Еще в начале XX в. физиологи обратили внимание на то, что крупные млекопитающие живут дольше, чем мелкие. Например, мышь живет 3,5 года, собака – 20 лет, слон – 70. Такая зависимость объяснялась разной интенсивностью обмена веществ. Средняя суммарная затрата энергии на единицу массы тела у разных млекопитающих в течение жизни примерно одинакова – 200 ккал/г. Каждый вид способен переработать лишь определенное количество энергии – исчерпав ее, он погибает.

Интенсивность обмена веществ и общее потребление кислорода зависят от размера животного. Существует обратная зависимость между интенсивностью обмена веществ и продолжительностью жизни. Малая масса тела и высокий обмен веществ обусловливают небольшую продолжительность жизни. Однако из данного простого правила существует немало исключений. Например, суммарные затраты энергии, приходящиеся на единицу массы тела, у человека очень высоки, а продолжительность жизни в четыре раза больше, чем должна быть при соответствующем таким затратам обмене веществ. С чем это связано – выяснилось сравнительно недавно. Причина кроется в одном важном факторе, определяющем продолжительность жизни, – парциальном давлении кислорода. Концентрация кислорода в воздухе составляет около 20,9%. Ощутимое изменение данной концентрации приводит к гибели живых организмов. То, что нехватка кислорода губительна для живого, известно многим, а вот об опасности его избытка знают немногие. Чистый кислород убивает лабораторных животных в течение нескольких дней, а при давлении 2–5 атм такой срок сокращается до часов и минут.

Предполагается, что атмосфера Земли в ранний период ее развития не содержала кислорода. Насыщенная кислородом атмосфера Земли образовалась примерно 1,4 млрд лет назад в результате жизнедеятельности примитивных организмов, способных к фотосинтезу. Они поглощали солнечную энергию и углекислый газ, выделяя кислород. Жизнедеятельность данных организмов создала таким образом основу для возникновения большого многообразия других живых организмов, потребляющих кислород для дыхания.

Сама по себе молекула кислорода и продукт ее полного восстановления – вода – не токсичны. Однако восстановление кислорода сопровождается образованием повреждающих клетки продуктов: супероксидного анион-радикала, перекиси водорода и гидроксильного радикала. Их называют активными формами кислорода. На их образование расходуется около 5% потребляемого организмом кислорода. Ферменты снижают вредное действие активных форм на клетки. Основную роль при этом играет фермент супероксиддисмутаза, превращающий супероксидные анион-радикалы в более безобидную перекись водорода и в молекулярный кислород. Перекись водорода тут же разрушается другими ферментами – каталазой и пероксидазами.

Известна и положительная роль активных форм кислорода – они способны защищать организм от микробов и даже от некоторых опухолей. Но все же их повышенное содержание приводит к разрушению клеток. Результаты исследований последнего времени показали, что скорость производства активных форм кислорода замедляется углекислым газом, содержащимся в крови. А это означает, что для жизнедеятельности организма необходим и углекислый газ, предотвращающий разрушение клеток.

Выяснение механизма обезвреживания активных форм кислорода способствовало пониманию некоторых проблем радиобиологии, онкологии, иммунологии и т. п. Родилась свободнорадикальная теория старения, в соответствии с которой возрастные изменения в клетках обусловливаются накоплением в них повреждений, вызываемых свободными радикалами – осколками молекул с неспаренными электронами и обладающих в результате этого повышенной химической активностью. Свободные радикалы могут образовываться в клетках под действием радиации, некоторых химических реакций и перепадов температуры. Но все же главный источник свободных радикалов – восстановление молекулы кислорода.

Накопление возрастных изменений в клетках зависит от соотношения двух процессов: образования свободных радикалов и их обезвреживания с помощью супероксиддисмутазы– «фермента антистарения». Количество свободных радикалов, образующихся в клетке, вероятно, возрастает с повышением уровня потребления кислорода или интенсивности обмена веществ. Предполагается, что продолжительность жизни животных и человека зависит от отношения активности супероксиддисмутазы к интенсивности обмена веществ. Высокий уровень активности «фермента антистарения» защищает человека и некоторых животных с интенсивным обменом веществ от преждевременного старения.