CC BY
113
ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2012
БИОЛОГИЯ
Вып. 2
УДК 614.7; 616-003.96
СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К АНАЛИЗУ МЕХАНИЗМОВ АДАПТАЦИИ ЧЕЛОВЕКА В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ХИМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ (АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР)
В. М. Чигвинцева, Д. А. Кирьяновь
а; Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения, 614045, Пермь, ул. Монастырская, 82; [email protected]; (342)2372534 ь Пермский государственный национальный исследовательский университет, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15
Проведено исследование методов анализа механизмов адаптации организма человека к действию факторов среды обитания, отмечена специфичность каждого из них.
Ключевые слова: адаптация; гомеостаз; ксенобиотики; модели.
Актуальной проблемой построения математических моделей, учитывающих комплекс внешних воздействий на человека со стороны окружающей среды и системы ответных реакций со стороны организма, связанных с перестройкой работы органов, является учет его (организма) потенциальных возможностей и способностей к приспособлению и самовосстановлению. В этой связи целесообразно исследовать механизм адаптации к действию ксенобиотиков [Сидори-на, Луковникова, Фролова, 2004] и, по возможности, оценить резистентность организма к токсической нагрузке.
В настоящее время существует множество различных подходов к вопросам оценки здоровья человека, его возможности к адаптации [Неше1, 1947; Sеlуе, 1959]. По мнению отечественного уче-ного-физиолога [Анохин, 1975, 1980], «каждый организм представляет собой динамическое сочетание устойчивости и изменчивости, в котором изменчивость служит его приспособительным реакциям и, следовательно, защите его наследственно закрепленных констант». Физиологический смысл адаптации организма к внешним и внутренним воздействиям заключается именно в поддержании гомеостаза и, соответственно, жизнеспособности организма практически в любых условиях, на которые он в состоянии адекватно реагировать. Сохранение гомеостаза - важнейшее свойство организма, определяющее акклиматизацию, адаптацию к различным производственным и бытовым условиям.
Согласно концепции П.К. Анохина, наиболее полно развившего теорию функциональных систем, у компонентов, участвующих в построении одной системы, обязательно ограничиваются степени сво-
боды для их участия в другой. При этом функциональная система «стремится» получить запрограммированный результат и ради этого может пойти на самые большие возмущения во взаимодействиях своих компонентов. Формирование системы сопровождается вовлечением все большего числа необходимых для этого энергетических и структурных компонентов. Таким образом, данная теория определяет функциональные системы организма как саморегулируемые уровни нервной и эндокринной систем, действие которых направлено на достижение определенных, полезных для организма, приспособительных результатов.
Ведущая роль в этой саморегуляции принадлежит так называемой обратной связи - рефлекторной дуге. Говоря предельно схематично, это: афферентное нервное волокно (проводник, воспринимающий импульс через рецептор), нервный центр (анализатор) и эфферентное волокно, по которому из центра отдается приказ исполнительному органу (например, мышце). Классическое представление о рефлекторной дуге - это представление о ней как о трехчлене: аффектор — анализатор — эффектор. П.К. Анохин дополнил её (дугу - авт.), четвертым звеном - обратной афферентацией. Эта последняя совершает, может быть, самое главное с точки зрения выживания (адаптации - авт.): сигнализирует центру о результатах совершенного действия в ответ на какой-либо внешний (или внутренний) раздражитель. Для экономии своих действий центр обязан знать о результате недавно отданного им приказа и если что-то не так, подкорректировать его. У живых организмов обратная связь - как механизм сугубо приспособительный - возник на заре развития органической жизни, а далее оказался за-
© Чигвинцев В. М., Кирьянов Д. А., 2012
креплен в ходе эволюции, ибо нес колоссальную выгоду для выживания [Воробьёв, 2001]. Адаптация, прежде всего, - изменение скоростей биологических реакций, возрастающих в экстремальных ситуациях в десятки и сотни раз [Козинец, Погорелов, 1988; Северцов, 2005].
Необходимо отметить также, что «постоянство внутренней среды организма - это вовсе не совокупность неподвижных констант; показатели гомеостаза, во-первых, имеют некоторый люфт (норму реакции), а во-вторых, находятся в динамическом равновесном состоянии с колебаниями параметров внешней среды». Собственно, именно эти два фактора и определяют саму возможность нашего более или менее успешного существования во внешней среде - способность противостоять ей, достаточно для нас агрессивной, и стремиться к равновесию с нею. Адаптация - это и лицевая, и оборотная сторона гомеостаза, поскольку может быть оптимальной, неоптимальной и даже вредной - вызывающей нарушение жизнедеятельности. Любой вид патологии представляет собой, по определению Г.Н. Кассиля, «выход за границы гомеостаза». «Выход» этот у здоровых и больных происходит по-разному, но всегда сопровождается более или менее выраженными патологическими явлениями [Кассиль, 1983].
Г. Селье заимствовал у И.П. Павлова идею целостности и адаптации. То, что внешние воздействия приводят только к расходу и исчерпанию адаптационных возможностей, в течение многих лет было убеждением Г. Селье, которое он лаконично формулировал как «wear and tear». Это убеждение основывалось на том, что он использовал преимущественно сильные патогенные воздействия. Концепции о существовании генетически предопределённого потенциала роста берут начало от А. Вейсмана, который считал, что «зигота обладает способностью осуществлять определённое и ограниченное число делений клеток, после чего развивающийся организма обрекается на старение и смерть» [Селье, 1987]. Развивая эти представления, Р. Перл пришел к мысли, что «старение и смерть -расплата за преимущества, какие дают специализация и дифференциация клеток у многоклеточных организмов, в отличие от практически бессмертных одноклеточных, этими качествами не обладающими» [Аршавский, 1982, 1986].
Системы адаптивны, если при изменении в их окружении или внутреннем состоянии, снижающем их эффективность в выполнении своих функций, они реагируют или откликаются, изменяя свое собственное состояние или состояние окружающей среды так, чтобы их эффективность увеличилась [Акофф, Эмерли, 1974]. Согласно этим авторам термин «адаптация» в общем случае выступает в трех аспектах: адаптация как свойство системы приспосабливаться к возможным изменениям функционирования; адаптация как сам процесс приспособле-
ния адаптивной системы; адаптация как метод, основанный на обработке поступающей информации и приспособленный для достижения некоторого критерия оптимизации.
Адаптация в кибернетике - процесс накопления и использования информации в системе, направленный на достижение определенного, обычно оптимального состояния или поведения системы при начальной неопределенности и изменяющихся внешних факторах. В процессе адаптации система накапливает данные об этих факторах и определяет их характеристики. Адаптацию можно рассматривать как процесс самообучения системы к новым условиям (через «производство знаний»). Скорость адаптации (самообучения человека) можно определить экспериментальным путем на кибернетических моделях, 120 бит/(чел^час) [Лившиц, 1967]; либо экспертной оценкой темпов накопления знаний человечеством, 103 бит/(челтод) [Найденов, Долгоносов, 2005]. Расхождение этих оценок на несколько порядков показывает ограниченность формально-информационного подхода к оценке знаний (в отрыве от ценности информации).
Адаптация, как и адаптационный ответ, может осуществляться на различных уровнях: на уровне клетки, в виде функциональных или морфологических изменений; на уровне органа или группы клеток, имеющих одинаковую функцию; на уровне организма как морфологического, так и функционального целого, представляющего собой совокупность всех физиологических функций, направленных на сохранение витальных функций и самой жизни.
В развитии большинства адаптационных реакций прослеживается два этапа: начальный этап срочной, но несовершенной адаптации и последующий этап совершенной, долговременной или кумулятивной адаптации. Срочная адаптация характеризуется непрерывно протекающими приспособительными изменениями, возникающими как ответные реакции организма на непрерывно меняющиеся условия внешней среды. В.В. Петровский и Ф.З. Меерсон выделяли следующие характерные свойства срочной адаптации [Меерсон, Пшенникова, 1988]:
1. Срочные приспособительные изменения не закрепляются в организме. Они возникают только при непосредственном внешнем воздействии определенного характера и тотчас исчезают, как только устраняется вызвавшее их внешнее обстоятельство.
2. Характер и интенсивность срочной адаптивной реакции точно соответствуют характеру и силе внешнего воздействия.
3. Срочными изменениями организм способен отвечать только на те внешние воздействия, которые по своему характеру, силе и времени действия не превышают физиологических возможностей.
Кумулятивная адаптация характеризуется такими приспособительными изменениями, которые
возникают под влиянием регулярно повторяющихся внешних воздействий. Приобретенные в результате кумулятивной адаптации свойства носят устойчивый характер и сохраняются некоторое время после прекращения серии внешних воздействий. Это сопровождается значительными морфологическими и функциональными преобразованиями на клеточном уровне и в деятельности различных систем организма и их взаимодействии.
Адаптационно-приспособительная деятельность требует затрат энергии и информации, в связи с чем можно говорить о «цене» адаптации [Давыдовский, 1962], которая определяется степенью напряжения регуляторных механизмов и величиной израсходованных функциональных резервов (ФР):
Ах=ах + R Е, (1)
где стЕ — степень напряжения регуляторных механизмов, КЕ — ФР организма.
Например, резервные «мощности» системы кровообращения создают запас прочности на случай неадекватных воздействий на организм, и благодаря этому ее исходный уровень функционирования снижается. Текущая деятельность организма всегда связана с расходованием резервов, но вместе с тем происходит и их восполнение. Поэтому важное значение имеет не только своевременная мобилизация резервов, но и соответствующая стимуляция процессов восстановления и защиты. Вот почему при обсуждении вопроса о ФР системы кровообращения необходимо комплексно рассматривать и миокар-диально-гемодинамический гомеостаз и вегетативный гомеостаз [Айдаралиев, Баевский, Берсенева, 1988]. ФР органа (системы) можно определить как разность между активностью органа (системы) с уровнем, характерным для состояния относительного покоя. Чем выше ФР, тем ниже степень напряжения регуляторных механизмов, необходимая для
адаптации к условиям внешней среды для поддержания гомеостаза. Запас ФР - это информационные, энергетические и метаболические ресурсы, расходование которых сопровождается постоянным восполнением.
Расходование ФР происходит в интересах поддержания необходимого уровня функционирования основных систем организма. Благодаря деятельности регуляторных механизмов происходит перестройка внутренней среды в соответствии с внешними условиями. При этом из-за нелинейного характера гомеостатических кривых существуют лишь ограниченные области внешних условий, где возможно сохранение гомеостаза [Новосельцев, 1978]. Г омеостатические зависимости переменных внутренней среды от внешних условий имеют различный характер, который обусловлен как индивидуальными особенностями организма, так и спецификой возмущающих факторов.
Следует отметить, что процесс расходования ФР зависит от степени напряжения регуляторных механизмов. В упрощенном виде управление ФР можно представить как регулирование темпов их расходования. В действительности процесс этот крайне сложен, поскольку должны учитываться адаптационные возможности различных структур организма и динамика реагирования на возмущающий фактор; необходимо постоянно поддерживать уровень функционирования основных систем в пределах гомеостаза, важно прогнозировать запас функциональных возможностей и своевременно включать в процесс дополнительные ФР.
На данном этапе мы можем лишь схематично анализировать состояние этих механизмов. На рисунке представлена схема, характеризующая иерархию функционального взаимодействия при комплексном подходе к оценке ФР организма.
Системы организма
Системы регуляции
Оценка функциональных резервов организма
Каждый из органов (систем) организма (а, б, в) имеет определенный уровень функционирования (УФа, УФб, УФв) и обеспечивается конкретными функциональными резервами, подразделяющимися на оперативные (ФР1а, ФР1б, ФР1в) и стратегиче-
ские (ФР2а, ФР2б, ФР2в). Оперативные резервы мобилизуются и расходуются автономными регуляторными механизмами (РСа) (симпатический и парасимпатический отделы вегетативной нервной системы), а стратегические - центральными (РСц)
(ЦНС).
Любое воздействие среды на организм вызывает прежде всего стресс-реакцию ^е1уе, 1936], которая выражается в увеличении уровня функционирования определенных систем организма, одновременно включаются регуляторные системы, которые мобилизуют ФР. Контролируя уровень функционирования (обратная связь) и управления им (прямая связь), регуляторные системы так осуществляют расходование ФР, чтобы обеспечить гомеостатический режим взаимодействия систем, участвующих в реакции, на воздействующий фактор. Если автономные механизмы не обеспечивают поддержания необходимого уровня функционирования отдельных систем, мобилизация стратегических резервов осуществляется центральными регуляторными механизмами.
Важно отметить способность центральных механизмов регуляции обеспечивать реакции компенсации, т.е. при недостатке ФР одной из систем активизировать расход ФР другой, связанной с ней системы, что позволяет получить необходимый конечный результат различными путями. Следовательно, постоянство уровня функционирования одной из доминирующих систем при воздействии данного фактора сопровождается весьма существенными физиологическими сдвигами в других, функционально связанных с нею систем. Это обусловлено различным ФР каждой из систем, а также процессами адаптации и компенсации, протекающими при непосредственном участии центральных механизмов регуляции.
Тогда согласно функциональной оценке резервов организма:
0-0+0 , (2)
где оЕ — суммарная степень напряжения систем регуляции, оА ,оЦ — степень напряжения автономной и центральной систем регуляции соответственно.
Я2- Яа + Яб + Яв, (3)
где Яа - Я? + Я2а, Яб - Яб + яб2, Яв - Яв + Яв2, К;,Я2 - мобилизуемые оперативные и стратегические функциональные резервы каждого из органов (систем) а, б, в.
Из схемы на рисунке видно, что уровень функционирования УФа для органа (системы) а зависит от функциональных резервов ФР1а и ФР2а, а также от степени напряжения регуляторных систем РСа и РСц, тогда:
Fа - Я0А + Я0Ц , (4)
где Fа — уровень функционирования органа (системы) а.
Как уже упоминалось ранее, способность к адаптации может осуществляться на различных уровнях. Механизмы адаптации пытаются изучать на уровне
клетки в виде функциональных или морфологических изменений [Сидорина, Луковникова, Фролова, 2004]. При рассмотрении воздействия вредных факторов химической природы на организм индивида, неизбежно возникают вопросы: в какой степени организм человека может противостоять возрастающим химическим нагрузкам и каковы его потенциальные возможности, что следует учитывать при поиске средств профилактики и лечения отравлений. Для выработки представлений об адаптации к воздействию химических веществ необходимо знание процесса интоксикации. Рассматривая процесс интоксикации как взаимодействие яда и организма, его можно условно разделить на несколько этапов: 1) развитие комплекса первичных реакций организма на внедрение ксенобиотика и транспортировка его до точек (мишеней) взаимодействия; 2) развитие реакций организма, обусловленных специфическими побочным взаимодействиями химического агента с биологическими субстратами организма (ферментами, медиаторами, мембранными образованиями и т.д.); 3) формирование структурно-функциональных патологических изменений тканей в результате недостаточности первичных адаптационных реакций; 4) восстановление и развитие повреждений структуры и функций тканей, органов и систем организма.
Каждому из этих этапов соответствует определенный комплекс генетически обусловленных специфических и общих адаптационных реакций. Поэтому вполне естественно, что при любой степени интоксикации развитие адаптационных реакций в организме идет по двум основным направлениям: собственно детоксикация ксенобиотиков - окисление, связывание, выделение - с изысканием резервов по обеспечению энергией этих процессов и покрытие возникающего энергодефицита. Наиболее эффективные механизмы адаптации организма, включаемые после попадания в его внутренние среды ксенобиотиков, реализуются через функционирование структурных и биохимических систем, способных обеспечивать быстрое выведение яда из зоны его возможного действия и организма в целом. Первым доказательством такого механизма является то обстоятельство, что с повышением дозы ксенобиотика скорость его выведения из организма почти линейно возрастает.
Другим важным механизмом адаптации, ответственным за детоксикацию и выведение ксенобиотика, является процесс метаболизма [Taylor, 1987; Суз-дальницкий, Меньшиков, Модера, 2000]. При этом также показано, что скорость метаболизма, судя по скорости выведения метаболитов с мочой, возрастает с увеличением вводимой дозы. Однако это происходит до определенной величины вводимой дозы, после которой наступает процесс торможения.
Биотрансформация ксенобиотиков является многоступенчатым процессом, в котором одновре-
менно или поочередно участвуют многие ферменты детоксикации (монооксигеназы, трансферазы, гидро-лазы и др.). Известные реакции и ферментные системы, осуществляющие метаболизм ксенобиотиков, условно разделяются на два типа. Один тип биотрансформации ядов объединяет молекулярные механизмы, действие которых локализуется в цитозоле, митохондриях, пероксисомах, лизосомах. Эти механизмы реализуются преимущественно при попадании в организм водорастворимых соединений. Другой тип метаболизма включает молекулярные механизмы, связанные с функцией монооксигеназных систем, локализованных на мембранах эндоплазмати-ческого ретикулума, где осуществляется две фазы детоксикации липофильных ксенобиотиков. Первая фаза заканчивается образованием метаболитов, содержащих нуклеофильные группы, которые биологически более активны, чем исходная молекула. Эти реакционноспособные продукты биотрансформации подвергаются второй фазе - процессу конъюгации. Реализуемые как единый, четко скоординированный комплекс, обе эти фазы приводят к увеличению гид-рофильности, снижению биологической активности и токсичности молекул и легко удаляются из организма.
По результатам проведенных экспериментов выявлено, что повышение устойчивости организма к повреждающему действию ксенобиотиков обеспечивается значительной перестройкой внутриклеточных биоэнергетических механизмов. Пусковым механизмом этих изменений являются, по-видимому, возникающие в результате химической нагрузки начальные признаки внутриклеточного энергодефицита, постепенное накопление токсичных недоокис-ленных эндогенных субстрактов.
При хроническом поступлении ксенобиотиков в дозах и концентрациях значительно ниже среднесмертельных, особенно в концентрациях, близких к пороговым, адаптационные возможности организма реализуются с большей эффективностью. При этом клетка, обладающая запасом энергии и временем для защиты от вредного действия, способна реализовать наиболее выгодные и оптимальные пути и механизмы своего функционирования. Также существенную роль в развитии устойчивости или повышенной чувствительности (риска) к действию ксенобиотиков играет генетически детерминированная индивидуальная чувствительность организма к воздействию факторов окружающей среды.
Таким образом, при рассмотрении проблемы адаптации организма к действию вредного химического фактора, следует еще раз подчеркнуть, что состояние любой структурно-функциональной системы, участвующей в процессе адаптирования к действию ксенобиотика, необходимо рассматривать одновременно как индикатор вредного действия и как показатель адаптивности организма. Существует актуальность направления в токсикологии по изуче-
нию механизмов адаптации человека к действию ксенобиотиков, а также выборе объективных критериев резистентности организма к действию химических веществ.
Библиографический список
Aйдаралиев A.A., Баевский Р.М., Берсенева A.n. Комплексная оценка функциональных резервов организма. Фрунзе: Илим, 1988. 195с. Aкофф Р., Эмерли Ф. О целеустремленных системах. М.: Сов. радио, 1974. 272 с.
Aнохин П.К. Очерки по физиологии функциональных систем. М.: Медицина, 1975. 477 с.
Aнохин П.К.Узловые вопросы теории функциональной системы. М.: Наука, 1980. 197 с. Aршавский И-A. Физиологические механизмы и закономерности индивидуального развития. М.: Наука, 1982. 270 с.
Aршавский И-A. Некоторые методологические и теоретические аспекты анализа закономерностей индивидуального развития организмов // Вопр. философии. 1986. № 11. С. 95-104. Воробьёв Р.И. Медицина по Дарвину // Химия и жизнь. 2001. № 2. С. 44-48.
Давыдовский И.В. Проблема причинности в медицине (этиология). М.: Гос. изд-во мед. лит., 1962. 176 с.
Кассиль Г.Н. Внутренняя среда организма. М.: Наука, 1983. 227 с.
Козинец Г.И., Погорелов В.М. Консерватизм биологических процессов - стабильность кроветворения // Клинич. лаб. диагностика. 1988. № 12. С. 21-32.
Лившиц В.М. Экспериментальное исследование самообучения человека на модели дискретного конечного автомата: дис. ... канд. пед. наук. Л., 1967.
Меерсон Ф.З., Пшенникова М.Г. Адаптация к стрессовым ситуациям и физическим нагрузкам. М.: Медицина, 1988. 256 с.
Найденов В.И. Долгоносов Б.М. Человечество не выживет без производства знаний // Независимая газ. 1999-2007. URL:
http://www.ng.ru/science/2005-06-22/11_chelovechestvo.html (дата обращения: 10.05.2012).
Новосельцев В.Н. Теория управления и биосистемы. Анализ сохранительных свойств. М.: Наука, 1978. 320 с.
Северцов A.С. Теория эволюции. М.: ВЛАДОС, 2005. 380 с.
Селье Г. От мечты к открытию: Как стать учёным? / пер. с англ. М.: Прогресс, 1987. 368 с.
Сидорина Г.И., Луковникова Л.В., Фролова A.Д. Адаптация как основа защиты организма от вредного действия химических веществ // Рос. хим. журн. 2004. Т. 48, №2.
Суздальницкий Р.С., Меньшиков И.В., Модера E.A. Специфические изменения в метаболизме спортсменов, тренирующихся в разных биоэнергетических режимах, в ответ на стандартную физическую нагрузку // Теория и практика физ. культуры. 2000. № 3. С. 16-20.
Hensel H. Grundbegriffe und neuere Aspekte der phy-siologischen Adaptation // In Kolloquien SFB 122. Marburg, 1947. Bd. 2. S. 1-8.
Selye. H. A Syndrome Produced by Diverse Nocuous Agents // Nature. July 4 (1936). Vol. 138. P. 32. Sеlуе Н. Perspectives in Stress research // Perspectives in Biologу and Medicine. 1959. Vol. II, N. 4. P. 408.
Taylor C.P. Structural and functional limits to oxidative metabolism: insight from scaling // Ann. Rev. Physiol. 1987. Vol. 49. P. 135-146.
Поступила в редакцию 28.04.2012
A modern approach to analyze of human adjustment mechanism in conditions of impact of chemical factors (analytical review)
V. M. Chigvintsev, associate scientist
FBSI “Federal Scientific Center for Medical and Prophylactic Health Risk Management Technologies” of Federal State Service for Surveillance in the Sphere of Consumers Protection and Human Well-Being, 82 Monastyrskaja str., Perm, Russia, 614045, [email protected]; (342)2372534 D. A. Kirianov, candidate of technical sciences, associate professor Perm State University. 15, Bukirev str., Perm, Russia,614990
The investigation methods for analyzes human adjustment mechanism to impact of environmental factors were executed, peculiar properties of every approaches were pointed.
Key words: adaptation; homeostasis; xenobiotics; models.
Чигвинцев Владимир Михайлович, научный сотрудник
ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения»
Кирьянов Дмитрий Александрович, кандидат технических наук, доцент
ФГБОУВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет»
