CC BY
20
УДК 636.028:591
Ключевые слова: онтогенез, энтропия, адаптация, старение
Key words: ontogeny, entropy, adaptation, aging
Арешидзе Д. А., Тимченко Л. Д.
ИНФОРМАЦИОННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОРГАНОВ БЕЛЫХ КРЫС В РАЗЛИЧНЫЕ ПЕРИОДЫ ОНТОГЕНЕЗА
INFORMATION CHARACTERISTIC OF ORGANS OF WHITE RATS IN DIFFERENT PERIODS OF ONTOGENY
ТОУ ВПО «Московский государственный областной университет» Адрес: 105005, Россия, г. Москва, ул. Радио, 10/а
'Moscow State Regional University. Address: 105005, Russia, Moscow, Radio str., 10/a 2ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет» Адрес: 355029, Россия, г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2 2North Caucasus Federal University. Address: 355029, Russia, Stavropol, Kulakov pr., 2
Арешидзе Давид Александрович, к. б. н., ст. научн. сотрудник НОЦ Биологии клетки и прикладной биотехнологии1 Areshidze David A., Ph.D. in Biological Sciences, Senior Researcher of Center of Cell Biology and Applied Biotechnology1 Тимченко Людмила Дмитриевна, д. в. н., проф., академик РАЕН, зав. ПНИЛ «Экспериментальной иммуноморфо-логии, иммунопатологии и иммунобиотехнологии» НИИ прикладных биотехнологий Института живых систем2 Timchenko Lyudmila D., Doctor of Veterinary Science, Professor, Member of the Russian Academy of Natural Sciences,
Head of the Problem Scientific Research Laboratory "Experimental immunomorphology immunopathology and immunobiotechnology" of the Scientific Research Institute of Applied Biotechnology of the Institute of Living Systems2
Аннотация. Было исследовано информационное состояние органов белых крыс в репродуктивном периоде онтогенеза и периоде выраженных старческих изменений. Информационное состояние органов, отражающее уровень адаптационных ресурсов организма, различно в рассмотренные периоды онтогенеза. Установлено, что с возрастом системы исследованных органов имеют тенденцию к разрушению, утере структурной целостности и функциональной взаимосвязи элементов, снижению пороговых и предельных параметров, повышению уровня опасности срыва компенсаторных процессов, уменьшению адаптационных резервов системы и уменьшению организации систем.
Summary. The paper presents the results of the study on the information state of the organs of white rats in reproductive period of ontogeny and in the period of evident age-related changes. The information state of organs reflecting the level of adaptative resources of the body is different in the considered periods of ontogeny. It is established that the systems of examined organs have age-dependent tendencies toward the destruction, the loss of integrity and functionality, the reducing of threshold and limit parameters, the rise of the danger level of compensatory processes failure, the reducing of adaptative reserve of the system as well as systems organization.
Введение
Изучение онтогенетических преобразований в организме млекопитающих, механизмов их реализации на различных уровнях организации от молекулярного до системного остаются одним из наиболее актуальных вопросов современной биологии.
Изменения в пре- и постнатальном онтогенезе все чаще рассматриваются как явления, вызванные динамикой адаптационно-регенераторных возможностей живых систем различного иерархического уровня [8, 10]. В то же время одним из ключевых для активно развивающихся отраслей медицины и биологии стало понятие «информация». Теория
информации находит применение в разрешении узловых вопросов не только технических, но и естественных наук. В то же время применение теории информации в биологии до сих пор остается во многом фрагментарным.
Ряд авторов не исключает существование прямой связи изменения информационного состояния системы с развитием патологических процессов в различные периоды онтогенеза. В ряде исследований показано, что частота манифестации различных патологий, а также напряженность физиологических процессов, в том числе иммунобиологическая реактивность, подчиняются опре-
деленной онтогенетической цикличности [5, 8]. Показано, что при повреждениях и при адаптационном реагировании в биосистемах происходит перераспределение энергоинформационных потоков, сопровождающих процессы структурной перестройки тканей [8].
Онтогенетические изменения важнейшей информационной характеристики тканевых систем - энтропии, выступающей в качестве меры неопределенности состояния или поведения системы в данных условиях, исследованы недостаточно, традиционно большая часть исследований посвящена системам на поздних этапах развития. Имеется ряд сообщений о взаимосвязи старения с возрастными энергоинформационными изменениями [7, 10]. Учитывая, что с возрастом энтропия тканевых систем неуклонно возрастает [3, 6], справедливо предположить изменения этого критерия, отражающего состояние адаптационных и регенераторных способностей организма и тканевого гомеостаза, в те периоды онтогенеза, когда отмечаются манифестации того или иного патологического процесса.
Несмотря на успехи в изучении причин возникновения и течения заболеваний, в том числе онкологических, современная наука не в состоянии однозначно ответить на вопрос о том, почему относительная частота тех или иных заболеваний возрастает в определенные этапы онтогенеза. При этом, независимо от вида патологического процесса, не существует однозначных адекватных критериев, позволяющих определить переход от состояния нормы к патологии, исследователю или специалисту-практику не представляется возможным достоверно дать прогноз относительно будущего наблюдаемой им тканевой системы.
Данные о закономерностях онтогенетической изменчивости, свидетельствующие об определенной критичности отдельных этапов развития, разноречивы. Это, очевидно, связано с тем, что подходы к оценке степени критичности периодов онтогенеза весьма разнообразны. Представляются актуальными разработка и внедрение новых критериев, позволяющих глубже понять изменения, происходящие в организме в онтогенезе. Наличие такого рода критериев обеспечит
более точное управление процессами онтогенеза, существенно повысит эффективность профилактики, рациональной диагностики и лечения патологий. В связи с вышеизложенным, глобальной проблемой является выявление закономерностей онтогенетической изменчивости информационного состояния органов млекопитающих, комплексно характеризующих их регенераторно-адапта-ционные способности, восприимчивость к воздействию нормальных и патологических факторов внешней и внутренней среды, в том числе и к биостимуляции.
В связи с этим представлялось актуальным изучить информационное состояние органов крыс линии Вистар в репродуктивном периоде онтогенеза и в периоде выраженных старческих изменений (по Западнюк И. П.) [4].
Материалы и методы
Для исследования онтогенетической изменчивости информационного состояния печени крыс нами были использованы органы 260 белых крыс линии Вистар - 130 в репродуктивном периоде онтогенеза, и столько же в период выраженных старческих изменений. После приготовления гистологических препаратов стандартными методами с окраской гематоксилин-эозином были исследованы: печень, почки, легкие, миокард, гладкая и скелетная мускулатура, кожа, желудок, поджелудочные железы, яичники и эндометрий.
Исходя из представления об информации в тканевой системе как об отражении разнообразия функции и морфологии процесса, предложенными и апробированными для оценки информационного состояния органов и тканей были следующие показатели - информационная морфологическая емкость (Нтах), информационная морфологическая энтропия (Н), информационная морфологическая организация относительная морфологическая энтропия (^ и избыточность (К) [1, 2]. При этом исходные характеристики, по которым рассчитываются эти параметры, могут варьировать достаточно широко (линейные размеры структур, их количество и др.). В нашем исследовании определялся объем ядер клеток исследованных органов. Кариометрии подвергались ядра клеток, соб-
ственно выполняющие основную функцию органа.
Информационная морфологическая емкость Hmax, т. е. максимальное структурное разнообразие, вычисляется по формуле [1, 2]: H = logn,
max <^2 3
где n - количество классов.
Затем производится расчет реального структурного разнообразия Н. Реальное структурное разнообразие является тем параметром, который ясно иллюстрирует степень детерминированности морфофунк-циональной системы во времени и пространстве [1, 2].
Расчет производился по формуле: Н = -ZPIlog2Pi,
где £Pi - сумма вероятностей пребывания измеряемого параметра клеток в одном из представленных классов;
log2Pi - логарифм вероятности пребывания в одном из возможных классов.
При этом величина PI определяется как классическая вероятность (Автандилов Г. Г., 1980; 1982; 1986; 2002; 2006).
Зная максимальное и фактическое структурное разнообразие, можно рассчитать организацию системы (S), т. е. разницу между максимально возможным и реальным структурным разнообразием (реализованное структурное разнообразие). Этот параметр, по-нашему мнению, отображает состояние адаптационных возможностей системы на данный момент. Для определения величины этого параметра использовалась формула [1,2]:
S = H - H.
max
Следует учитывать, что при Н = Hmax система считается детерминированной, но такое соотношение для подавляющего большинства органов допустимо только теоретически.
Затем определяется коэффициент относительной энтропии системы или (коэффициент сжатия информации) h по формуле [1, 2]: H = H / H .
max
Высокий уровень относительной морфологической энтропии свидетельствует о неупорядоченности системы и значительном снижении уровня ее структурной целостности (Автандилов Г. Г., 1990; 2002).
Коэффициент относительной организации системы (коэффициент избыточности) R определяется по формуле [1, 2]:
R = @ / Нтах) х 100 % = (1 - ^ / 100) %.
Достоверность различий исследованных параметров в различные периоды онтогенеза определялась с применением ^критерия Стьюдента.
Результаты и обсуждение
Для печени крыс в репродуктивном периоде характерными являются следующие показатели: Н составил 3,32±0,0003 бит,
мах 3
показатель Н был равен 2,552±0,014 бит, соответственно, S составил 0,768±0,0014 бит, h - 0,7686±0,0044 бит, R равнялся 23,13± 0,45 % (рис. 1, 2, 3).
В период старческих изменений в печени крыс при Нмах, равном 3,32±0,0003 бит, величина Н возрастает до 2,732±0,01 бит, S снижается до 0,588±0,01 бит, h увеличивается до 0,8229±0,003 бит, но при этом происходит снижение величины R до 17,71±0,3 %.
Легкие крыс в репродуктивном периоде характеризуются величиной Н , составля-
мах
ющей 2,58±0,0001 бит, величина Н составляет 1,15±0,02 бит, S равна 1,43±0,02 бит, h - 0,4457±0,008 бит, а R - 55,43±0,79 %.
В период старческих изменений в легких при Нмах, равном 2,58±0,0001 бит, величина Н возрастает до 1,493±0,016 бит, S снижается до 1,087±0,016 бит, h увеличивается до 0,5788±0,006 бит, также происходит снижение величины R до 42,12±0,61 %.
Для эпителия почечных канальцев крыс в репродуктивном возрасте величина Нмах была равна 2,807±0,0001 бит, Н в этот период онтогенеза составляет 2,08±0,022 бит, S - 0,7256±0,022 бит. Величина h была равна 0,7412±0,007 бит, а R - 22,88±0,78 %.
В период старческих изменений в почечном эпителии при Нмах, равном 2,807±0,0001 бит, величина Н возрастает до 2,358±0,016 бит, h - до 0,84±0,005 бит, а величины S и R снижаются до 0,4492±0,016 бит и 16,0± 0,56 % соответственно.
Анализ миокарда крыс в репродуктивном периоде показал, что Нмах составляет для этого органа 2,58±0,0001 бит, Н равен 1,287±0,016 бит, S составил 1,293±0,016
бит, h равен 0,4987±0,006 бит, а R составил 50,13±0,063 %.
В период старческих изменений Нмах составил 2,58±0,0001 бит, Н достигает величины 1,494±0,02 бит, S понижается до 1,086±0,02 бит, h возрастает до 0,579±0,008 бит, а R снижается до 42,10±0,85 %.
Для скелетной мускулатуры в репродуктивном периоде Н был равен 2,58±0,0001 бит, Н - 1,1±0,015мабит, Б - 1,48±0,015 бит, Ь составил 0,579±0,008 бит, а Я равнялся 57,37±0,60 %. Во втором исследованном возрастном периоде при неизменной величине Нмах нами был отмечен достоверно более высокий Н до 1,325±0,027 бит, Б уменьшается до 1,255±0,027 бит, Я также уменьшается 48,63±1,08 %, а Ь возрастает до 0,5137±0,01 бит.
При рассмотрении гладкой мускулатуры крыс в репродуктивном периоде обнаружено, что Н также составляет 2,58±0,0001 бит, Н -х1,0,±0,016 бит, Б -1,546±0,016 бит, Ь составил 0,400±0,008 бит, а Я равнялся 59,91±0,61 %. В период старческих изменений при неизменной величине Н нами было отмечено досто-
мах
верное повышение Н до 1,276±0,026 бит, Б уменьшается до 1,304±0,026 бит, Я также уменьшается 50,54±1,03 %, а Ь возрастает до 0,4946±0,013 бит.
Для поджелудочной железы крыс в репродуктивном периоде нами обнаружен Н , составляющий 3,32±0,0003 бит, Н в
мах' >11 1
этот период онтогенеза составил 2,004±065 бит, Б - 1,316±0,065 бит, Ь был равен 0,6036±0,0201бит, а Я - 39,63±2,01 %. В период старческих изменений при неизменной величине Н отмечается повышение Н до
мах
2,309± 0,012 бит, Б понижается до 1,011±0,012 бит, Я также понижается до 30,45±0,39 %, а Ь увеличивается до 0,6954±0,0037 бит.
Для кожи крыс в репродуктивный период онтогенеза обнаружен Нмах, равный 3,0±0,0001 бит, Н был равен 2,26±0,015 бит, Б - 0,74±0,015 бит, Ь - 0,7533±0,0049 бит и Я, равный 24,67±0,49 %. В период старческих изменений Н повышается до 2,535±0,011 бит, Б понижается до 0,465±0,011 бит, Ь возрастает, достигая 0,845±0,0038 бит, а Я снижается до 15,5±0,38 %.
Для молочной железы крыс Нмах в репродуктивном периоде составил 3,32±0,0003 бит, Н был равен 2,352±0,13 бит, Б -0,968±0,13 бит, Ь - 0,7084±0,039 бит, Я -29,15±3,96 %. В период старческих изменений Н повышается до 2,734±0,016 бит, Б понижается до 0,586±0,016 бит, Ь возрастает, достигая 0,8235±0,005 бит, а Я снижается до 17,65±0,49 %.
Исследования желудка крыс в репродуктивном периоде онтогенеза позволило установить, что Н в это время составляет
мах
3,0±0,0001 бит, Н равен 2,057±0,02 бит, Б составляет 0,9433±0,02 бит, Ь - 0.6856±0,0066 бит, а Я равен 31,44±0,67 %. В период старческих изменений Н повышается до 2,344±0,01 бит, Ь до 0,7813±0,0038 бит, а Б и Я снижаются до 0,656±0,01 бит и 27,87±0,387 % соответственно.
При рассмотрении эндометрия крыс в репродуктивном периоде обнаружено, что Н составляет 3,16±0,0001 бит, Н -
мах
2,479±0,019 бит, Б - 0,681±0,019 бит, Ь составил 0,7845±0,006 бит, а Я равнялся 21,55± 0,63 %. В период старческих изменений при неизменной величине Н нами было отмече-
мах
но достоверное повышение Н до 2,658±0,016 бит, Б уменьшается до 0,4748±0,016 бит, Я также уменьшается до 15,03±0,53 %, а Ь возрастает до 0,8497±0,005 бит.
Для яичников крыс в репродуктивном периоде нами обнаружен Нмах, составляющий 3,16±0,0001 бит, Н в этот период онтогенеза составил 2,239±027 бит, Б - 0,8666±0,027 бит, Ь был равен 0,7258±0,009 бит, а Я -27,42±0,88 %. В период старческих изменений при неизменной величине Н отмах
мечается повышение Н до 2,537±0,025 бит, Б понижается до 0,6232±0,025 бит, Я также понижается до 19,72±0,79 %, а Ь увеличивается до 0,8028±0,0008 бит.
Заключение
Таким образом, во всех исследованных органах в периоде выраженных старческих изменений в сравнении с репродуктивным периодом происходит увеличение Н и Ь, но в то же время отмечается снижение величин Б и Я. В среднем информационная и относительная энтропия возрастают к пе-
1
■ Иглах "Н
Рис. 1. Величина Нмах и Н органов крыс в репродуктивном периоде и периоде выраженных старческих изменений.
■ 5 ■ Ь
Рис. 2. Величина S и h органов крыс в репродуктивном периоде и периоде выраженных старческих изменений.
70
-к
Рис. 3. Величина R органов крыс в репродуктивном периоде и периоде выраженных старческих изменений.
риоду выраженных старческих изменений на 15,73±1,92 %, а организация системы и коэффициент избыточности снижается на 26,13±2,51 %. Такие изменения свидетельствуют о том, что с возрастом системы исследованных органов имеют тенденцию к разрушению, утере структурной целостности и функциональной взаимосвязи элементов, снижению пороговых и предельных параметров, повышению уровня опасности срыва компенсаторных процессов, уменьшению адаптационных резервов системы и уменьшению организации систем.
Онтогенетическая изменчивость информационных параметров органов определяет их предрасположенность к возникновению патологических процессов. Более высокий уровень реального структурного разнообразия органов (существующей энтропии) млекопитающих разных видов в периоде выраженных старческих изменений свидетельствует о большем снижении регенератор-но-адаптационных ресурсов исследованных органов по сравнению с органами млекопитающих в репродуктивном периоде онтогенеза при тех же патологиях.
Список литературы
1. Автандилов, Г. Г. Морфометрия в патологии / Г. Г. Автандилов. - М. : Медицина, 2002. - 318 с.
2. Автандилов, Г. Г. Медицинская плоидометрия / Г. Г. Автандилов. - М. : Медицина, 2006. - 297 с.
3. Донцов, В. И. Системный подход к анализу процесса старения / В. И. Донцов // Физиология человека. - 1990. - Т. 24. - № 1. - С. 82-87.
4. Западнюк, И. П. Лабораторные животные. Разведение, содержание, использование в эксперименте / И. П. Западнюк, В. И. Западнюк, Е. А. Захария, Б. В. Западнюк. - Киев : Вища школа, 1974. - 380 с.
5. Мухина, Т. С. Возрастные особенности строения и латентная патология щитовидной железы: Автореферат дисс ... канд. мед. наук / Т. С. Мухина. -Волгоград, 2008. - 21 с.
6. Сычева, Л. П. Биологическое значение, критерии определения и пределы варьирования полного спектра кариологических показателей при оценке патогенетического статуса человека / Л. П. Сычева // Медицинская генетика. - 2007. - Т. 6. - № 11. -С. 3-11.
7. Халявкин, А. В. Нормальное старение, как следствие реакции управляющих систем организма на внешние сигналы, не способствующие его полному самоподдержанию. I. Биологические предпосылки / А. В. Халявкин, А. И. Яшин // Проблемы управления - 2004. - № 4. - С. 57-61.
8. Шилов, В. Н. Молекулярные механизмы структурного гомеостаза / В. Н. Шилов. - М. : Интерсигнал, 2006. - 286 с.
9. Аrantes-Oliveira, N. Regulation of life-span by germ-line stem cells in Caenorhabditis elegans // Агай^-Oliveira, J. Apfeld, A. Dillin, C. Kenyon // Science. -2002. - Vol. 295 (5554). - P. 502-505.
10. Finch, C. E. Genetics of aging / C. E. Finch, R. E. Tanzi // Scii. - 1997. -Vol. 278. - P. 407-410.
