CC BY
101
УДК 577.4 А.А. Машанов, Б.Н. Варава
АДАПТАЦИОННЫЕ РЕАКЦИИ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА НА КЛЕТОЧНОМ УРОВНЕ К НОВЫМ ЭКОЛОГИЧЕСКИМ УСЛОВИЯМ
В статье рассмотрены теоретические и практические подходы к изучению адаптации человека к новым экологическим условиям.
Современная жизнь характеризуется чрезвычайной потребностью в адаптации человека из-за влияния быстро меняющихся экологических, социальных и технологических условий.
Проблема адаптации широко обсуждается в научных кругах - среди медиков, физиологов, экологов, педагогов, психологов, философов, экономистов, социологов.
Теоретическое и практическое значение проблемы адаптации современного человека и ее многоплановая социальная детерминированность все более возрастают в связи с развитием науки и техники. В современных социальных условиях происходит ускорение изменений в жизни, труде, быту людей, ритме жизнедеятельности, морфофизиологическом развитии, двигательной активности человека, мобильности и миграции населения, освоении новых видов производств, проникновении в космос, глубины океана и т.д. Все это требует новых форм и темпов физиологической и психической адаптации, технических средств приспособления человека к быстро и резко меняющимся условиям. Поэтому адаптация человека затрагивает широкий спектр различных социальных, географических, психологических, биологических закономерностей и их взаимосвязей.
Термин «адаптация» широко и по-разному применяется в различных областях естественных, гуманитарных, социальных, медицинских, биологических и психологических наук. Именно поэтому он не является однозначным и в разных случаях обозначает различные явления. Наиболее общим можно считать следующее определение: адаптация - это динамический процесс, благодаря которому подвижные системы живых организмов, несмотря на изменчивость условий, поддерживают устойчивость, необходимую для существования, развития и продолжения рода. Именно механизм адаптации, выработанный в результате длительной эволюции, обеспечивает возможность существования организма в постоянно меняющихся условиях среды.
Адаптации достигается сохранением гомеостаза при взаимодействии организма с внешним миром. В этой связи процессы адаптации включают в себя не только оптимизацию функционирования, но и поддержание сбалансированности в системе «организм - среда». Процесс адаптации реализуется всякий раз, когда в системе «организм - среда» возникают значимые изменения, и обеспечивает формирование нового гомеостатического состояния, которое позволяет достигать максимальной эффективности физиологических функций и поведенческих реакций. Поскольку организм и среда находятся не в статическом, а в динамическом равновесии, их соотношение меняется постоянно, следовательно, также постоянно должен осуществляться процесс адаптации.
Вопросы адаптации привлекали внимание ученых не одно десятилетие. Исследованиям приспособительных реакций посвящены работы К. Бернара, Н.Е. Введенского, И.П. Павлова, У. Кенона, Э.С. Бауэра, И.И. Шмальгаузена, Г. Селье, В.П. Казначеева, П.К. Анохина, Э.С. Маркаряна, Ф.З. Меерсон, Г.В. Булыгина и многих других.
Изучение адаптации человека на физиологическом уровне к новым экологическим условиям позволяет уточнить механизмы регуляции жизнеобеспечения организма, оценить резервные возможности отдельных его систем. Одним из методологических приемов, используемых с этой целью, является исследование процессов адаптации при быстрых перемещениях человека в контрастные по отношению к привычным для него условиям проживания (Матюхин В.А. с соавт., 1999).
Регионы Крайнего Севера занимают значительную часть территории нашей страны и характеризуются сложными, а во многом и экстремальными экологическими условиями, ухудшающимися по мере развития в них промышленности. Они предъявляют повышенные требования к организму проживающего там человека, включению сложного комплекса приспособительных реакций (Казначеев В.П., 1978-1994; Панин Л.Е., Соколов В.П., 1986 и др.)
Иммунная система принимает самое активное участие в адаптационных реакциях организма (Горизонтов В.П., 1981; Гольдберг Е.Д. с соавт., 1983-1990 и др.). Известны и разнообразные изменения, происходящие в ней при переезде человека в новые экологические условия, в том числе и в условия Севера (Сапов И.А., Новиков А.С., 1984; Куликов В.Ю., Ким Л.Б., 1987).
От функциональной активности лимфоцитов зависит способность организма к реализации иммунного ответа, а полноценное проявление этих функциональных возможностей происходит только при соответствующем состоянии внутриклеточного метаболизма (Нарциссов Р.П., 1976-1992; Робинсон М.В. с соавт., 1986; Труфакин В.А. с соавт., 1995) и мембран клеток, которое в значительной степени обусловлено их липидным спектром (Извекова В.А., 1991; Булыгин Г.В. с соавт., 1998).
В процессе исследования, проведенного в Заполярье в зимний период года, изучены показатели липидного спектра методом тонкослойной хроматографии и активность ряда ферментов биолюминесцентным и цитохимическим методами в лимфоцитах 72 здоровых мужчин 18-25 лет в динамике начального периода адаптации (до 1,5 лет). Перечисленные показатели лимфоцитов сопоставлены с концентрацией кортизола и инсулина в сыворотке крови, содержанием катехоламинов в лейкоцитах крови и гематогеническими показателями (лейкограмма, гематокрит, СОЭ). Проведен анализ структуры популяции Т-лимфоцитов крови обследованных мужчин с определением методом розеткообразования и теофиллинового теста общего содержания Т-клеток, их регуляторных субпопуляций (Т-хелперы, Т-супрессоры) и пре-Т-лимфоцитов.
В результате исследований получены подтверждения активного участия лимфоцитов в осуществлении реакций приспособления организма к новым условиям проживания. Установлено, что характерной чертой этого приспособления является увеличение общего числа лимфоцитов в периферической крови уже через несколько дней после переезда обследованных лиц в новый регион с последующими колебательными изменениями данного показателя и тенденций приближения его к уровню, отмеченному у представителей второго и третьего поколений пришлого населения Севера.
Количественные изменения популяции лимфоцитов периферической крови обследованных мужчин сопровождались перестройками в их липидном спектре, активности внутриклеточных ферментов. При сопоставлении изменений липидного спектра лимфоцитов и активности в них дегидрогеназ установлено, что выраженность приспособительных реакций со стороны структурно-метаболических параметров клеток достигла максимума через 4-6 дней после переезда обследованных лиц на Север. Нами в эти сроки адаптации отмечались наибольшие изменения в лимфоцитах: как количества общих липидов и их различных фракций (СЖК, ТГ, ЛФЛ, СФМ), так и активности ряда ферментов (ЛДГ, СДГ, Г3ФДГ). В следующие сроки обследования (10 и 20 дней) отмечена динамика многих липидных и ферментных показателей, но в дальнейшем выраженность изменений и их синхронность постепенно уменьшались.
Изучение структурно-метаболических показателей позволило установить некоторые механизмы субклеточных перестроек лимфоцитов в динамике адаптации, которые обеспечивают их функциональные возможности: усиление обмена липидов в клетках, поочередная интесификация в них процессов липолиза или липогенеза и повышение в их мембранах трудноокисляемых липидов и холестерина в разные сроки адаптации, активация внутриклеточных ферментов, особенно работающих в энергопродуцирующих циклах. Изменения внутриклеточных процессов лимфоцитов происходили на фоне изменений факторов регуляции - концентрации кортизола и инсулина в сыворотке крови обследованных мужчин и содержания катехоламинов в лейкоцитах.
Исследование состава популяции Т-лимфоцитов переферической крови позволило установить наличие с ее стороны выраженных приспособительных реакций при адаптации человека к условиям Заполярья. Максимальные изменения в течение адаптации были зарегистрированы со стороны количества Т-хелперов и незрелых Т-лимфоцитов, увеличение которых отмечалось через 6-10 дней после переезда обследованных мужчин на Север; показатели сохранялись на высоком уровне до окончания периода наблюдений, причем наиболее выраженное повышение числа пре-Т-клеток наблюдалось в течение первого месяца адаптации.
Известно, что под влиянием антигенной стимуляции, несомненно усиливающейся при переезде человека в новые условия проживания и встрече при этом с новой микрофлорой, популяция лимфоцитов периферической крови способна достаточно быстро обновляться, вначале пополняясь высокоактивными клетками резерва из вторичных лимфоидных органов и усиления пролиферации лимфоцитов, а затем - при сохранении стимулирующих воздействий - и недостаточно дефференцированными, незрелыми в функционналь-ном плане клетками из первичных органов иммунной системы.
Установленные изменения липидного спектра клеток и внутриклеточного метаболизма, корреляции их с функциональным состоянием иммунной системы определяют вопрос: в какой степени структурнометаболические параметры лимфоцитов периферической крови зависят от изменений обменных процессов в самих клетках, происходящих под воздействием регуляторных влияний организма, и насколько они обусловлены изменениями их популяционного состава, отмечаемыми в процессе адаптации?
Для оценки функциональных особенностей популяции лимфоцитов, циркулирующих в периферической крови человека на разных этапах адаптации человека к новым экологическим условиям, нами была
проведена экспериментальная оценка состояния лимфоцитов по их метаболическому ответу на несколько биологически активных веществ (БАВ). В качестве метаболического ответа оценивалось изменение показателей активности ферментов в выделенных из крови лимфоцитах, находящихся во взвеси в физиологическом растворе NaCL, после их инкубации в течение 1 часа при 370С с адреналином, кортизолом, инсулином и простагландином Е2 в максимальной физиологической концентрации. Для определения изменений внутриклеточного метаболизма на неспецифическое раздражение использовались показатели ферментов после инкубации клеток при тех же условиях, но без добавления в инкубационную среду биологически активных веществ.
В результате исследований установлено влияние инкубации на активность внутриклеточных ферментов; причем повышение или снижение уровня изученных нами ферментов, что мы учитывали в качестве метаболического ответа на инкубацию, часто не совпадали с динамикой соответствующих энзиматических показателей на разных этапах адаптационного процесса.
Наиболее существенные изменения среди всех изученных нами в этом эксперименте энзимов (Г6ФДГ, Г3ФДГ, ЛДГ, МДГ) отмечены со стороны Г6ФДГ - фермента пентозофосфатного пути окисления глюкозы; уровень этой дегидрогеназы, по мнению ряда авторов (Рагимов и др.), является маркерным показателем функциональных возможностей лимфоцитов. Одно из физиологических значений этого метаболического пути заключается в том, что в нем образуются пентозы, необходимые для синтеза РНК, в связи с чем активность ключевого фермента цикла Г6ФДГ особенно высока в растущих и пролиферирующих клетках.
Метаболический ответ лимфоцитов на неспецифическое раздражение (инкубация в течение 1 часа при 370C без БАВ) проявлялся в виде повышения активности Г6ФДГ при снижении уровня других ферментов по отношению к контрольному уровню - соответствующим их показателям в тот или иной срок адаптации. Наиболее высокий уровень активности Г6ФДГ отмечался в лимфоцитах после их инкубации у мужчин, обследованных через 4-6 и 30 дней после переезда в условия Заполярья и после 1 года проживания их в новых условиях. Другие изученные нами внутриклеточные ферменты лимфоцитов после инкубации клеток без БАВ практически не изменяли свою активность по отношению к контрольному уровню.
Внесение адреналина в инкубируемую взвесь лимфоцитов также проявлялось в основном активацией Г6ФДГ, причем в те же сроки адаптации, что и при инкубации без БАВ. Наиболее выраженное повышение активности фермента совпадало по времени с повышением содержания катехоламинов в лейкоцитах. Активность других внутриклеточных дегидрогеназ лимфоцитов не отличались ни от контрольного уровня, ни от их показателей, полученных при инкубации без БАВ (за исключением МДГ, проявившей тенденцию к повышению активности после трех недель адаптации).
Добавление к клеткам простагландина Е2 вызывало подобный ответ со стороны метаболических процессов в лимфоцитах. К особенностям этого ответа относилось то, что повышение активности Г6ФДГ было значительно более выраженным, чем при инкубации с адреналином, и то, что максимальные его значения отмечены в срок адаптации 17-20 дней, то есть совпадали со сроком максимального увеличения активности данного фермента в динамике адаптации.
Наиболее выраженный метаболический ответ проявлялся при инкубации клеток с инсулином и кортизолом. Вновь самые существенные изменения были отмечены для активности Г6ФДГ, уровень которой повышался при инкубации с гормонами лимфоцитов, выделенных из крови уже в первый день после переезда обследованных мужчин на Север, а при увеличении срока адаптации (2,5-3 недели) наблюдался метаболический ответ, в несколько раз превышающий по своему уровню параметры ответа на температурную стимуляцию лимфоцитов или при инкубации их с адреналином, простагландином.
На стимуляцию инсулином лимфоциты отвечали наиболее резкой и достаточно стабильной в течение первого месяца адаптации активацией внутриклеточной Г6ФДГ; наряду с этим показателем изменялась активность и других ферментов - ЛДГ и МДГ (чего почти не встречалось при действии других БАВ). При этом, если Г6ФДГ почти в течение всего изученного адаптационного периода была выше, чем в не стимулируемых in vitro клетках или при их неспецифической стимуляции температурным воздействием, то для двух других ферментов отмечен период значительной активации после трех недель адаптации к условиям Севера. Обращает на себя внимание тот факт, что динамика концентрации инсулина в крови мужчин, лимфоциты которых использовались в эксперименте, не совпадала со сроками наиболее выраженного на него метаболического ответа лимфоцитов, а в ряде случаев прямопротивоположной.
Воздействие кортизола вызвало подобные изменения активности внутриклеточных ферментов лимфоцитов, начальные изменения показателей (Г6ФДГ, МДГ) отмечались в первый день после переезда обследуемых на Север, а максимально выраженный метаболический ответ на кортизол зафиксирован в срок 2,5 недели (для Г6ФДГ - в 10,5 раз выше, чем в первый день адаптации). При этом не наблюдалось корре-
ляции между динамикой концентрации кортизола в сыворотке крови обследуемых мужчин и выраженностью ответа лимфоцитов на инкубацию их с данным гормоном.
Полученные данные позволили сделать заключение о том, что перестройки популяционного состава лимфоцитов крови здоровых мужчин, происходящие в процессе их адаптации к условиям Заполярья в зимний период года, сопровождаются выходом в периферическую кровь клеток, рецепторный аппарат которых в течение первых полутора-трех недель адаптации не способен достаточно адекватно реагировать на гуморальные факторы регуляции. Наиболее ярким подтверждением этого является тот факт, что, например, повышение активности Г6ФДГ и других ферментов, наблюдаемое в результате неспецифической стимуляции в срок 4-6 недель адаптации, является наиболее выраженным, а повышение ферментной активности под влияние стимуляции любого из использованных в исследовании БАВ не достигает указанного уровня. Особенности рецепторного аппарата лимфоцитов, по-видимому, ограничивают возможности регуляции его внутриклеточных процессов со стороны целостного организма и собственные регуляторные механизмы клетки.
Несбалансированность основных гомеостатических систем организма - нейроэндокринной и иммунной, по-видимому, является одной из причин функциональной несостоятельности иммунитета, проявляющейся наиболее часто повышением числа инфекционно-воспалительных заболеваний и обострением хронической патологии в течение первого месяца адаптации человека.
Гомеостаз системы выражается в способности организма поддерживать относительное постоянство внутренних структурных элементов системы при воздействии факторов внешней среды.
Известные стандартные количественные методы (от корреляционного анализа до более сложных статистических методов) не всегда позволяют эффективно решать указанную методико-биологическую задачу. В подобных условиях приходится использовать достаточно специфические математические методы, позволяющие обнаружить более глубинные связи и закономерности адаптационных процессов, поддерживающих общий гомеостаз систем организма в изменяющихся условиях внешней среды. В свою очередь это стимулирует и разработку новых математических методов, позволяющих количественно оценить основные маркеры здоровья человека.
Для изучения динамики показателей гомеостаза в различных экологических условиях при оценке состояния липидных фракций и активности ферментов лимфоцитов крови нами использовался модифицированный метод Прони.
Метод Прони позволяет осуществлять идентификацию модели указанного процесса по наблюдениям за его динамической характеристикой на равномерной или приведенной к равномерной сетке клиниколабораторных данных наблюдений. Например, регистрируемые показатели системы через час, сутки, месяц и т.д. Недостатком метода является его сильная чувствительность к малым изменениям исходных клинико-лаборотарных данных. Новая разработанная модификация метода Прони удобна при прогнозировании динамики процессов гомеостатического типа, динамическая характеристика которых с течением времени под действием тех или иных факторов либо возвращается к прежнему уровню, либо стабилизируется к новому (адаптационному) уровню.
В рамках модифицированного метода Прони для наиболее применяемых в практике дифференциальных уравнений второго и третьего порядка исследованы и описаны зоны устойчивости алгоритма к малым изменениям исходных клинико-лабораторных данных. Это позволяет применять его при математическом описании и прогнозе динамики процессов адаптации, а также количественной оценке и прогнозировании значений физиологических норм гомеостаза организма с учетом экологических условий внешней среды.
Новая модификация метода Прони реализуется в виде алгоритмов идентификации указанного класса моделей и программного обеспечения (с использованием среды разработки Borland C ++ Builder 5).
Литература
1. Булыгин, Г.В. Метаболические основы регуляции иммунного ответа / Г.В. Булыгин, Н.И. Камзалакова, А.В. Андрейчиков. - Новосибирск, 1999. - 346 с.
2. Казначеев, В.П. Адаптация и конституция человека / В.П. Казначеев, С.В. Казначеев. - Новосибирск: Наука, 1986. - 118 с.
3. Меерсон, Ф.З. Адаптация к стрессорным ситуациям и физическим нагрузкам / Ф.З. Меерсон, М.Г. Пшен-никова. - М.: Медицина, 1988. - 254 с.
4. Варава, Б.Н. Количественная оценка некоторых показателей функционально-метаболических параметров при адаптации человека к новым экологическим условиям / Б.Н. Варавва, А.А. Машанов. - Красноярск, 2000.
