Замечательная способность приспосабливаться к окружающей среде составляет неотъемлемое свойство живого организма, необходимую предпосылку самого сохранения жизни. Проблема приспособления - адаптации к внешней среде - это, пожалуй, наиболее традиционная из основных проблем биологии. Вместе с тем в наш век высокоразвитой науки и техники она приобрела новые аспекты, имеющие важное практическое значение. Приспособление к возросшему темпу жизни с ее многообразными, быстро меняющимися задачами; повышение устойчивости организма к необычным нагрузкам, необходимое в современной авиации и космонавтике; освоение областей высокогорья и Заполярья; наконец, использование адаптации для профилактики заболеваний системы кровообращения и мозга - таков далеко не полный перечень практических вопросов, возникающих сегодня в проблеме адаптации.
Чтобы активно воздействовать на процесс приспособления организма к тем или иным условиям, необходимо ясно представлять себе его механизм. Однако механизм, который с течением времени превращает организм неадаптированный, неустойчивый к данному фактору в организм адаптированный, устойчивый, во многих отношениях пока еще неясен.
Предлагаемая ниже читателям статья рассматривает новые, на наш взгляд, принципиально важные факты и представления автора статьи - известного советского физиолога - об этом механизме, а также наметившиеся в настоящее время перспективы управления адаптацией. Проблема адаптации так или иначе вторгается в жизнь каждого человека и мне думается, что эта статья будет интересна многим.
Член-корреспондент АН СССР О. ГАЗЕНКО.
Несколько молодых людей вошли в барокамеру; заработали компрессоры, откачивающие из камеры воздух, - начался постепенный «подъем». На «высоте» семи километров, когда содержание кислорода уменьшилось в два с половиной раза, нескольким испытуемым стало плохо, в то время, как другие продолжали играть в шахматы, решали математические задачи.
На беговую дорожку вышла группа мужчин одинакового возраста и веса; они бежали с равной скоростью. Первый сошел с дорожки после 10 минут бега, еще через 5 минут прекратили бег трое, а оставшийся бежал два часа.
Двое закурили. Один при этом занимался своей работой и исследования показали, что концентрация никотина в крови у этого человека незначительная. Другому от курения стало плохо. Концентрация никотина в крови оказалась в 10 - 12 раз выше, чем у первого.
Все три ситуации легко объяснимы. В барокамере хорошо себя чувствовали горцы, они родились и жили на высоте 4 000 метров, а трудно пришлось новичкам, впервые попавшим «на высоту». Два часа бежал опытный марафонец, а прекратили бег здоровые, но физически не тренированные люди. Низкая концентрация никотина в крови обнаруживается у старых курильщиков, организм которых за многие годы' курения одновременно с неизбежными повреждениями приобрел и способность связывать и нейтрализовать никотин; плохо почувствовал себя человек, куривший впервые в жизни.
Во всех этих случаях основой увеличения устойчивости организма оказалось одно и то же явление - приспособление к воздействию внешней среды, или, как говорят специалисты, адаптация.
Адаптация - одно из главных проявлений жизни. В процессе адаптации к внешней среде в течение многих миллионов лет выживали наиболее приспособленные. Эту адаптацию, развивающуюся в течение многих поколений, обычно называют адаптацией биологической. Индивидуальная жизнь каждого человека, животного, растения также представляет собой процесс непрерывного приспособления к меняющейся среде. Без такой индивидуальной физиологической адаптации невозможна жизнь.
Природа наделила организм быстродействующими приспособительными реакциями. В ответ на яркий свет быстро сужается зрачок. Повышенная физическая нагрузка заставляет сердце сокращаться чаще и сильнее. На холоде организм немедленно увеличивает «сгорание» пищевых веществ и выделяет необходимое тепло. Так происходит приспособление к сравнительно кратковременному действию различных условий.
Однако любой организм может оказаться в ситуациях, когда подобные влияния многократно повторяются либо затягиваются на долгое время. Тогда развивается долговременная адаптация. Именно она ответственна за приспособление организма к длительной физической или умственной нагрузке, недостатку кислорода на высоте, холоду, жаре и даже к вредным химическим веществам.
СТРУКТУРНЫЙ САЕД - ОСНОВА АДАПТАЦИИ
«Движение растений к свету и поиски истины путем математического анализа - не есть ли это по существу явления одного и того же порядка. Не есть ли это конечные звенья в безграничной цепи приспособлений, осуществляемых во всем живом мире», - писал И. П. Павлов.
Различные долговременные приспособительные реакции, а их необозримое множество - имеют общие черты. И одна из них в том, что большинство такого рода реакций вызывает усиленную деятельность органов и целых систем организма. Иногда это ярко проявляется внешне. Когда животное нападает или, наоборот, убегает от преследования, когда человек занят физической работой, это проявляет себя быстрыми движениями, усиленным дыханием и кровообращением. Все это ярко внешне выражено и совершенно очевидно занимает основное место в приспособлении к внешней среде.
Другая группа реакций внешне ничем не проявляется. Так, неподвижная поза животных, скрывающихся от преследования (положение «затаив дыхание»), и элементарные проявления выдержки у человека выглядят со стороны, как отсутствие деятельности. На самом же деле эти реакции возможны благодаря значительному увеличению работы корковых и подкорковых нейронов, осуществляющих активное торможение.
Но главная общность различных долговременных приспособительных реакций - это так называемый след, который остается в организме в результате усиленной работы соответствующего органа.
След - это структурные изменения в клетках того органа или системы, которые ответственны за адаптацию организма к данному влиянию среды. Простейший пример - значительное увеличение массы мышц у спортсменов. Недавние исследования показали, что при гипертрофии мышц в них растет количество митохондрий - частиц клетки, вырабатывающих энергию, которая необходима для сокращения. В результате организм оказывается приспособленным к большим физическим нагрузкам.
Другой пример - хождение по проволоке. Обучение этому навыку сопровождается сначала повышенной деятельностью, а затем увеличением массы и мощности нейронов тех нервных центров мозжечка, которые обеспечивают сохранение равновесия.
Поскольку в реакциях организма, как правило, участвуют не отдельные органы, а системы, поэтому и структурный след формируется одновременно в нескольких органах, образующих единую функциональную систему. Вот пример цепочки такого рода. Недостаток соли в пище вызывает усиленную деятельность специального эндокринного органа почек, клетки которого начинают в избытке выделять гормон ренин. Ренин, действуя на один из белков крови, ведет к образованию увеличенной дозы другого гормона - ангиотензина, а он, в свою очередь, заставляет усиленно работать клетки клубочковой зоны надпочечников. Клетки этой зоны выделяют в кровь большее количество важнейшего гормона - альдостерона, который-то, и блокирует все пути выделения натрия из организма, уменьшая этим его расход.
Итак, развитие структурного следа в почках и надпочечниках усилило мощность ренин-альдостеронового механизма, обеспечило экономию натрия, но главное, сделало организм приспособленным к подобным ситуациям в будущем - к недостатку соли.
Для высших форм адаптации, которые связаны с деятельностью головного мозга и являются основой поведения организма в сложных условиях биологической и социальной среды, представление о переходе функциональных изменений в структурные давно уже стало традиционным. Этот переход (правда, он по-разному понимается разными авторами) составляет основу современных взглядов на формирование временной связи в головном мозге.
Большинство исследователей стоят на том, что образование этой связи достигается достаточно интенсивным возбуждением определенных нейронов под действием условного или безусловного раздражителя. Такое увеличение физиологической функции нейронов приводит к развитию в них некоторых структурных изменений, обеспечивающих в конечном счете образование или упрочение связей между возбужденными нейронами. Этот структурный след сохраняется после того, как исчезает само возбуждение, и, по сути дела, представляет собой то, что в настоящее время именуют «памятным следом», «энграммой памяти», и т. д.
Следовательно, в основе высшей формы памяти - памяти мозга - так же, как и в основе более простых форм адаптивной памяти, о которых речь шла до сих пор, лежит структурный след.
Во всех рассмотренных примерах следы, составляющие основу приспособления, развиваются, как результат более или менее длительной физиологической деятельности. Такого рода стойкие изменения могут быть определены, как изменения от употребления. Именно таково наиболее короткое из современных определений памяти.
ОБРАЗОВАНИЕ
СТРУКТУРНОГО СЛЕДА
Как возникают структурные памятные следы?
Все живые органы и ткани состоят в основном из белков, которые синтезируются на матрицах РНК. Любой процесс роста в организме - это увеличение синтеза нуклеиновых кислот и белков. Естественно было предположить, что и структурные следы адаптации образуются в результате повышенного синтеза этих веществ.
Исследования подтвердили это предположение, установив, что любая, достаточно длительная нагрузка вызывает в соответствующем органе усиленный синтез нуклеиновых кислот и белков. Важно подчеркнуть, что такой ответ на увеличенную нагрузку идет именно за счет повышения активности генетического аппарата. Эго подтверждается довольно простым опытом. Если в организм ввести химическое вещество, которое блокирует синтез РНК на генах клеточного ядра (а потому и синтез белка уже не может увеличиться), то структурный след не образуется и адаптация не развивается.
Итак, следующая цепь событий приводит к образованию структурного следа воздействие среды увеличивает деятельность определенного органа; его увеличенная деятельность, каким-то образом активирует генетический аппарат; в клетках растет концентрация РНК, повышается синтез белка и, как результат, возрастает масса необходимых для адаптации структур.
Если это представление справедливо, то вещества, способствующие синтезу нуклеиновых кислот и белков, должны ускорять развитие адаптации.
Эксперименты показали, что именно так и обстоит дело. В 1965 году наша лаборатория занималась изучением тренированности - опыты проводились на мышах. Если интенсивно тренировать животных, заставляя их, например, подолгу плавать в ванне, то в первые несколько недель выносливость животных быстро нарастает время, в течение которого они могут с грузом держаться на воде, увеличивается в несколько раз. Однако вскоре слишком жесткий режим тренировки приводит к срыву адаптации, - животные уже значительно меньше держатся на поверхности. В опытах, которые шли параллельно, режим тренировки был таким же, но животным ежедневно вводили оротовую кислоту, фолиевую кислоту и витамин В12 - вещества, способствующие синтезу нуклеиновых кислот и белков. Здесь срыва адаптации не было, тренированность, продолжая нарастать, достигла высокого уровня.
Другой пример относится к области кардиопатологии. После инфаркта миокарда сердце справляется со своей работой за счет более напряженной деятельности неповрежденных участков сердечной мышцы, где идет усиленный синтез нуклеиновых кислот и белков. А если животным с экспериментальным инфарктом вводить вещества, способствующие синтезу нуклеиновых кислот и белка, то функция сердца восстанавливается раньше и полнее, чем обычно.
Теперь такие вещества применяют в комплексной терапии инфаркта миокарда у людей.
Это улучшает работу сердца, уменьшает количество смертельных исходов от сердечном недостаточности.
ПРЯМАЯ И ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ
Когда организм приспосабливается к внешней среде, генетический аппарат активируется в клетках тех физиологических систем, на которые падает наибольшая нагрузка.
Рассмотрим эту проблему на примере сердца. При сужении аорты у животных или при пороке сердца у человека нагрузка на грамм сердечной мышцы - иначе говоря, интенсивность функционирования структур - возрастает. В ответ увеличивается синтез нуклеиновых кислот и белков и сердце начинает расти. У кролика за 5 дней после сужения аорты оно может вырасти на 80 процентов, а у человека постепенно достигает 500 - 1 000 граммов веса вместо 300 граммов в норме. После этого увеличенная нагрузка, падающая на сердце, распределяется в его возросшей массе. Теперь интенсивность работы мышцы возвращается к нормальному уровню, а потому активация синтеза белка прекращается. Сердце больше не растет.
Если в дальнейшем уменьшить нагрузку на сердце, например, снять кольцо, сужающее аорту у животных, или устранить порок сердца у человека, как это делают хирурги, то интенсивность функционирования сердечной мышцы становится ниже нормы. В ответ на это активность синтеза РНК и белка падает - гипертрофия исчезает, вес сердца возвращается к норме.
Таким образом, генетический аппарат и физиологическая функция клетки связаны своеобразной системой авторегулирования. Как во всякой системе такого рода, здесь, естественно, должна существовать прямая и обратная связь.
Прямая связь состоит в том, что гены через РНК обеспечивают синтез белка и тем самым создают структуры - нервные, мышечные, секреторные клетки, которые и осуществляют функцию. В свою очередь, интенсивность функционирования структур, каким-то образом регулирует работу генетического аппарата. В этом и проявляется обратная связь. Остановимся на ней подробнее.
Когда интенсивность функционирования органа возрастает, его деятельности становится, как бы «тесно» в присущей ему структуре и тогда в генетический аппарат поступает сигнал, предписывающий увеличить синтез РНК, и белка. Клетки растут и деятельность органа (или целой системы) возвращается к норме.
Когда же интенсивность органа уменьшается и его деятельности становится, как бы «слишком просторно» в структуре, активирующая сигнализация, поступающая в генетический аппарат, уменьшается, в результате синтез РНК и белка снижается и масса органа уменьшается. Интенсивность функционирования опять-таки возвращается к своей исходной, нормальной величине.
Следовательно, интенсивность функционирования структур - не только регулятор активности генетического аппарата, но и важная физиологическая константа, которую организм стремится сохранить на постоянном уровне, своевременно вызывая рост или атрофию клеток.
АКТИВИРУЮЩИЙ СИГНАЛ
Казалось бы, универсальный механизм найден - увеличение функции порождает сигнал, активирующий генетический аппарат, и т. д. Однако вскоре нам пришлось столкнуться с явлениями, которые не укладывались в эту схему.
Изучалась адаптация к высотной гипоксии в горах северного Тянь-Шаня. Во время этих исследований было обнаружено, что генетический аппарат нейронов коры головного мозга приходит в активность без, какого-либо увеличения деятельности этих клеток. Поднятые на высоту 3,5 - 5 тысяч метров животные становились вялыми, у них нарушались условные рефлексы, что говорило о явном снижении, а иногда и нарушении работы коры головного мозга. Но именно в это время синтез белка в гигантских пирамидных нейронах коры вырастал и размеры нейронов увеличивались.
В дальнейшем выяснилось, что такая парадоксальная на первый взгляд ситуация, когда работа органов и систем не увеличивается, а синтез нуклеиновых кислот и белков в клетках растет, встречается довольно часто. Например, при адаптации к холоду деятельность скелетных мышц существенно не меняется, но синтез в них активирован. (Количество такого рода наблюдений растет в последние годы, как снежный ком.)
Но, что же тогда порождает сигнал, который заставляет генетический аппарат действовать очень активно?
Поиски ответа на этот вопрос навели нас на мысль внимательнее присмотреться к энергетической системе клетки. Из исследований академика В. А. Энгельгардта известно, что всякий организм имеет универсальный источник энергии - АТФ - аденозин-трифосфорную кислоту. Это вещество, синтезируемое в митохондриях клетки, аккумулирует в себе энергию, освобождающуюся при окислении питательных веществ.
Исследования последних лет показали, что если внешняя среда оказывает давление на неадаптированный организм, то пополнение АТФ отстает от ее расхода. И тогда количество АТФ в клетках снижается, но увеличиваются продукты ее распада. К такому конечному сдвигу приводят, хотя и разными путями и умственная и физическая нагрузки и холод и недостаток кислорода. При нагрузках резко возрастает расход АТФ, и синтез АТФ в митохондриях нервных клеток, клеток сердца и мышц отстает от ее расхода. На холоде значительная часть энергии окисляемых питательных веществ вообще не превращается в АТФ, а переходит в тепло. При недостатке кислорода на высоте выработка АТФ в митохондриях уменьшается по иной причине из-за дефицита кислорода, но в итоге содержание АТФ тоже снижается.
Рассматривая в экспериментах эти закономерности, наша лаборатория показала, что в клетках именно вслед за появлением такого общего сдвига всегда начинается активный синтез нуклеиновых кислот и белков, причем раньше всего и больше всего увеличивается выработка тех белков, из которых строятся митохондрии и количество митохондрий растет.
Теперь уже можно было сформулировать гипотезу о том, как появляется структурный след и, как он устраняет недостаток АТФ.
Внешняя среда, действуя различными путями на живое существо, приводит ц одному и тому же общему сдвигу - дефициту АТФ, и увеличению количества продуктов ее распада. Этот сдвиг в наибольшей мере выражен в клетках тех органов или систем, на которые направлено влияние среды и которые поэтому несут главную ответственность за адаптацию. Причем дефицит необходимой для жизнедеятельности АТФ вызывает такие хорошо известные состояния у неадаптированных людей и животных, как утомление при нагрузках, оцепенение на холоде, нарушение работы мозга на высоте и т. д.
Возросшая разность между количеством продуктов распада АТФ, и самой АТФ становится тем сигналом, который - здесь, правда, еще не ясно, каким образом, - активирует генетический аппарат клетки (наиболее вероятно, что в роли такого активатора генетического аппарата клетки, то есть в роли носителя сигнала, выступает производное АТФ циклический аденозин - 3,5-монофосфат - АМФ).
Генетический аппарат клетки, получив такой сигнал, прежде всего увеличивает образование митохондрий - мощность системы митохондрий растет, больше вырабатывается АТФ на единицу массы тканей. И только после этого генетический аппарат увеличивает образование других клеточных структур - растут клетки в органах и системах, ответственных за адаптацию, а это, в свою очередь, приводит к тому, что работа, а значит и потребление АТФ на единицу массы клетки снижается.
Итак, увеличение количества митохондрий на единицу массы клетки и рост клеток - вот существо структурного следа, который ведет к развитию устойчивого приспособления организма к тем или иным влияниям среды.
АДАПТАЦИЯ И ПРОФИЛАКТИКА
Принцип профилактики, как известно, один из основных принципов советского здравоохранения. Блестящая его иллюстрация - ликвидация многих инфекционных заболеваний. Однако успешная профилактика оспы, чумы, холеры, туляремии и других опасных инфекций оказалась возможной потому, что сам организм обладает замечательной способностью адаптироваться к обитающим в окружающей среде микробам, то есть синтезировать особые белки - антитела, уничтожающие микробов. Такая адаптационная реакция возникает и в ответ на введение ослабленных или убитых микробов и составляет основу иммунитета, постепенно развивающегося после прививок.
Таким образом, механизм адаптации - одновременно и механизм профилактики. Можно ли использовать адаптацию для профилактики неинфекционных болезней, таких, например, как болезни кровообращения, которые стоят на первом месте среди причин смертности в современном мире? Видимо, это вполне реальная возможность.
Представление о том, что увеличение мощности энергетической системы того или иного органа тела составляет общее звено адаптации к различным воздействиям, по сути дела, означает, что адаптация организма к одному фактору должна повышать его устойчивость к другим, и в частности к повреждающим. Например, в основе многих болезней сердца и мозга лежит нарушение энергетического обеспечения их деятельности, то есть нарушение именно в той системе, мощность которой возрастает при адаптации.
Вот один из недавних наших экспериментов, где адаптация использовалась с целью профилактики поражений сердца и мозга. Для того, чтобы выработать у животных адаптацию к гипоксии, их в течение двух месяцев ежедневно на несколько часов помещали в барокамеру, в которой постепенно создавался недостаток кислорода, соответствующий высоте от 2 до 6 тысяч метров над уровнем моря. Затем у адаптированных и неадаптированных животных вызывали экспериментальные заболевания кровообращения и мозга. Сопоставление этих Двух групп животных показало, что адаптация не дает развиться острой недостаточности сердца, какая обычно возникает при экспериментальном пороке значительно меньше умирает животных при экспериментальном инфаркте миокарда; тормозится и развитие экспериментальной гипертонии.
Сходная картина выявилась и при изучении того, как влияет приспособление организма к высотной гипоксии на деятельность мозга сформировавшаяся адаптация ускоряет выработку условных рефлексов, делает закрепленные рефлексы более устойчивыми к действию таких чрезвычайных раздражителей, как электрошок, и т. д.
Разумеется, заболевания животных существенно отличаются от болезней человека. Поэтому нельзя механически переносить результаты успешной экспериментальной профилактики в клинику. И все-таки эти результаты могут быть использованы, как отправной пункт клинико-физиологических исследований. На этой основе Бюро ученого совета Министерства здравоохранения СССР приняло недавно решение об изучении адаптации к прерывистой гипоксии, как метода профилактики и лечения некоторых заболеваний кровообращения и мозга у человека.
Несомненно, что это только первые шаги в использовании адаптации с целью профилактики болезней и совершенствования приспособительных реакций организма человека.
В настоящее время известно, что адаптация к высотной гипоксии делает организм более выносливым физически, повышает его устойчивость к ионизирующему излучению, переохлаждению. А с другой стороны, адаптация к физическим нагрузкам - тренированность - способствует приспособлению к гипоксии, а главное-тормозит развитие коронарной болезни, гипертонии, недостаточности сердца при пороках.
Адаптация к холоду не только повышает устойчивость к простудным заболеваниям, но приводит к значительному и длительному увеличению работы симпатического отдела нервной системы. Этот сдвиг напоминает изменения, возникающие в мозгу при введении веществ - антидепрессантов, применяемых при лечении психических заболеваний.
Дальнейшее изучение механизма адаптации и ее профилактических возможностей, по-видимому, позволит создать программы комбинированной адаптации организма сразу к нескольким факторам среды - программ, которые помогут здоровому человеку достигнуть высокого совершенства приспособительных реакций, сделают его устойчивым к многообразным перегрузкам и повреждающим воздействиям окружающего мира.
Многое позволяет предположить, что более детальное познание молекулярных механизмов адаптационного процесса уже в ближайшее время даст науке возможность получить химические вещества - адаптагены, которые, либо действуя через циклическое 3,5 - АМФ, либо выступая, как индукторы генетического аппарата, смогут вызывать увеличенное образование митохондрий, подстегивать синтез нуклеиновых кислот и белков в клетках систем, ответственных за адаптацию. А это означает, что можно будет целенаправленно вызывать формирование структурных основ адаптации еще до того, как организм встретится с факторами среды, к которым он вынужден приспосабливаться.
