CC BY
4
® Г. П. СТУПАКОВ. 2001 УДК 614.7:616-002.12
Г. П. Ступаков
МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДИАГНОСТИКИ И КОРРЕКЦИИ ДОНОЗОЛОГИЧЕСКИХ ФОРМ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ОБУСЛОВЛЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА
НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А. Н. Сысииа РАМН, Москва
Для специалистов в области экологии человека стоит задача сохранения его здоровья, для этого необходима строгая форматизация самого понятия здоровья. Современные представления по этому вопросу базируются на концепциях гомеостатиче-ского потенциала, биологического возраста и функционального состояния человека. Рассмотрим последовательно современные представления об указанных категориях.
Гомеостатический потенциал. Здоровье человека нужно рассматривать как иерархическую структуру с присущей ей надежностью и реализацией необходимых функций посредством системообразующего фактора. Этот фактор представляет собой вектор-цель, направленный на выполнение необходимой функции: физической деятельности, решение логически-смысловых задач, противодействие стресс-воздействиям, сложным социальным условиям, различным конфликтам и др.
Уровень здоровья человека в этих условиях является результирующей величиной от взаимодействия двух основных условий. С одной стороны, этот уровень является производной величиной генетически детерминированных процессов, хотя эта величина непостоянна и претерпевает снижение по времени. С другой стороны, влияние на здоровье оказывают природные, экологические, профессиональные, психологические и социальные факторы.
Поведение организма как динамической системы может различаться в зависимости от алфавита внешних возмущений и времени их действия. При большинстве внешних воздействий или возмущений долгосрочное фазовое состояние системы или организма в целом может оставаться постоянным, хотя подсистемы меняют направления траекторий. В этом случае система или организм в исходном и конечном состояниях топологически орбитально эквивалентны, т. е. эквивалентны морфологически и функционально. Терминология "топологически орбитально эквивалентная система" хорошо ассоциируется с моделью состояния организма в виде сфероида, который не меняет своих пространственных характеристик за счет внутренних траек-торных сдвигов (функциональных процессов) в допустимых диапазонах по интенсивности и продолжительности. Траекторные реакции могут инициировать образование функциональных многоуровневых прямых и обратных, положительных (синер-гических) и отрицательных (антагонистических) связей. В случае сохранения гомеоморфизма система называется структурно устойчивой, поскольку изменение векторного поля возмущенной системы в целом пренебрежительно мало. Данный пример представляет собой первый вариант фенотипиро-вания здоровья, под которым следует понимать оптимальное состояние организма.
Второй вариант заключается в том, что по завершении переходных процессов, связанных с внешними возмущениями, топологическая орбитальная
эквивалентность системы или организма в целом сохраняется, но возникают негативные изменения их параметров, грозящие потерей устойчивости. Данный вариант можно характеризовать как субоптимальное состояние организма, но с потенциальной возможностью утраты здоровья.
Третий вариант характеризует переход системы или организма из одного класса топологической орбитальной эквивалентности в другой. Такой переход снижает устойчивость системы организма к внешним возмущениям, но целесообразен с точки зрения стабилизации утраты здоровья на возможно более экономичном уровне. Данному варианту соответствует смысл предболезни.
Четвертый вариант характеризует потерю системой или организмом структурной устойчивости с возникновением болезни или гибелью организма.
Траекторные реакции подсистем и систем, отражающие их динамизм на внешние возмущения, представляют переходные процессы с возвращением на прежние или уходом на иные уровни функционирования. Известная понятийная категория —■ гомеостаз представляет собой относительное динамическое постоянство внутренней среды и функций организма по отношению к внешней среде [6, 7]. Область гомеостаза может быть формализована количественно на основе разных подходов. При этом очевидно, что при идеальной минимизации функциональной нагрузки на систему она имеет относительно большую область гомеостаза. Иначе говоря, при малых внешних возмущениях потребная область гомеостаза невелика, а наличная область может значительно превышать потребную. В этих условиях организм функционирует с большим "запасом прочности".
Граничными условиями характеризуется такая ситуация, когда интенсивность возмущений определяет равенство наличной и потребной областей гомеостаза. Это состояние можно характеризовать как неустойчивое равновесие наличных и потребных возможностей организма, его "запас прочности" становится нулевым. При снижении интенсивности возмущений организм сохраняет устойчивое состояние, а при повышении интенсивности теряет структурную устойчивость, т. е. возникает ситуация с не прогнозируемыми последствиями вследствие развития деструктивных процессов.
Эта формализация наличной области гомеостаза является его статической моделью и может быть описана, например, моделью сфероида. Уменьшение размеров сфероида характеризует уменьшение области гомеостаза. Надежностью системы в конкретный момент времени называется число, характеризующее максимальные размеры области гомеостаза данной системы. Можно выделить 2 крайних случая этого понятия: 1 — гладкое развитие гомеостаза за счет влияния "малых" стрессов; 2 — дискретный переход уровня гомеостаза за счет воздействия смертельного стресса.
При малых стрессах возможны следующие варианты: 1) отклонение происходит, но не выходит за область гомеостаза в момент времени, в связи с чем за счет энергетического запаса осуществляется возврат на кривую эволюции организма; 2) восстановление необязательно, и эволюция может продолжаться по другой кривой.
При "смертельных" стрессах также возможны 2 случая: 1) отклонение происходит с выходом за пределы гомеостаза, возврат невозможен; 2) отклонение происходит без выхода за пределы гомеостаза, возможен возврат на исходный или близкий уровень, т. е. возможен выход системы из сильных стрессовых ситуаций.
Приведенная модель и определение надежности системы характеризуют исходную область гомеостаза как постоянную величину, а реакции на внешние возмущения определяются как мгновенные вне реального масштаба времени. Такая модель соответствует понятию и определению резервов организма, включающих базовые и динамические компоненты.
Фактически же область гомеостаза системы есть величина изменяющаяся и определяющаяся процессами как рассеивания энергии, так и ее восстановления. Простейшая формализация этих процессов для фиксированных внешних и внутренних условий соответствует уравнению следующего вида:
A{t) = А„ - (IW, + KWJ) + ^ввт'з.
где А —область гомеостаза текущая, УЭ1Ш — скорость продукции энтропии, связанной с внешними возмущениями, Кэвт — скорость продукции энтропии, связанной с внутренними процессами, Кввт — скорость восстановления, т. е. скорость парирования продукции энтропии процессами внутренней регуляции системы, t — время.
Приведенное обобщенное уравнение характеризует динамику изменения энтропийных и не энтропийных процессов в организме, именно с учетом их специфики применительно к биологической системе.
Величина Кэвш + Кэвт равна по модулю, но противоположна по знаку величине, которую можно охарактеризовать как жизненность организма (системы). Скорость энтропии соответствует линейной убыли резервов организма в пределах 0,5—1,5% в год от их величины, соответствующей 30-летнему возрасту.
Дополнительный учет в уравнении скорости восстановления гомеостаза системы, т. е. скорости парирования продукции энтропии, также являющегося основополагающим условием сохранения здоровья человека [3], позволяет определять динамику системы в плане сохранения ее устойчивости. Одновременный учет в уравнении наличной области гомеостаза (уровня здоровья гомеостагического потенциала — ГП) и производных величин — скоростей продукции энтропии и восстановления — придает данному подходу системный характер, объединяющий понятия надежности и жизненности организма.
Таким образом, понятия "уровень здоровья" и "гомеостатический потенциал" синонимичны, а использование аппарата вычислительного эксперимента позволяет прогнозировать эффекты внеш-
них воздействий с учетом внутренних процессов организма.
Реакция организма на возмущение может существенно варьировать у разных людей, а также у одного и того же человека в зависимости от текущего морфофункционального состояния. Общая закономерность интенсивности проявления реакции заключается в том, что при большой величине ГП происходит наиболее экономичное его реагирование на возмущение и, наоборот, при истощении ГП наблюдается выраженная по интенсивности и удлиненная по времени реакция, дополнительно ослабляющая систему. В первом случае "разбалан-сировка" гомеостаза незначительна по величине и непродолжительна по времени, во втором — наоборот.
С физиологических позиций, согласно представленному определению, ГП включает наличные морфофункциональные резервы, реактивность, т. е. реакцию (з том числе и стресс-реакцию) на возмущение и связанное с ней текущее, т. е. мгновенное значение функционального состояния, а также резистентность (устойчивость) к множеству случайных и периодических возмущений в реальном масштабе времени. В результате ГП выступает мерой адаптационных возможностей организма.
ГП является и мерой компенсации снижения возможностей системы за счет расширения области гомеостаза, путем привлечения в процессы регулирования сопряженных систем. При ряде возмущений не происходит возрастания энергетических характеристик реагирующих систем организма. Свидетельством этому может служить динамика психических, физиологических, биохимических процессов у лиц рискованных профессий, при деятельности в условиях отрицательных стрессов. По ряду показателей энергетические резервы систем не возрастают, а изначально падают, что не позволяет утверждать процесс адаптации. Необходимо разделять действие физиологически адекватных и вредоносных стрессоров. Для эффектов, связанных с действием первых из них, характерны варианты либо исключительно возрастания ГП, либо сочетание этого процесса с морфофункциональной дезинтеграцией процессов гомеостаза.
Реакция на действие вредоносных стрессоров может выражаться исключительно с негативными эффектами от низших морфофункциональных уровней до организменного.
Эти процессы неизбежно приводят к непроизводительному расходу энергии, что позволяет придать понятию дезинтеграции смысл роста энтропии системы.
Состояние человека как системы в окружающей среде, включая систему общественных взаимоотношений, можно характеризовать некоторым вектором. На низшем уровне стоят компоненты, определяющие состояние физиологических систем организма, связанные с энергетикой, гормональным состоянием, обменными процессами, показателями иммунной системы и др. На более высоком уровне находятся количественные и качественные компоненты, обусловленные целесообразной деятельностью человека, социальными и экологическими аспектами его существования.
ГП устойчивости организма к воздействиям на уровне физиологических и функциональных систем могут служить показатели качества переходных
процессов на низшем уровне иерархии. Разработанный в настоящее время математический аппарат позволяет отражать индивидуальное состояние ГП [4]. Расчеты можно проводить на основе ряда показателей (плотность митохондрий, содержание глюкозы в крови натощак, холестерина, аутоанти-тел и др.), а также на основании функциональных нагрузочных проб (сахарной и инсулиновой кривой, вело- или статоэргометрических ступенчатых пробах и др.).
Биологический еозрост (БВ) — базовая составляющая здоровья, имеющая тесную связь с долголетием индивида. В понятии биологического возраста, как известно, возрастные изменения физиологических систем конкретного организма сопоставляются со среднепопуляционными параметрами. Фиксируя изменения организма человека постфактум, концепция БВ имеет ограничения прогностических возможностей, но на ее основе возможна выработка стратегии коррекции наиболее вероятных или уже наступивших неблагоприятных для человека изменений при учете максимального числа факторов, влияющих на состояние его здоровья. Количественным выражением динамики биологического возраста могут служить психофизиологические резервы человека. Таким образом, определение БВ может быть примером общебиологической ("геронтологической") донозологической диагностики.
Проведенные на основе концепции БВ широкомасштабные исследования позволили подтвердить гипотезу о системном характере психофизиологических и энергетических резервов, интегрально отражающих действие как социально-экологических факторов, так и эффект восстановительно-реаби-литационных мероприятий [5|.
Проблема биологического возраста в своем методологическом аспекте тесно связана с широким кругом исследований в классической геронтологии. Некоторые теории и методы исследований данного направления могут оказаться исключительно полезны для решения прикладных вопросов, в частности имитационные модели дожития человеческих популяций, разработанные Б. Л. Стреллером [14].
Б. Л. Стреллером и С. С. Милдваном [13] получена теоретическая величина В (коэффициента разрушения при эволюционно детерминированном варианте), равная 1,44%. Анализ данных по 8 странам определяет величину В от 0,5 до 1,5% в год.
Предложенная модель, однако, рассматривает вопросы теории и практики старения лишь в возрасте 30 лет и более. В более позднем исследовании [12, 14] колебания значений коэффициента В отмечались в пределах 0,92—1,37% в год, что хорошо согласуется с чисто теоретическими величинами потери жизненности (физиологических резервов) человека.
Анализ сводных данных около 200 авторов, которые длительно проводили детальные исследования (около 19 000 человек) по определению зависимости тех или иных сдвигов различных физиологических систем организма показал, что, как правило, эти данные также имели высокую величину положительной и отрицательной корреляции с возрастом [8, 11].
Различия между условно оптимальным значением и реально рассчитанным на основе ряда физио-
логических, антропометрических показателей и нагрузочных проб позволяют оценивать соответствие биологического возраста индивида его календарному возрасту.
Показатели ГП и БВ позволяют интегрально оценивать базисные, долгосрочные резервы организма. Однако даже при высоком уровне этих резервов текущее состояние организма у конкретного индивида может существенно варьировать в зависимости от предыстории потока внешних воздействий: напряженной и длительной физической работы, вынужденной депривации сна, хронических стресс-воздействиях и др. Поэтому, помимо оценки базисных резервов организма, принято определять его текущее функциональное состояние (ФС).
При оценке ФС важное значение приобретает проблема выделения наиболее существенных, информативных признаков различных состояний. При этом под информативностью признака понимается степень его полезности для решения задачи оценки состояний. Эта проблема в своей постановке аналогична поиску методов снижения размерности пространства признаков ФС, в которых решается задача оценивания. Уменьшение числа признаков позволяет значительно упростить и удешевить процесс измерения и первичной обработки психофизиологических параметров, сократить вычислительные работы.
Наиболее универсальным методом сокращения пространства признаков является метод полного перебора всех их сочетаний. Однако воспользоваться этим методом не всегда удается из-за огромного объема вычислений. Данное обстоятельство обусловливает необходимость разработки методики ускоренного поиска подпространства признаков минимальной размерности.
Первым этапом создания такой методики является задание меры информативности подпространств признаков состояния. Как показано Ю. П. Доброленским и соавт. [2], для оценки состояния линейных функций принадлежности в качестве меры информативности может быть использована оценка квадрата множественного коэффициента корреляции, часто именуемого в литературе мерой определенности В.
В работах [1, 10] в качестве меры информативности совокупности признаков при идентификации состояний предлагается использовать дивергенцию (различение целевого и исходного состояний).
Вышеприведенные положения являются основанием для использования меры определенности в качестве показателя информативности комплексов признаков ФС и ускоренного поиска подпространства признаков минимальной размерности.
Процедура определения подпространства минимальной размерности включает несколько этапов.
На первом этапе из совокупности, включающей несколько признаков, последовательно по одному исключается каждый признак с последующим восстановлением. При этом удалению из совокупности признаков (для выделения подпространств гомеостаза) подлежит наименее информативный признак. На следующих этапах процесс последовательного исключения признаков ФС повторяется уже для совокупности, уменьшенной на единицу, до тех пор, пока статистический уровень значимо-
сти при идентификации исходного и целевого состояний не превысит заданное значение.
Оставшиеся признаки являются координатами подпространства минимальной размерности, в котором достигается статистически достоверная оценка ФС. Достоинством методики является ее связь со статистическими критериями проверки гипотез, что обеспечивает помехоустойчивость "отбраковки" признаков, не несущих взаимодополняющей информации.
Таким образом, использование подходов оценки ГП, БВ и ФС человека позволяет оценить уровень долгосрочных и срочных резервов организма задолго до развития хронического заболевания. Использование этой методологии позволяет вычленить значение экологической составляющей в ущербе состояния здоровья человека и наметить целевые методы и формы коррекции его здоровья.
С целью создания логической схемы для построения диагностических и восстановительных комплексов основные принципы формализации здоровья человека таковы [9]:
— уровень здоровья является величиной, связанной с наличной областью гомеостаза, скоростью продукции энтропии и скоростью ее парирования;
— морфофункциональные резервы, реактивность, стресс-устойчивость, адаптационные способности, свойства регуляции выступают как функции интегральных характеристик здоровья;
— утрата здоровья представляет результат роста продукции энтропии в организме;
— адаптационные уровни организма характеризуют дискретные переходы интегральных характеристик здоровья;
— синхронизация процессов гомеостаза является компонентом интегральных характеристик здоровья;
— потенциальная надежность деятельности человека определяет собой интегральный показатель работы сознания человека и яапяется функцией уровня здоровья;
— теория сложных систем концепции хаос — антихаос является основой восстановительных мероприятий;
— снижение скорости продукции энтропии организмом — основной принцип в мероприятиях по восстановлению здоровья;
— информационные и энергетические воздействия на организм — основные мероприятия по восстановлению здоровья.
Исходя из указанных принципов диагностический комплекс должен включать несколько блоков.
1. Блок контроля системы энергообмена должен включать, как минимум, определение следующих показателей: субстратный анализ; окислительный потенциал митохондрий; степень сопряжения окисления и фосфорилирования; соотношение аэробной и анаэробной энергопродукции; емкость анаэробных энергоисточников; эффективность микроциркуляции; энергетическая эффективность ударного выброса; потребление 02 миокардом; энерготраты в покое; максимальный уровень энерготрат; резервные возможности внешнего дыхания, кровообращения и тканевого дыхания; определе-
ние функции, лимитирующей физическую работоспособность.
2. Блок контроля нервной системы должен учитывать активность коры головного мозга, состояние подкорковых центров, интегральный вегетативный гомеостаз, состояние спинно-мозговой иннервации совместно с анатомо-функциональным состоянием позвоночника.
3. Блок контроля сердечно-сосудистой системы должен включать определение центральной и периферической гемодинамики кровенаполнения сосудов и внутренних органов, состояние регуляции кровообращения, характеристик отдельных его бассейнов.
4. Блок оценки интегральных характеристик отдельных систем должен учитывать, как минимум, состояние системы крови, биохимического статуса и иммунитета.
5. Блок специальных методов должен давать характеристику адаптационного уровня организма, позволять определять органы и системы-мишени потенциального развития патологии и биологический возраст человека.
6. Блок оценки состояния внутренних органов предназначен для определения их анатомических и функциональных особенностей.
7. Блок анализаторных систем должен давать количественные характеристики их состояния.
Общие требования к диагностическому комплексу должны отвечать критериям информативности, оперативности обследования, достаточности для формирования заключения или постановки диагноза, способности отслеживать динамику состояния организма, оперативного информационного обмена между специалистами и формирования базы данных.
Восстановительный комплекс предназначен для достижения следующих корригирующих эффектов:
— повышения резервных возможностей звеньев системы энергообмена и газотранспортной системы;
— детоксикации организма;
— синхронизации межсистемного взаимодействия;
— экономизации расхода морфофункциональ-ных резервов (физических и психических);
— повышения физической и психической стресс-устойчивости;
— нормализации вегетативного гомеостаза;
— повышения мотивации и психологической готовности к профессиональной и экстремальной деятельности.
Однако успех решения задач сохранения здоровья населения зависит от ряда организационных мероприятий, в том числе и государственных. Краткий перечень этих мероприятий включает следующие направления:
— дальнейшую разработку системы междисциплинарных знаний, позволяющую учитывать в комплексе количественные характеристики экологического, промышленного риска и риска ущерба здоровью населения и конкретного человека от воздействия факторов среды обитания,
— корректировку существующих критериев состояния здоровья человека соответственно современным представлениям об идентификации экологически обусловленных заболе-
ваний, а также о диагностике и коррекции донозологических состояния организма человека,
— разработку проблем и государственной программы эколого-эргономического проектирования, включающей концепцию управления рисками, систему мер по оптимальному "сопряжению" среды и человека опосредованно через создание нового поколения промышленных объектов, жилищ, технических систем и средств, в том числе транспорта.
Решение указанных задач возможно лишь на основе научно-медицинского сопровождения разработки и реализации современных и новых методических подходов к комплексной оценке среды обитания и жизнедеятельности человека, биотрансформации и диагностики их в биосредах организма человека, использовании вероятностных методов в оценке и прогнозе влияния факторов среды на здоровье населения, современных методов учета их при реализации мер профилактики при проектировании промышленных и жилищных объектов.
Л итература
1. Гублер Е. В. Вычислительные методы анализа и распознавания патологических процессов. — Л., 1978.
2. Доброленский Ю. П., Кукушкин 10. А., Туваева В. А. // Вопросы кибернетики: Проблемы измерения психических характеристик в познавательных процессах. - М., 1980. - С. 148-161.
3. Мазурин Ю. В., Пономаренко В. А., Ступа ков Г. П. Гомеостатический потенциал и биологический возраст человека. — М., 1991. — С. 45.
4. Мазурин Ю. В., Ступаков Г. П. Наука нового тысячелетия: вновь эпоха великого синтеза. — М., 2000. - С. 200.
5. Психофизиологическая надежность летчика: Научно-тематический сборник / Под ред. Г. П. Ступако-ва. - М., 1993. - С. 88.
6. Саркисов Д. С. Очерки по структурным основам го-меостаза. — М., 1977.
7. Структурные основы адаптации и компенсации нарушенных функций / Под ред. Д. С. Саркисова. — М., 1987.
8. Ступаков Г. П., Тихончук В. С., Некрасов В. И. и др. // Отчет ГНИИИАиКМ. - М., 1991. - С. 136.
9. Ступаков Г. П. Концепции здоровья человека. — М., 1999. - С. 48.
10. ТуДж., Гонсалес Р. Принципы распознавания образов. - М.> 1978.
11. Человек. Медико-биологические данные: Доклад рабочей группы комитета 11 МК.РЗ по условному человеку. — М., 1977.
12. Shock N. W. // Geriatrics. - 1957. - Vol. 12. - P. 40-48.
13. St re hie г В. L., Milclvan S. S. // The biology of Aging. — Washington, 1960. - N 6. - P. 216-235.
14. Strehler B. L. // Biology of Aging and Development / Ed. G. Thorbecke. — New York; London, 1975. — Vol. 3. - P. 3-9.
Поступила 30.03.01
Методология
© Б. Т. ВЕЛИЧКОВСКИЙ. 2001 УДК 614.71/.72:612.2
Б. Т. Величковский
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ И КЛЕТОЧНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ЗАЩИТЫ ОРГАНОВ ДЫХАНИЯ ОТ НЕБЛАГОПРИЯТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
РГМУ, Москва
При изучении влияния факторов окружающей среды на здоровье населения в прежние годы исследования в нашей стране были направлены главным образом на установление величины предельно допустимой концентрации, или предельно допустимого уровня, безвредного для организма. В последнее время преобладающим стал другой подход, заключающийся в оценке степени риска воздействия фактора среды на здоровье. Обе концепции объединяет общая методология, рассматривающая организм как "черный ящик", на который "на входе" влияет фактор определенной интенсивности, а "на выходе" регистрируется уровень вызываемых им изменений биологических параметров. Изучение конкретных механизмов действия фактора среды на организм при этом как бы "выносится за скобки" в связи с ограниченными методическими возможностями и недостаточным объемом знаний в этой области. Таким образом, еще недавно это были единственно возможные, вынужденные подходы.
Сейчас, однако, положение изменилось. Успехи молекулярной биологии и молекулярной экологии позволяют исследовать этап за этапом все взаимодействия и превращения фактора в организме. Это дает возможность не только оценить величину риска или обосновать параметры безопасного уровня воздействия, но и установить патогенетические механизмы влияния фактора на организм и на этой основе обосновать конкретные меры медико-био-логической реабилитации и профилактики. На плодотворность патогенетического подхода указывают результаты изучения влияния на организм фиброгенной пыли, позволившие в короткие сроки установить молекулярные и клеточные свободно-радикальные механизмы формирования как кли-нико-морфологических проявлений профессиональной пылевой патологии, так и ее осложнений: обструктивного синдрома, системных коллагено-зов, злокачественных перерождений плевры, легких и желудка. Кроме того, знание ключевых механизмов развития пылевой патологии позволило
