Russian (CIS) English (United Kingdom)

Организм как целостная система

МЕХАНИЗМЫ

РАБОТЫ ОРГАНИЗМА КАК ЦЕЛОСТНОЙ СИСТЕМЫ

Ушаков И.Б., Сорокин О.Г. Механизмы работы организма как целостной системы. Технологии живых систем. №5. – 2010. - С.14-22. (Сокращенный вариант).

Испокон веков ученые пытались найти ту простую структуру, которая является основой, кирпичиком построения организма. И благодаря техническому прогрессу был достигнут успех: открыта двойная спираль ДНК, определена ее нуклеотидная последовательность. Полагаем, аналогично этому открытию, должен быть найден простой механизм, являющийся кирпичиком функционального построения организма, определены те простые принципы, которые объединяют различные структуры в единую целостную систему.

Организм является сложной системой, все структурные элементы которой согласованно работают и взаимодействуют, выполняя свои специфические функции. Такая согласованность, по нашему мнению, достигается общей основой, общими принципами функционирования различных структур, которые распространяются на работу организма, его систем, органов и должны найти свое отражение на молекулярном уровне.

Что может быть общего между разными структурами организма и что связывает их в единую целостную систему? Какие механизмы заставляют их слаженно работать? Ответы на эти непростые вопросы дадут возможность по-новому взглянуть на многие проблемы медицины.

Вряд ли можно решить эти задачи, охватив сразу все структуры организма. Полагаем, что наилучшим подходом будет проведение исследований на уровне организма, как более доступном для изучения. Установленные при этом общие закономерности функционирования в дальнейшем можно попытаться перенести на его структуры, для которых должны быть определены особенности работы этих законов. Учитывая предполагаемую общность механизмов, объединяющих различные структурные элементы организма в единую целостную систему, несомненно, данные закономерности должны носить неспецифический характер.

Основываясь на этих посылках, для установления общих закономерностей функционирования организма нами были проведены исследования изменений неспецифических адаптационных реакций у нескольких видов животных и человека на различные по качеству воздействия. Адаптационные изменения, оцениваемые по составу лейкоцитарной формулы крови, в формализованном виде были представлены коэффициентом реакций. В основе его расчета использовалось определение энтропии лейкоцитарной формулы крови [Тихончук В.С., Ушаков И.Б., и др., 1992]. В качестве воздействующих агентов применялись гипоксия, физическая нагрузка, адаптогены, магнитное поле, ионизирующее излучение (только у животных). Воздействие указанных агентов на организм человека проводилось преимущественно при использовании терапевтических процедур в соответствующем диапазоне доз. Влияние физической нагрузки оценивалось у спортсменов на тренировочных занятиях. Для животных воздействия и нагрузки варьировались в широком диапазоне доз.

Результаты исследований показали схожие периодические дискретные изменения коэффициента реакций на разные по качеству воздействия у животных и людей. Видовые различия касались количества периодов, в пределах которых происходили изменения, а также величин коэффициента реакций и их частотных распределений в каждом периоде.alt

Обследование нескольких тысяч людей при различных физиологических состояниях организма, заболеваниях различных систем и органов, протекающих с разной степенью тяжести, показали, что изменения коэффициента реакций человека могут происходить в пределах семи периодов, обозначенных от нулевого до шестого (Рис.1). Учитывая связь рассматриваемых явлений с неспецифическими, адаптационными процессами организма, периоды были обозначены как адаптационные уровни.

Проводимые обследования людей дали возможность выявить связь адаптационного состояния организма с различными его показателями, в том числе, регуляторных систем: центральной нервной, эндокринной, иммунной; некоторые закономерности показаны на Рис.2. Установленные закономерности позволили найти биологический оптимум функционирования организма, который пришелся на средний (третий) адаптационный уровень, средние значения коэффициента реакций (0,5-0,9). На основе оценки показателей регуляторных систем относительно биологического оптимума была создана модель, описывающая работу этих систем в зависимости от адаптационного состояния организма, которая на практике позволяет определять сбалансированность и индивидуальный уровень функционирования регуляторных систем.alt

Дискретность изменений адаптационного состояния, как мы полагаем, связана с порционностью включения избыточных или резервных структурных элементов, имеющихся на всех иерархических уровнях организма.

В работе Федорова В.И. [Федоров В.И., 1988] показано, что повышенные нагрузки на организм преимущественно не приводят к росту действующих структурных элементов или усилению их режима работы, а сопровождаются подключением избыточных или резервных дополнительных структур. Думаем, что именно такой механизм реакции организма на воздействие различных факторов приводит к периодическим дискретным изменениям коэффициента реакций. Одинаковые адаптационные изменения, полученные у разных животных и человека на различные воздействия, показали, что в любом живом организме, независимо от вида, заложены готовые неспецифические механизмы реагирования на меняющееся воздействие внешней среды, которые, как полагаем, основаны на включении дополнительных, резервных структурных элементов и функций.

Как ни банально сравнение организма с компьютером, но принципы их работы имеют много общего. В основе функционирования вычислительной машины заложена двоичная система исчислений, дающая нам возможность получать изображения объектов во всей цветовой гамме, их движение, богатство звуков. В организме аналогом двоичной системы (чередования единиц и нулей) является включение и выключение резервных структурных элементов и их функций на разных иерархических уровнях. Вместо изображения, звука, движения, которые наблюдаем на компьютере, перед нами живой человек, имеющий отличительные внешние и внутренние параметры, характеризующие работу различных органов и систем организма.

С этих позиций, установленные закономерности изменений коэффициента реакции дают нам возможность как бы познакомиться с общими принципами построения машинного кода организма, системой команд, в качестве которых выступают воздействия различных по характеру раздражителей, которые организм интерпретирует в необходимость и возможность подключения дополнительных резервных структур на различных иерархических уровнях.

Изменения адаптационного состояния в пределах одинаковых по форме периодов позволяют сравнить это явление с работой объектных пулов компьютерных программ. Объектные пулы - это набор инициированных и готовых к использованию объектов, запрашиваемых программой и возвращаемых при их ненадобности обратно. По аналогии с работой объектных пулов, организм при необходимости получения дополнительных возможностей, не создает, а активирует их. При снижении нагрузки на организм или недостаточности энергии для включения резервов, дополнительные структуры инактивируются, а не уничтожаются, что напоминает возвращение объектов обратно в пул. Адаптационные уровни могут рассматриваться как объектные пулы, содержащие резервы, для включения которых требуются воздействие раздражителей определенной силы, а также энергия, необходимая для реализации этих процессов.

Наличие резервных, дополнительных структурных элементов на различных иерархических уровнях, их включение и отключение при изменении нагрузки является одним из основных механизмов работы организма как целостной системы.

Исследования показали, для включения высоких адаптационных уровней, пулов (пятого-шестого), требуется крайне высокие нагрузки. Средние адаптационные уровни или пулы (второй – четвертый) связаны с воздействием невысоких, а также тонизирующих нагрузок, приводящих структуры организма в рабочее состояние. Низкие адаптационные уровни (нулевой – первый) чаще характеризуют адаптационное состояние организма в условиях нехватки энергии для развития полноценных, адекватных реакций организма на оказываемые воздействия. Несомненно, нагрузка в этом контексте рассматривается как относительная величина, из-за невозможности учета множества воздействующих факторов, оказываемых на организм, и принимая во внимание его индивидуальные особенности реагирования.

Жизнь человека тесно связана с воздействием различных раздражителей: физических, химических, физико-химических, биологических, социальных. Данные раздражители в первую очередь приводят системы организма в тонизирующее, рабочее состояние и вызывают в них изменения. Воздействие нагрузок на организм, оказываемых различными факторами, не может носить постоянный стабильный характер. Происходит непрерывное изменение их интенсивности, амплитудно-временных характеристик, преобладающего места воздействия. Для сохранения гомеостаза в процессе эволюции организм сформировал не только механизмы реагирования на совокупную нагрузку, оказываемую различными факторами, но и приобрел способность выделять отдельные составляющие воздействий, воспринимать особенности их изменения во времени.

Поэтому вторым важным механизмом работы организма как целостной системы является его способность реагировать различным образом в зависимости от неспецифических характеристик воздействующих агентов.

Исследования показали целесообразность выделения трех таких характеристик:

- относительной силы или интенсивности воздействующего раздражителя;

- относительных амплитудно-временных динамических характеристик раздражителя (длительности воздействия, скорости нарастания, выхода на "плато", скорости снижения, суммарной дозы);

- преимущественной локализации, места приложения воздействия (для организма таковыми могут быть: центральная нервная система, дыхательные пути, желудочно-кишечный тракт, кожа и другие).

Указанные неспецифические характеристики воздействующих агентов позволяют формировать дифференцированный ответ организма на воздействие различных раздражителей, определяют качественные и количественные параметры включения резервных структур. В условиях влияния многочисленных факторов в организме происходит постоянное оценивание интенсивности воздействующих агентов, их динамических характеристик для формирования адекватного ответа. В первую очередь оказываемые воздействия сопровождаются включением необходимого адаптационного уровня (пула). Дополнительно к этому, организм старается оптимизировать адаптационный ответ, активируя не все резервы пула, а только необходимые, соответствующие неспецифическим характеристикам воздействующих агентов. Наряду с этим, организм способен выделять из общей совокупности наиболее значимые раздражители, представляющие угрозу гомеостазу, и включать механизмы компенсации. Количественную характеристику всех этих процессов несет коэффициент реакций. Его величина зависит как от интенсивности воздействующих агентов, так и в значительной степени от их амплитудно-временных динамических характеристик.

Кривые, описывающие изменение коэффициента реакции для каждого уровня, преимущественно, имеют схожий характер: короткий крутой подъем, менее крутой переход в продолжительное плавное повышение функции, заканчивающееся резким высоким ростом коэффициента реакций (Рис. 3, фрагменты a, b, c, d, e).

Исследования адаптационного состояния людей разных возрастных групп при различных физиологических состояниях, заболеваниях, нагрузках, имеющих разные амплитудно-временные динамические характеристики, позволили прийти к следующему заключению. Хорошо различаемые фрагменты кривой отражают функционирование резервных структур (заинтересованных органов и систем), обладающих разным порогом включения при воздействии нагрузки на организм.

Самый низкий порог включения у резервных структур, которые характеризуются коротким крутым подъемом кривой (Рис.3, фрагмент «а»). Этот участок характеризует состояние организма, которое чаще всего является результатом значительных перегрузок, приведших к выключению остальных резервных структур пула, или исчерпанию энергии для их активации. Другой причиной возникновения такого состояния является значительное снижение воздействий, приводящих системы организма в рабочий, тонизирующий режим. Как показали исследования, рассматриваемое состояние соответствует клинико-лабораторным проявлениям стресс-реакции по Селье Г. [Селье Г., 1960]. Вместе с тем, на разных адаптационных уровнях данная реакция имеет свои особенности. В этой связи уместно вспомнить о понятиях «эустресс» и «дистресс», которые ввел тот же Селье Г. [Селье Г., 1979]. Проявления стресс-реакции на оптимальном, третьем адаптационном уровне, можно связать с понятием «эустресс», на остальных уровнях – «дистресс».

Следующий участок кривой (Рис.3, фрагмент «b») отражает предстрессовое состояние организма. Соответствующие ему резервные структуры обладают несколько более высоким порогом включения, чем предыдущие. Причины их активации могут быть аналогичны тем, которые были рассмотрены при стресс-реакции. Однако достаточно часто подобное состояние формируется при длительных воздействиях с умеренно выраженными амплитудно-временными характеристиками, что приводит к снижению запасов энергии и невозможности включения резервов с более высоким порогом активации.alt

Структурные элементы, включение которых отражает сравнительно пологий участок кривой (Рис.3, фрагмент «c»), лишь условно можно отнести к резервам. Это те структурные элементы, которые работают при обычных неэкстремальных воздействиях среды обитания живого организма с характерными для них амплитудно-временными характеристиками. Сюда же относятся воздействия, приводящие структуры организма в оптимальное рабочее состояние. Такая картина в большей степени характерна для средних адаптационных уровней. Для других пулов средние значения коэффициента реакции, к которым относится данный участок кривой, означает сохранение управляемости, обеспечивающей сравнительно быстрое восстановление организма.

Последний участок, характеризующийся резким подъемом коэффициента реакции (Рис.3, фрагменты «d», «e»), обусловлен включением резервных структур с высоким и крайне высоким порогом активации. Наибольшая его выраженность наблюдается на средних адаптационных уровнях. Этот участок связан с воздействием интенсивной или нарастающей нагрузки с определенными амплитудно-временными характеристиками, превышение которых может привести к переходу на более высокий пул или, при нехватке энергетических ресурсов, к срыву со снижением коэффициента реакции в пределах этого же пула или более низкого. Такие условия создают нестабильность данного состояния организма, которая повышается с ростом коэффициента реакции. По мере нарастания нагрузки, при достаточных энергетических ресурсах, происходит последовательное повышение коэффициента реакции. Исследования показали, что при этом организм становится менее чувствителен к воздействиям, которым соответствовал более низкий коэффициент реакций. Полагаем, наблюдение именно этих процессов способствовало формированию представления об адаптации как приспособительной реакции. Правильно подобранные возрастающие нагрузки способны существенно повысить устойчивость организма к воздействию факторов внешней среды. Включение резервных структур с крайне высоким порогом активации (Рис.3, фрагмент «e») наблюдалось у людей с исключительной физической выносливостью (в частности, у профессиональных спортсменов, рекордсменов). Как показали исследования, в процессе тренировок организм формирует способность компенсировать нагрузку включением дополнительных резервных структур с очень высоким порогом активации без включения дополнительных пулов (адаптационных уровней). Этот механизм, в основе которого лежат приспособительные реакции, позволяет спортсменам легко переносить повседневные тяжелые физические нагрузки, а величина максимального коэффициента реакции может служить критерием их физической подготовленности к соревнованиям.

Представленное описание изменений коэффициента реакции каждого адаптационного уровня (пула) носит общий характер. Однако форма кривой, описывающей изменение коэффициента реакции каждого пула, одинакова для всех видов исследованных животных и человека, что свидетельствует об общебиологическом характере установленных закономерностей. Полагаем, что живые организмы обладают готовыми механизмами реагирования, работающими по единому принципу. Подтверждением этому может служить сходство кривой, характеризующей изменения коэффициента реакции для каждого пула, с известными типичными гомеостатическими кривыми, описывающими зависимость переменных внутренней среды от переменных внешней среды для разных типов биосистем [Новосельцев В.Н., 1978].

Важным фактором полноценной реализации резервных структурных элементов является достаточность энергетических ресурсов организма. Проводимые исследования гормонов щитовидной железы, по уровню которых можно было судить об обмене веществ и энергетических затратах организма, наглядно свидетельствуют об этом. Недостаток энергетических ресурсов отражается как на включении адаптационных уровней (пулов), так и на включении структурных элементов внутри каждого пула. Именно этот фактор определяет низкие максимальные значения коэффициента реакции на первых двух пулах, что при устойчивости такого состояния может свидетельствовать о заболевании организма. Максимальным значением коэффициента реакции обладают оптимальные для функционирования организма - средние адаптационные уровни: второй и третий. На высоких адаптационных уровнях большие энергетические затраты и связанная с этим нестабильность не дают возможность в полной мере раскрыться всем резервам, о чем свидетельствуют более низкие максимальные значения коэффициента реакции по сравнению с оптимальными пулами. Все процессы, происходящие в организме, в том числе и адаптационные, могут рассматриваться с позиции накопления, затрат и преобразования энергии. С этой точки зрения, адаптационный уровень отражает величину задействованных организмом энергетических ресурсов, а коэффициент реакции – адекватность и эффективность расходования этой энергии для формирования системного ответа на оказываемые воздействия внешней и внутренней среды.

Таким образом, энергетический потенциал имеет решающее значение в подключении дополнительных резервных структур и является важной составляющей работы организма как целостной системы.

Обобщая результаты проведенных исследований, можно сделать следующий вывод. В основе работы организма как целостной системы лежат механизмы реализации на разных иерархических уровнях резервных структурных элементов, работающих по принципу объектных пулов (адаптационных уровней). Пулы состоят из резервных структур с различным порогом активации (коэффициентом реакций), включение которых зависит от неспецифических характеристик воздействующих раздражителей. Решающее значение в реализации этих процессов играют энергетические ресурсы организма.

Организм является сложной системой, все структуры которой согласованно работают и взаимодействуют, выполняя свои специфические функции. Такая согласованность, по нашему мнению, достигается общей неспецифической основой их функционирования. Полагаем, установленные на уровне организма закономерности лежат в основе исходного принципа функционального построения организма, и охватывают все его структуры, объединяя в единую целостную систему.

 
Copyright © INO Sotek 1997-2018