जीव विज्ञान, न कि जीव विज्ञान, उम्र बढ़ने को अपरिहार्य बनाता है

नमस्कार, हेब्र! मैं आपके लिए प्रस्तुत करता हूँ लेख Physics Makes Aging Inevitable, Not Biology का अनुवाद । पीटर हॉफमैन द्वारा पोस्ट किया गया।

नैनोस्केल थर्मल भौतिकी हमारे विलुप्त होने की गारंटी देता है, चाहे हम कितनी भी बीमारियों का इलाज करें

हमारे शरीर में हर कोशिका के अंदर के रास्ते, वाहनों, पुस्तकालयों, कारखानों, बिजली संयंत्रों और कूड़े-कचरे से भरे शहर की तरह होते हैं। इस शहर में श्रमिकों के पास प्रोटीन मशीनें हैं जो भोजन को पचाती हैं, कचरा बाहर निकालती हैं, या डीएनए की मरम्मत करती हैं। प्रोटीन रस्सियों के साथ दो पैरों पर चलती आणविक मशीनों की मदद से भार को एक स्थान से दूसरे स्थान पर ले जाया जाता है। जबकि ये मशीनें अपना काम कर रही हैं, आसपास के हजारों पानी के अणु बेतरतीब ढंग से प्रति सेकंड लाखों बार दुर्घटनाग्रस्त होते हैं। यह एक ऐसी घटना है जो भौतिकविदों ने व्यंजनापूर्वक "थर्मल मोशन" कहा है, और जो राक्षसी थर्मल अराजकता को कॉल करने के लिए अधिक उपयुक्त है।



यह हैरान करने वाला है कि ये आणविक मशीनें ऐसी असहनीय परिस्थितियों में अपना काम कैसे अच्छी तरह से कर सकती हैं। उत्तर का हिस्सा यह है कि कोशिकाओं में प्रोटीन मशीनें, छोटे चूहे की तरह, पानी के अणुओं को बेतरतीब ढंग से बम बनाने वाले पानी की दिशाओं को दिशात्मक आंदोलन में बदल देती हैं जो कोशिकाओं को काम करती हैं। अराजकता को क्रम में बदलो।

चार साल पहले, मैंने द रैचेट ऑफ लाइफ नामक एक पुस्तक प्रकाशित की, जो बताती है कि हमारी कोशिकाओं में आणविक मशीनें किस तरह से व्यवस्था बनाती हैं। मेरा मुख्य काम यह दिखाना था कि कैसे जीवन अराजकता में डूबने से बचा जाता है। मेरे महान आश्चर्य के लिए, पुस्तक के प्रकाशन के तुरंत बाद, जैविक उम्र बढ़ने का अध्ययन करने वाले शोधकर्ताओं ने मुझसे संपर्क किया। पहले तो मैंने किताब के विषय और उम्र बढ़ने के बीच के संबंध को नहीं देखा, क्योंकि मुझे इसके बारे में कुछ भी नहीं पता था सिवाय इसके कि मैं अपने शरीर की उम्र को देखने से जानता था।

फिर, आणविक मशीनों के संचालन में थर्मल अराजकता की महत्वपूर्ण भूमिका की समझ से, अंतर्दृष्टि उत्पन्न हुई और मैंने उम्र बढ़ने के शोधकर्ताओं को इसे उम्र बढ़ने की प्रेरणा शक्ति के रूप में सोचने के लिए प्रोत्साहित किया। आणविक मशीनों के इंजन की तरह, अल्पावधि में थर्मल आंदोलन उपयोगी हो सकता है, लेकिन क्या यह लंबे समय में हानिकारक हो सकता है? दरअसल, बाहरी ऊर्जा की खपत के अभाव में, यादृच्छिक थर्मल गति क्रम को नष्ट कर देती है।

इस प्रवृत्ति को ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम द्वारा वर्णित किया गया है, जिसमें कहा गया है कि सब कुछ बूढ़ा हो रहा है और अलग हो रहा है: इमारतें और सड़कें उखड़ रही हैं; जहाजों और रेल जंग; पहाड़ समुद्र में धुल जाते हैं। थर्मल गति के विनाशकारी बल के खिलाफ निर्जीव संरचनाएं असहाय हैं। लेकिन जीवन अलग है: प्रोटीन मशीनें लगातार कोशिकाओं की मरम्मत और नवीनीकरण करती हैं।

मृत्यु के साथ युद्ध में जीवन का विरोध भौतिक विज्ञान के जैविक रूप के रूप में करना है। तो जीवित चीजें क्यों मरती हैं? जीव विज्ञान पर भौतिकी की अंतिम विजय है? या जीव विज्ञान का ही हिस्सा है?

यदि आप उम्र बढ़ने पर अनुसंधान के मौजूदा स्तर के लिए एक मूलभूत दस्तावेज की तलाश करते हैं, तो यह सर पीटर मेडावर द्वारा "अनसुलझी जीवविज्ञान समस्या" हो सकती है। मेदावर, जीव विज्ञान में नोबेल पुरस्कार विजेता, साथ ही निबंध और पुस्तकों के मजाकिया और कभी-कभी विषैले लेखक। अपनी पुस्तक में, मेडावार ने उम्र बढ़ने के लिए दो विरोधी स्पष्टीकरण सामने रखे: एक तरफ, "जन्मजात उम्र बढ़ने," या एक जैविक आवश्यकता के रूप में उम्र बढ़ने। पहला जीव विज्ञान है, दूसरा भौतिक विज्ञान है। जन्मजात उम्र बढ़ने का मतलब है कि उम्र बढ़ने और मृत्यु नई पीढ़ी के लिए रास्ता बनाने के लिए डिज़ाइन किए गए विकासवादी उत्पाद हैं।

जन्मजात उम्र बढ़ने का विचार बताता है कि हमारे भीतर एक प्रमुख घड़ी है जो हमारे जीवन के समय को गिनती है। ऐसी घड़ियाँ वास्तव में उपलब्ध हैं। सबसे प्रसिद्ध टेलोमेरेस हैं - डीएनए के छोटे टुकड़े जो हर बार एक सेल विभाजन को छोटा करते हैं। टेलोमेरस का अध्ययन करने के परिणाम विरोधाभासी हैं, यह स्पष्ट नहीं है कि टेलोमेयर का छोटा होना एक कारण है या उम्र बढ़ने का परिणाम है। निरंतर मूल्य से टेलोमेर कम नहीं होते हैं। एक न्यूनतम मूल्य है जो प्रत्येक सेल डिवीजन पर पड़ता है, और यदि सेल किसी भी तरह से क्षतिग्रस्त हो गया था, तो तेजी से छोटा होता है। कई शोधकर्ताओं का मानना ​​है कि टेलोमेयर छोटा होना एक कारण से अधिक उम्र बढ़ने का संकेत है।

जीवन एक घातक लड़ाई में भौतिकी के साथ जीव विज्ञान के विपरीत है

मेडावर ने खुद को "पहनने" के सिद्धांत की वकालत की - उम्र बढ़ने पर भौतिकी का दृष्टिकोण। उन्होंने कहा कि, सबसे पहले, यह समझाना मुश्किल है कि बुढ़ापे में प्राकृतिक चयन कैसे कार्य कर सकता है, जब लोग प्रजनन करना बंद कर देते हैं, और प्राकृतिक चयन प्रजनन की गति से जुड़ा होता है। दूसरे, बुजुर्गों को उनकी संख्या कम करने के लिए उद्देश्यपूर्ण तरीके से मारने की आवश्यकता नहीं है। मौका खुद कर सकते हैं।

मेडावर ने तर्क दिया कि उम्र बढ़ने के लिए जैविक घड़ी की आवश्यकता नहीं है। यह स्पष्ट करने के लिए कि, उन्होंने जीवविज्ञान से नहीं, एक प्रयोगशाला में टेस्ट ट्यूब का उदाहरण दिया। मान लीजिए कि ट्यूब कभी-कभी बेतरतीब ढंग से टूट जाती हैं और फेंक दी जाती हैं। ट्यूबों की निरंतर आपूर्ति सुनिश्चित करने के लिए, हर हफ्ते नए खरीदे जाते हैं। कितने पुराने और नए ट्यूब कुछ महीनों में होंगे? यदि हम मानते हैं कि आकस्मिक विफलता की संभावना उम्र (एक उचित धारणा) पर निर्भर नहीं करती है, और प्रत्येक ट्यूब की उम्र के आधार पर ट्यूबों की संख्या का एक ग्राफ बनाते हैं, तो हमें बच्चों की स्लाइड जैसा दिखने वाला एक गिरता हुआ घातीय वक्र प्राप्त होता है। उम्र बढ़ने के बिना मौत। बेतरतीब ढंग से टूटी हुई नलियों और उसके घातीय सन्निकटन (लाल रंग में) के लिए अस्तित्व के वक्र का कंप्यूटर सिमुलेशन। ऊर्ध्वाधर अक्ष प्रत्येक आयु वर्ग में ट्यूबों की संख्या है, क्षैतिज अक्ष हफ्तों में ट्यूबों की आयु है।

हालाँकि, ट्यूब की उम्र नहीं होती है (पुराने ट्यूब नए लोगों की तुलना में आसान नहीं होते हैं), टूटने की निरंतर संभावना पुराने ट्यूबों की संख्या को काफी कम कर देती है। मान लीजिए कि टेस्ट ट्यूब जैसे लोग, किसी भी उम्र में मरने की समान रूप से संभावना है। फिर बुजुर्गों की संख्या भी छोटी होगी। संभावना चाल कर देगा।

मुसीबत यह है कि मानव आबादी के लिए बनाए गए उत्तरजीविता वक्र मेदावर ट्यूबों के अस्तित्व वक्रों की तरह नहीं हैं। वे शुरुआत में लगभग क्षैतिज हैं, कम उम्र में कम मात्रा में (नवजात शिशुओं को छोड़कर)। फिर, कुछ उम्र में, वक्र तेजी से घटने लगता है। इस तरह के वक्र को प्राप्त करने के लिए, एक और धारणा को ट्यूबों के मेदावर मॉडल में जोड़ा जाना चाहिए: समय के साथ, ट्यूबों को छोटी दरारें जमा करनी चाहिए जो उन्हें तोड़ने की संभावना को बढ़ाती हैं। दूसरे शब्दों में, उन्हें वृद्ध होना चाहिए। यदि टूटने की संभावना तेजी से बढ़ जाती है, तो हम गोमपेर्ट्ज़-मीकाइम कानून द्वारा वर्णित वक्र प्राप्त करते हैं। यह कानून मानव अस्तित्व के वक्र का अच्छी तरह से वर्णन करता है। टेस्ट ट्यूब के साथ, कानून में एक निरंतर और तेजी से विफलता की संभावना बढ़ रही है। लोगों के लिए, घातीय वृद्धि तब देखी जाती है जब मृत्यु की संभावना 30 साल तक पहुंचने के बाद हर सात साल में दोगुनी होने लगती है।

इस घातीय वृद्धि का कारण क्या है? थर्मल आंदोलन हमारी कोशिकाओं में क्षति का एकमात्र स्रोत नहीं है। कुछ नियमित प्रक्रियाएं, विशेष रूप से हमारे माइटोकॉन्ड्रिया में चयापचय, आदर्श नहीं हैं, और मुक्त कणों का उत्पादन करते हैं - अत्यधिक प्रतिक्रियाशील यौगिक जो डीएनए को नुकसान पहुंचा सकते हैं। साथ में, थर्मल शोर और मुक्त कणों के गठन से सेल के नुकसान की पृष्ठभूमि जोखिम पैदा होती है। नुकसान आमतौर पर बहाल किया जाता है , यदि सेल को बहाल नहीं किया जा सकता है, तो यह आत्महत्या की प्रक्रिया शुरू करता है - एपोप्टोसिस , और स्टेम सेल उन्हें प्रतिस्थापित करते हैं।

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हालांकि, क्षति समय के साथ जमा होती है। डीएनए को केवल तब ही बहाल किया जा सकता है जब कॉपी करने के लिए एक अखंड प्रतिलिपि हो। क्षतिग्रस्त प्रोटीन चारों ओर मुड़ते हैं और एक साथ चिपकना शुरू करते हैं, जिससे समुच्चय बनता है। सेल डिफेंस और एपोप्टोसिस बाधित हैं। "वृद्ध कोशिकाएं" अंगों में जमा होने लगती हैं, जिससे सूजन होती है । स्टेम सेल सक्रिय नहीं होते हैं, या कम हो जाते हैं। डीएनए की मरम्मत के लिए आणविक मशीनरी के कामकाज के लिए आवश्यक ऊर्जा की आपूर्ति में कमी से माइटोकॉन्ड्रिया क्षतिग्रस्त हो जाते हैं। यह एक दुष्चक्र है , जिसे तकनीकी भाषा में सकारात्मक प्रतिक्रिया पाश कहा जाता है। गणितीय रूप से, सकारात्मक प्रतिक्रिया की उपस्थिति जोखिम में तेजी से वृद्धि की ओर ले जाती है, जो मानव अस्तित्व वक्र के आकार की व्याख्या कर सकती है।

वैज्ञानिक साहित्य में उम्र बढ़ने के लिए कई स्पष्टीकरण हैं: प्रोटीन एकत्रीकरण, डीएनए क्षति, सूजन, टेलोमेरेस। लेकिन ये मूल कारण के लिए जैविक प्रतिक्रियाएं हैं, जो थर्मल और रासायनिक गिरावट के परिणामस्वरूप क्षति का संचय है। यह साबित करने के लिए कि थर्मल प्रभाव उम्र बढ़ने का कारण है, विभिन्न आंतरिक तापमान वाले लोगों का निरीक्षण करना आवश्यक है। यह संभव नहीं है, लेकिन ऐसे जीव हैं जो तत्काल परिणाम के बिना विभिन्न तापमानों के संपर्क में आ सकते हैं। नेचर के हालिया लेख में, हार्वर्ड मेडिकल स्कूल की एक टीम ने सी। एलिगेंस राउंडवॉर्म में उम्र बढ़ने की तापमान निर्भरता पर एक अध्ययन किया, जो एक सरल और अच्छी तरह से अध्ययन की जाने वाली प्रजाति है। उन्होंने पाया कि उत्तरजीविता वक्र का आकार लगभग अपरिवर्तित रहता है, लेकिन तापमान में परिवर्तन के आधार पर फैला या सिकुड़ता है। कम तापमान पर रहने वाले व्यक्तियों में लंबे समय तक जीवित रहने की अवस्था थी, जबकि उच्च तापमान पर रहने वाले कीड़ों की उम्र कम थी।

इसके अलावा, जीवित रहने की अवस्था के विस्तार का गुणांक प्रत्येक वैज्ञानिक के लिए परिचित एक योजना के अनुसार तापमान पर निर्भर करता है: थर्मल गति के तापमान पर रासायनिक बांडों के टूटने की दर की समान निर्भरता।

मैंने अपनी प्रयोगशाला में भी संबंध तोड़ने और लोगों के बीच एक संभावित संबंध देखा। जब मैंने पहली बार गोम्पर्ट्ज़-मीकाइम कानून का सामना किया, तो यह मुझे अजीब लगा। प्रयोगशाला में, एक परमाणु बल माइक्रोस्कोप का उपयोग करके, हम एकल आणविक बांड बनाए रखने की संभावना का अध्ययन करते हैं। यह माइक्रोस्कोप आपको दो अणुओं के बीच अभिनय करने वाली कमजोर शक्तियों को मापने की अनुमति देता है। एक ठेठ प्रयोग में, हम एक प्रोटीन को एक सपाट सतह और दूसरे को एक छोटे से वसंत के अंत में संलग्न करते हैं। दो प्रोटीनों को एक दूसरे से बांधने दें, फिर धीरे-धीरे अणुओं पर बल लगाने के लिए वसंत को खींचें। अंत में, दो अणुओं के बीच का बंधन टूट जाता है, और हम इस पर लागू बल को मापते हैं।

यह थर्मल गति से जुड़ी एक यादृच्छिक प्रक्रिया है, जो हर बार एक अलग ब्रेकिंग फोर्स है। लेकिन लागू बल के परिमाण पर संचार बनाए रखने की संभावना की निर्भरता का ग्राफ उम्र के साथ किसी व्यक्ति के जीवित रहने के ग्राफ जैसा दिखता है। सी। एलिगेंस के परिणामों के साथ एक विशेष रूप से महान समानता है, जो प्रोटीन और उम्र बढ़ने के बंधन के साथ-साथ उम्र बढ़ने और गर्मी के आंदोलन के बीच एक संभावित संबंध का सुझाव देती है। कुल मृत्यु। वाम: गोम्पर्ट्ज़ - मेइकाइम कानून द्वारा मानव के लिए एक जीवित चित्र। सही: लागू बल के आधार पर एकल प्रोटीन बांड के संरक्षण का ग्राफ। गणितीय रूप से, दो घटता का आकार समान है।

उम्र बढ़ने के उम्र बढ़ने के अनुसंधान समुदाय सक्रिय रूप से बहस कर रहा है कि क्या उम्र बढ़ने को एक बीमारी के रूप में वर्गीकृत किया जाना चाहिए। कई शोधकर्ता विशिष्ट बीमारियों, सेलुलर सिस्टम, या आणविक घटकों का अध्ययन कर रहे हैं, जो चाहते हैं कि उनका पसंदीदा विषय उम्र बढ़ने के कारण खराब हो जाए। लेकिन कई कारणों को सामने रखकर इस संभावना का खंडन किया जाता है। सेल एजिंग के प्रणेता लियोनार्ड हैफ्लिक ने अपने उत्तेजक शीर्षक वाले लेख में लिखा है, "जैविक उम्र बढ़ने की अब कोई अनसुलझी समस्या नहीं है," कि "सभी आधुनिक उम्र के सिद्धांतों को रेखांकित करने वाला आम भाजक आणविक संरचना में परिवर्तन है, और इसलिए कार्य करता है।" हायफ्लिक के अनुसार अंतिम कारण, "आणविक सटीकता की बढ़ती हानि या आणविक असामान्यताओं में वृद्धि है।" सटीकता की हानि और उल्लंघन में वृद्धि, उनके स्वभाव से, यादृच्छिक रूप से, और इसलिए अलग-अलग लोगों के लिए अलग-अलग होगी। लेकिन मुख्य कारण वही रहता है।

यदि आंकड़ों की यह व्याख्या सही है, तो उम्र बढ़ना एक प्राकृतिक प्रक्रिया है जिसे रोग के बजाय नैनोस्केल थर्मोफिजिक्स में कम किया जा सकता है। 1950 के दशक तक, मानव जीवन प्रत्याशा को बढ़ाने में महान सफलताएं लगभग पूरी तरह से संक्रामक रोगों के उन्मूलन से जुड़ी थीं, एक निरंतर जोखिम कारक जो विशेष रूप से उम्र पर निर्भर नहीं करता है। नतीजतन, जीवन प्रत्याशा में तेजी से वृद्धि हुई (मृत्यु के समय औसत आयु), लेकिन अधिकतम मानव जीवनकाल नहीं बदला। एक तेजी से बढ़ता जोखिम अंततः निरंतर जोखिम में किसी भी कमी से अधिक होता है। निरंतर जोखिम से निपटना उपयोगी है, लेकिन एक निश्चित सीमा तक: निरंतर जोखिम पर्यावरणीय (दुर्घटनाएं, संक्रामक रोग) है, अधिकांश घातीय बढ़ते जोखिम आंतरिक पहनने और आंसू के साथ जुड़ा हुआ है। कैंसर या अल्जाइमर को खत्म करने से हमारे जीवन में सुधार होगा, लेकिन यह हमें अमर नहीं बनाएगा या हमें अधिक समय तक जीने की अनुमति नहीं देगा।

इसका मतलब यह नहीं है कि हम कुछ नहीं कर सकते। उम्र बढ़ने के दौरान विशिष्ट आणविक परिवर्तनों पर अधिक शोध की आवश्यकता है। यह हमें दिखा सकता है कि क्या मुख्य आणविक घटक हैं जो पहले टूट गए हैं, और क्या ये उल्लंघन विफलताओं के बाद के झरना की ओर ले जाते हैं। यदि इस तरह के प्रमुख घटक उपलब्ध हैं, तो हमारे पास हस्तक्षेप और वसूली के लिए स्पष्ट लक्ष्य होंगे, संभवतः नैनो टेक्नोलॉजी, स्टेम सेल अनुसंधान या जीन संपादन के माध्यम से। यह एक कोशिश के काबिल है। लेकिन हमें स्पष्ट रूप से समझना चाहिए: हम कभी भी भौतिकी के नियमों को पार नहीं करेंगे।