, 나는 생물학적 노화를 연구하는 연구원들과 연락을 취했다. 처음에는 연결을 볼 수 없었습니다. 나는 내 몸의 과정을 관찰해야함으로써 배운 것을 제외하고는 노화에 대해 아무것도 몰랐다.
그런 다음 분자 기계를 애니메이션하는 데 열 혼돈의 역할을 강조함으로써 노화 연구원들이 노화의 원동력으로 더 많이 생각하도록 격려했다. 열 운동은 단기적으로 유익한 것처럼 보이며 분자 기계를 애니메이션으로 만들 수 있지만 장기적으로는 해로울 수 있습니까? 결국, 외부 에너지 입력이 없으면 임의의 열 운동은 순서를 파괴하는 경향이 있습니다.
이 경향은 열역학 제 2 법칙에서 체계화되며, 모든 것이 나이가 들고 부패하도록 지시합니다. 건물과 도로가 무너집니다. 선박과 레일 녹; 산은 바다로 씻겨진다. 생명이없는 구조는 열 운동의 황폐화에 대해 무력합니다. 그러나 삶은 다릅니다 :단백질 기계는 끊임없이 세포를 치유하고 갱신합니다.
이런 의미에서 생명은 필사자 전투에서 물리학에 대한 생물학을 구입합니다. 그렇다면 왜 생명체가 죽는가? 노화는 생물학에 대한 물리학의 궁극적 인 승리입니까? 또는 노화가 생물학 자체의 일부입니까?
노화에 대한 현대 연구를위한 창립 문서가 있다면, 생물학의 미해결 문제 일 수 있습니다. Peter Medawar 경. Medawar는 노벨상을 수상한 생물 학자였으며, 에세이와 책의 재치 있고 때로는 끔찍한 작가였습니다. 생물학의 미해결 문제 , Medawar는 서로에 대한 노화에 대한 두 가지 설명을 불러 일으켰습니다. 한편으로는“선천적 노화”또는 생물학적 필요성으로 노화되었습니다. 다른 한편으로는“마모”이론이있었습니다. 전자는 생물학, 후자의 물리학입니다. 선천적 노화는 노화와 죽음이 젊은 세대를위한 공간을 만들기 위해 진화에 의해 지시된다는 것을 암시합니다.
선천적 노화에 대한 아이디어는 우리 안에 우리 안에 우리의 삶의 시간을 계산하는 마스터 시계가 있음을 시사합니다. 실제로 이와 같은 시계가 있습니다. 가장 유명한 것은 텔로미어입니다. 세포가 나눌 때마다 단축되는 DNA의 작은 스 니펫입니다. 텔로미어에 대한 연구는 논란의 여지가 있습니다. 텔로미어 단축이 노화의 원인인지 효과인지는 확실하지 않습니다. 텔로미어는 일정한 양으로 단축되지 않습니다. 각 세포 분열에서 최소량이 나오는 것은 다른 수단을 통해 세포가 손상되면 더 빠른 속도로 단축됩니다. 많은 연구자들은 이제 텔로미어 단축이 그 원인보다 노화 증상이 더 많다고 생각합니다.
Medawar 자신은 노화에 대한 물리적 관점 인“마모”이론을 주장했다. 첫째, 그는 노인 시절에는 재생산되지 않고 자연 선택이 생식 률의 차이에 의해 주도되기 때문에 노화에 대한 자연 선택이 어떻게 선택되었는지 알기가 어렵다고 말했다. 둘째, 노인들을 적극적으로 유지하기 위해 노인들을 적극적으로 죽이는 것은 불필요합니다. 임의의 기회는 자체적으로이를 달성 할 수 있습니다.
Medawar는 노화를위한 생물학적 마스터 시계가 불필요하다고 주장했다. 그 이유를 설명하기 위해, 그는 실험실의 테스트 튜브를 결정적으로 살아 가지 않은 예를 지적했습니다. 우연히 테스트 튜브가 때때로 파손된다고 가정합니다. 총 테스트 튜브의 총 수를 일정하게 유지하기 위해 매주 새로운 공급을 구매합니다. 몇 개월이 지나면 얼마나 많은 젊은 테스트 튜브가 있으며 몇 명이 있습니까? 우발적 인 파손 가능성이 연령과 무관하고 (현명한 가정), 각 시험관의 연령 대 테스트 튜브의 수를 플로팅하면 아동의 슬라이드처럼 보이는 오목한 지수 붕괴 곡선을 얻습니다. 이 "생명 곡선"은 상단에 가파른 하락이 있으며 바닥에는 평평합니다.
테스트 튜브는 노화되지 않지만 (오래된 테스트 튜브는 젊은이보다 쉽게 파손되지 않습니다), 파손 가능성이 일정한 확률은 오래된 시험관의 수를 크게 감소시킵니다. 이제 시험관과 같은 인간이 어느 나이에도 똑같이 죽을 가능성이 있다고 가정 해 봅시다. 노인의 수는 여전히 작습니다. 확률은 결국 우리를 따라 잡을 것입니다.
문제는 인간 인구를위한 생명 곡선이 Medawar의 테스트 튜브 곡선처럼 보이지 않는다는 것입니다. 그들은 어린 나이에 적은 수의 손실로 정상에서 다소 평평하게 시작합니다 (출생 제외). 그런 다음 어느 나이에 곡선이 갑자기 떨어집니다. 이러한 곡선을 얻으려면 Medawar의 테스트 튜브 모델에 또 다른 가정을 추가해야합니다. 테스트 튜브는 시간이 지남에 따라 작은 균열을 축적하여 파손 위험을 증가시켜야합니다. 다시 말해, 그들은 나이가 들어야합니다. 위반의 위험이 기하 급수적으로 증가하면 Gompertz-Makeham Law라는 것을 얻습니다. 이 법률은 인간의 삶의 곡선과 잘 일치합니다. 테스트 튜브의 언어에서, 법에는 일정한 및 기하 급수적으로 파손 위험이 증가하는 것이 포함됩니다. 이 지수 증가는 인간에게서 관찰되었으며, 30 세 이후 7 년마다 사망의 위험이 두 배로 증가한 인간에서 관찰되었습니다.
이 지수 증가의 기원은 무엇입니까? 열 운동이 우리 세포에서 유일한 손상의 원인은 아닙니다. 일부 정기적 인 과정, 특히 우리 미토콘드리아의 신진 대사는 완벽하지 않으며 급진적 인 경향이 있습니다. 함께 열 노이즈와 자유 라디칼 생성은 세포 손상의 배경 위험을 구성합니다. 손상은 일반적으로 수리되거나, 세포가 수리를 넘어서서 간주되면 세포는 자살을 저지르도록 유도됩니다 - 아 pop 토 시스라고합니다. 일반적으로 줄기 세포가 대체됩니다.
그러나 결국 손상이 축적됩니다. DNA는 복사 할 그대로 복제 된 복제본이있을 때만 복구 할 수 있습니다. 손상된 단백질이 전개되어 서로 고집하기 시작하여 응집체가 형성됩니다. 세포의 방어 및 아 pop 토 시스 메커니즘이 손상됩니다. "노인 세포"는 장기에 축적되기 시작하여 염증을 유발합니다. 줄기 세포는 활성화되거나 고갈되지 않습니다. 미토콘드리아가 손상되어 세포의 에너지 공급이 줄어들어 DNA를 복구하는 분자 기계에 전력을 공급하는 데 필요합니다. 긍정적 인 피드백 루프 인 기술 전문 용어에서 악의적 인주기입니다. 수학적 으로이 긍정적 인 피드백 루프는 위험의 기하 급수적 인 증가로 이어져 인간의 삶의 곡선의 모양을 설명 할 수 있습니다.
과학 문헌은 단백질 응집, DNA 손상, 염증, 텔로미어와 같은 노화에 대한 설명으로 가득합니다. 그러나 이들은 기본 원인에 대한 생물학적 반응으로, 열 및 화학적 분해를 통해 손상을 일으킨다. 열 손상 효과가 실제로 노화를 유발한다는 것을 증명하려면 내부 온도가 다른 인간을 관찰해야합니다. 이것은 불가능하지만 즉각적인 해를 입지 않은 다양한 내부 온도에 노출 될 수있는 유기체가 있습니다. 자연 의 최근 논문에서 , 하버드 의과 대학의 한 팀은 Roundworm에서 노화의 온도 의존성을 결정했습니다. 엘레 간 , 단순하고 잘 연구 된 생물. 그들은 생존 곡선의 모양이 본질적으로 동일하게 유지된다는 것을 발견했지만 온도가 바뀌면서 늘어나거나 수축되었다. 더 낮은 온도에서 자란 생물체는 뻗어있는 생존 곡선을 즐겼으며, 더 높은 온도에 노출 된 벌레는 짧은 삶을 살았습니다.
또한 스트레치 계수는 모든 과학자에게 친숙한 패턴에 따라 온도에 달려있었습니다. 임의 열 운동의 온도에서 화학적 결합 파손 속도의 의존성과 동일했습니다.
.나는 심지어 내 실험실에서 채권 파괴와 인간 노화 사이의 잠재적 인 연결을 보았습니다. 내가 Gompertz-Makeham 법칙을 처음 만났을 때, 그것은 이상하게 친숙해 보였다. 실험실에서 우리는 원자력 현미경을 사용하여 단일 분자 결합의 생존 확률을 연구하며, 이는 두 분자 사이에서 작용하는 미세한 힘을 측정 할 수 있습니다. 전형적인 실험에서, 우리는 하나의 단백질을 평평한 표면에, 다른 단백질을 작은 캔틸레버 스프링 끝에 부착합니다. 우리는 두 단백질이 서로 결합하게 한 다음 스프링을 천천히 당겨 두 분자에 증가하는 힘을 적용했습니다. 결국, 두 분자 사이의 결합이 파손되고, 우리는 그 파손을 달성하는 데 필요한 힘을 측정합니다.
이것은 열 운동에 의해 시작된 임의의 과정입니다. 실험을 할 때마다 파손 힘이 다릅니다. 그러나 적용된 힘에 대한 채권의 생존 확률은 인간 생존과 연령에 비해 보이는 것처럼 보인다. 유사성은 c와 공명한다. 엘레 간 단백질 결합과 노화와 노화와 열 운동 사이의 가능한 연결을 제안하는 결과
노화 연구 커뮤니티 내에서 노화를 질병으로 분류 할 것인지에 대한 활발한 토론이 있습니다. 특정 질병, 세포 시스템 또는 분자 구성 요소를 연구하는 많은 연구자들은 좋아하는 연구 주제가 노화의“원인”의 맨틀을 취하는 것을보고 싶어합니다. 그러나 제시되는 수많은 가능성은 가능성을 반박합니다. 그들은 모두 노화의 원인이 될 수는 없습니다. 세포 노화의 최초의 발견자인 레너드 헤이 플릭 (Leonard Hayflick)은 그의 도발적으로 제목의 기사에서“생물학적 노화는 더 이상 해결되지 않은 문제가 아니다”라는 제목의“모든 노화 이론에 기초가되는 공통 분모는 분자 구조의 변화와 기능”이라는 점을 지적했다. Hayflick에 따르면 궁극적 인 원인은“분자 충실도의 증가 또는 분자 장애 증가”입니다. 충실도의 상실과 장애의 증가는 본질적으로, 그 자체로는 사람들에게 다르게 나타날 것입니다. 그러나 궁극적 인 원인은 동일하게 유지됩니다.
데이터에 대한 이러한 해석이 정확하다면, 노화는 질병이 아닌 나노 스케일 열 물리학으로 줄일 수있는 자연스러운 과정입니다. 1950 년대까지 인간의 기대 수명 증가에 대한 큰 보폭은 거의 전적으로 연령 의존하지 않는 지속적인 위험 요소 인 전염병의 제거로 인해 거의 전적으로 이루어졌습니다. 결과적으로, 기대 수명 (사망시 평균 연령)은 극적으로 증가했지만 인간의 최대 수명은 변하지 않았습니다. 기하 급수적으로 증가하는 위험은 결국 지속적인 위험 감소를 압도합니다. 지속적인 위험에 휩싸이는 것은 도움이되지만 한 번에만 도움이됩니다. 지속적인 위험은 환경 (사고, 전염병)이지만 기하 급수적으로 증가하는 위험은 내부 마모 때문입니다. 암이나 알츠하이머 병을 제거하면 생명이 향상 될 것이지만, 우리를 불멸하게 만들지 않거나 심지어 우리가 상당히 더 오래 살 수있게 해줄 것입니다.
그렇다고 할 수있는 일이 없다는 의미는 아닙니다. 노화의 특정 분자 변화에 대한 더 많은 연구가 필요합니다. 이것은 가장 먼저 분해 된 주요 분자 구성 요소가 있는지, 그리고 해당 파괴가 후속 실패로 이어지는 지 여부를 보여줄 수 있습니다. 이러한 주요 구성 요소가있는 경우, 나노 기술, 줄기 세포 연구 또는 유전자 편집을 통해 중재 및 수리에 대한 명확한 목표가 있습니다. 시도해 볼 가치가 있습니다. 그러나 우리는 한 가지에 대해 분명해야합니다. 우리는 결코 물리 법칙을 물리 치지 않을 것입니다.
Peter Hoffmann은 Wayne State University의 물리학 교수이자 교양학과 과학 대학의 부교수입니다.
