物理而非生物学使衰老不可避免

哈Ha！ 我将为您呈现《 物理使衰老不可避免，而不是生物学 》一文的翻译。 彼得·霍夫曼 （ Peter Hoffmann）发表。

无论治愈多少疾病，纳米级热物理学都能确保我们灭绝

我们体内每个细胞的内部就像一个人口过多的城市，到处都是小路，车辆，图书馆，工厂，发电厂和垃圾槽。 这个城市的工人拥有可以消化食物，清除垃圾或修复DNA的蛋白质机器。 借助分子机器沿着蛋白质绳索在两条腿上移动的方式，将负载从一个位置移动到另一个位置。 这些机器在工作时，周围成千上万的水分子每秒随机撞击其中数百万次。 这是物理学家委婉地称其为“热运动”的现象，更适合于称呼巨大的热混沌。



这些分子机器如何在如此难以忍受的条件下做好工作令人困惑。 答案的部分原因是细胞中的蛋白质机器像微小的棘轮一样 ，将随机轰击水分子的能量转变为定向运动，从而使细胞起作用。 把混乱变成秩序。

四年前，我出版了一本名为《生命的棘轮 》的书，解释了分子机器如何在我们的细胞中建立秩序。 我的主要任务是展示生活如何避免陷入混乱。 令我惊讶的是，这本书出版后不久，研究生物衰老的研究人员与我联系。 起初，我没有看到这本书的主题与衰老之间的联系，因为除了对身体的衰老了解之外，我对此一无所知。

然后，从对热混沌在分子机器操作中的重要作用的理解开始，人们产生了见识，我鼓励衰老研究人员将其视为衰老的驱动力。 像分子机器的引擎一样，热运动在短期内可能有用，但从长远来看是否有害？ 实际上，在没有外部能量消耗的情况下，随机热运动往往会破坏秩序。

热力学第二定律描述了这种趋势，该定律指出，一切都在老化和崩溃：建筑物和道路在崩溃。 船舶和铁轨生锈； 山被冲入大海。 无生命的结构无法抵抗热运动的破坏力。 但是生活却不同：蛋白质机器不断修复和更新细胞。

这就是在与死亡的斗争中反对生命作为物理学的一种生物形式的意义。 那为什么生物死了？ 衰老是物理学超越生物学的最终胜利吗？ 还是衰老是生物学本身的一部分？

如果您正在寻找有关当前衰老研究水平的基础文档，则可能是彼得·梅达瓦尔爵士（ Peter Medawar）提出的“未解决的生物学问题”。 Medawar是诺贝尔生物学奖的获得者，也是文章和书籍的机智，有时是有毒的作者。 Medawar在他的书中针对衰老提出了两种相反的解释：一方面是“先天性衰老”，或者说衰老是生物学上的必需品 ；另一方面，“磨损”理论是由于“不断积累的压力不断累积”而导致的衰老。 第一个是生物学，第二个是物理学。 先天性衰老意味着衰老和死亡是旨在为新一代让路的进化产品。

先天性衰老的想法表明，在我们内部，有一个重要的时钟来计算我们的生活时间。 确实有这种手表。 最著名的是端粒 -每次细胞分裂都会缩短的DNA小片段。 研究端粒的结果是矛盾的；尚不清楚端粒缩短是衰老的原因还是结果。 端粒不会减少恒定值。 每个单元格划分都有一个最小值，如果该单元格以任何方式损坏，则最小值会更快地缩短。 许多研究人员认为，端粒缩短是衰老的标志，而不是原因。

在一场致命的战斗中，生命将生物学与物理学进行了对比

Medawar本人提倡“磨损”理论-物理学关于衰老的观点。 他说，首先，很难解释当人们停止繁殖后代时自然选择如何在老年发挥作用，而自然选择与繁殖的速度有关。 其次，没有必要故意杀害老人以减少其人数。 机会可以自己做。

Medawar认为不需要生物衰老时钟。 为了说明原因，他举了一个非生物学的例子：实验室中的试管。 假设试管偶尔随机断裂并被扔掉。 为了确保稳定的管供应，每周都要购买新管。 几个月内将有多少新老试管？ 如果我们假设偶然失效的可能性不取决于年龄（合理的假设），并根据每个试管的年龄绘制试管数量的图表，则会得到类似于儿童滑梯的下降指数曲线。 死亡不衰老。 随机断裂管的生存曲线及其指数近似值（红色）的计算机模拟。 纵轴是每个年龄组的试管数量，横轴是以周为单位的试管寿命。

尽管试管不会老化（旧试管的断裂不比新试管容易），但恒定的断裂概率会大大减少旧试管的数量。 假设人们像试管一样，在任何年龄都可能死亡。 那么老年人的人数也将很少。 概率将解决问题。

问题在于为人类建立的生存曲线与Medawar管的生存曲线不同。 刚开始时它们几乎是水平的，在年轻时损失很小（新生儿除外）。 然后，从某个年龄开始，曲线开始急剧下降。 为了获得这样的曲线，必须在Medavar管道模型中再加上一个假设：随着时间的流逝，管道必须积累细小的裂缝，从而增加了破裂的可能性。 换句话说，它们应该变老。 如果击穿的概率成倍增加，我们将获得一条由Gompertz-Meikheim定律描述的曲线。 该法则很好地描述了人类的生存曲线。 与试管一样，定律还包括不断增加的故障概率。 对于人们来说，死亡的可能性在达到30年后每隔7年开始增加一倍，就可以观察到指数增长。

这种指数增长的原因是什么？ 热运动不是我们细胞中损坏的唯一来源。 一些规则的过程，特别是我们线粒体中的新陈代谢， 并不理想 ，它们倾向于产生自由基 -高活性化合物，会破坏DNA 。 热噪声和自由基的形成共同造成细胞损伤的背景风险。 损伤通常会恢复 ，如果细胞无法恢复，则会开始自杀过程- 细胞凋亡 ，然后干细胞将其替换。

消除癌症或老年痴呆症可以改善生活，但不会使我们长生不老，甚至不能让我们寿命更长

但是，损坏会随着时间而累积。 仅当有完整拷贝要复制时，才能还原DNA。 受损的蛋白质转过来并开始粘附在一起，形成聚集体 。 细胞防御和细胞凋亡被破坏。 “衰老细胞”开始在器官中积聚，从而导致炎症 。 干细胞未激活或已耗尽。 线粒体通过减少能量供应而受损，而能量供应对于分子修复DNA的分子机器的功能是必需的。 这是一个恶性循环 ，用技术上的话来说就是正反馈循环。 从数学上讲，正反馈的存在会导致风险呈指数级增长，这可以解释人类生存曲线的形状。

科学文献中有许多关于衰老的解释：蛋白质聚集，DNA损伤，炎症，端粒。 但这是根本原因的生物反应，其是热降解和化学降解导致积累的损害。 为了证明热效应确实会导致老化，有必要观察内部温度不同的人。 这是不可能的，但是有些生物可以暴露在不同的温度下而不会立即造成后果。 在《自然》杂志的一篇最新文章中，哈佛医学院的一个研究小组对秀丽隐杆线虫round虫（一种简单且经过充分研究的物种）的温度依赖性进行了研究。 他们发现，生存曲线的形状几乎保持不变，但会随着温度的变化而伸展或收缩。 生活在较低温度下的个体的生存曲线较长，而生活在较高温度下的蠕虫的生存期较短。

此外，根据每个科学家熟悉的方案，生存曲线的膨胀系数取决于温度：化学键的断裂速率对热运动温度的依赖性相同。

即使在我的实验室里，我也看到了打破联系和老龄化之间的潜在联系。 当我第一次遇到Gompertz-Meikheim法则时，这对我来说似乎很奇怪。 在实验室中，我们使用原子力显微镜研究了维持单个分子键的可能性。 该显微镜可让您测量两个分子之间作用的弱力。 在一个典型的实验中，我们将一种蛋白质附着在平坦的表面上，将另一种蛋白质附着在小弹簧的末端。 让两种蛋白质相互结合，然后缓慢拉动弹簧以向分子施加力。 最后，两个分子之间的键断裂，我们测量施加在其上的力。

这是与热运动相关的随机过程，每次破坏力不同。 但是，保持交流的概率与所施加的力的大小的关系图与人的年龄随年龄变化的图相同。 与秀丽隐杆线虫的结果特别相似，表明蛋白质的断裂键与衰老之间以及衰老与热运动之间可能存在联系。 完全死亡。 左：根据Gompertz – Meikheim定律近似的人类生存图。 右图：根据所施加的力，单个蛋白质键的保守性图。 在数学上，两条曲线的形状相同。

衰老研究界正在积极辩论是否应将衰老归为疾病。 许多研究特定疾病，细胞系统或分子成分的研究人员希望他们最喜欢的对象穿上老化原因的外衣。 但是，提出的众多理由驳斥了这种可能性。 细胞衰老的发现者伦纳德·海弗里克（Leonard Hayflick）在题为“生物衰老不再是一个尚未解决的问题”的文章中指出，“所有现代衰老理论的基础是分子结构的改变，因此起作用。” 根据Hayflick所说，最终的原因是“分子准确性的下降或分子异常的增加。” 这种准确性的损失和违规行为的增加，就其本质而言，将是随机发生的，因此对于不同的人而言是不同的。 但是主要原因仍然是一样的。

如果对数据的这种解释是正确的，则老化是自然过程，可以简化为纳米级热物理学而不是疾病。 直到1950年代，在提高人类预期寿命方面的巨大成就几乎完全与消除传染病有关，而传染病是一个持续的危险因素，并不特别取决于年龄。 结果，预期寿命急剧增加（死亡时的平均年龄），但人类的最大寿命没有改变。 呈指数增长的风险最终超过了恒定风险的降低。 处理恒定风险是有用的，但在一定程度上：恒定风险是环境（意外事故，传染病），大多数呈指数增长的风险与内部磨损有关。 消除癌症或老年痴呆症可以改善我们的生活，但这不会使我们长生不老，甚至不能让我们寿命更长。

这并不意味着我们无能为力。 需要对衰老过程中特定分子的变化进行更多研究。 这可以告诉我们是否首先破坏了关键的分子成分，以及这些违反行为是否导致随后的一系列失败。 如果有这样的关键组成部分，那么我们将有可能通过纳米技术，干细胞研究或基因编辑制定明确的干预和恢复目标。 值得一试。 但是我们必须清楚地了解：我们永远不会克服物理定律。