2 курс / Нормальная физиология / Загускин_С_Л_Ритмы_клетки_и_здоровье_человека

объясняется не только трудностями их практического использования, но и недостаточным пониманием возможностей и условий замедления старения. В литературе имеются лишь единичные попытки хронобиологического подхода в геронтологии и гериатрии [2]. Обнаружено, что с возрастом уменьшаетсяамплитудабольшинстваоколосуточныхбиоритмовчеловека,продукция мелатонина, гормона, который тормозит старение и развитие рака. Систематического анализа роли временной организации и путей восстановления согласования функциональных систем в организме человека при старении практически не проводилось. В то же время известно, что любые нарушения жизнедеятельности, любая патология и неблагоприятные изменения функционального состояния и регуляторных процессов биосистемы сопровождаются нарушением временной гармонии процессов на тех или иных уровнях данной биосистемы. При старении состояние адаптации, характеризуясь экономичностью приспособительных механизмов, приводит к ослаблению саморегуляции и восстановительных возможностей функциональных систем организма.

Сохранение устойчивости любой биосистемы может обеспечиваться двумя противоположными стратегиями регуляции жизнедеятельности. Первая стратегия, назовем ее пассивной стратегией экономичности, заключается в снижении внешней активности, функциональных энергозатрат и благодаря последним еще в большей степени снижении внутренних регуляторных энергозатрат. Эта стратегия целесообразна и дает приоритет в сохранении устойчивости использующим ее биосистемам в условиях дефицита внешней энергии. Она максимально предотвращает возникновение десинхронозов при дефиците внешней энергии, хотя часто недостаточна для их устранения. Типичный способ устранения десинхронозов в условиях преобладания первой стратегии – это элиминирование неоптимальных по биоритмам структур. Наиболее выраженные случаи этой стратегии – анабиоз, зимняя спячка, сон. Вторая стратегия, назовем ее активной стратегией перестройки, роста и развития, дает преимущества тем биосистемам, которые повышают не только внешние, но и внутренние энергозатраты благодаря более эффективному использованию дополнительной внешней энергии и активной адаптации к новым внешним условиям. Эта стратегия целесообразна и дает приоритет в выживании тем биосистемам, которые в условиях достаточных резервов внешней энергии способны использовать эту дополнительную внешнюю энергию на повышение своей организации, рост, размножение, совершенствование своей структуры и устранение возникающих десинхронозов путем усиления восстановительных процессов, устранения поломов и ошибок. Данная активная стратегия в большей степени, чем первая, способна устра-

151

нять десинхронозы путем усиления восстановительных процессов и синтеза новых структур, оптимальных по параметрам их биоритмов.

Непостоянство внешней среды, наличие разных периодов ритмов и доступности внешней энергии для любой биосистемы требуют соответствующегочередованияпервойивторойстратегийжизнедеятельности.Сниженная жизнедеятельность невыгодна в условиях повышения доступности внешней энергии. Даже бактерии в этих условиях выходят из анабиоза, прорастают семена растений, выходят из зимней спячки животные. Природа оживает, когда при достаточной солнечной энергии появляется благодаря дождям вода и внешняя энергия становится доступной для использования. Наоборот, при дефиците внешней энергии вследствие внешних погодных и иных ритмов, организмы, не успевающие снизить жизнедеятельность, погибают. Одним из приспособлений является перед гибелью растения цветение и образование семян. Аналогично гибнут лососи, выметав икру. Длительное преобладаниеоднойизстратегийувеличиваетвероятностьпотериустойчивости биосистемы. Длительная симпатикотония или ваготония организма человека сопровождаются развитием патологии, ускоряют старение. Длительное преобладание стратегии экономичности снижает обмен веществ и резервы саморегуляции. Длительное преобладание второй стратегии повышенной активности так же не может не приводить к усилению деструктивных энтропийных процессов относительно восстановительных антиэнтропийных, так как уровень последних не может расти бесконечно. К тому же и источники внешней энергии могут уменьшаться. Период избыточной внешней энергии неизбежно в этом случае приводит к ее дефициту и требует перехода к первой стратегии экономичности.

Оптимальным для сохранения устойчивости биосистемы может быть такой спектр ритмов чередования первой и второй стратегий жизнедеятельности, который максимально бы соответствовал и предсказывал (опережающее отражение) ритмы изменения внешней среды. Вот почему правильный образ жизни, нормальное чередование сна и бодрствования, околочасовых, суточных, недельных и сезонных ритмов физической активности, дыхания, работы и отдыха, питания и других функций в соответствии с внешними ритмами очень важны для замедления старения и сохранения здоровья. С возрастом в результате обучения и минимизации энергетических затрат снижается гомеостатическая мощность. В результате десинхронозы, как необходимые элементы саморегуляции, становятся все с большей вероятностью уже не функциональными (обратимыми) при тех же экстремальных и стрессовых нагрузках, а патологическими, необратимыми. Сохранение устойчивости организма в этих случаях происходит уже не путем поддержания устойчивости элементов (клеток), а путем их элиминирования. Резервы стволовых

152

клеток истощаются, необратимые изменения происходят в нервной ткани в связи с гибелью дифференцированных нейронов. Скорость развития старения может быть разная, но продолжительность жизни у особей одного вида имеет некий предел, определяемый морфологическими и гомеостатическими возможностями. Именно они генетически обусловлены, а не само старение и смерть особи. Активное долголетие сводится к задаче поддерживать и развивать эти возможности.

Таким образом, все гипотезы старения, акцентирующие внимание на его генетической обусловленности и программировании, и все гипотезы, связывающие механизм старения с увеличением и накоплением случайных ошибок и полома регуляторных процессов, не противоречат пониманию старения как обучения и адаптации биосистем. В результате адаптации биосистемы к внешней среде и воздействиям других биосистем (например взаимная адаптация органов в организме, включая мышцы и рецепторы) уменьшается гомеостатическая мощность, накапливаются ошибки обмена веществ и поломы, увеличивается экономичность регуляторных затрат и вероятность повреждающих воздействий. Нарушения регуляции при старении на всех уровнях увеличиваются вплоть до наступления критических условий на всех вышележащих уровнях – от невозможности замены неоптимальных макромолекул и клеток до необратимых изменений на уровне тканей, органов, а затем и всего организма. Преобладание первой стратегии экономичности по мере адаптации и обучения, включая связи с биосистемами того же уровня и с внешней средой, термодинамически обусловлено и в этом смысле генетически запрограммировано как свойство определенных морфологических структур. Прямое программирование старения, точнее, смерти (лососи, некоторые растения после цветения), является одним из адаптивных свойств эволюционного приспособления конкретного вида, а не общей закономерностью. Отсутствие видимого старения и «внезапная» смерть некоторых видов черепах, гренландских китов, больших птиц и рыб – также эволюционное приспособление к высоким физическим нагрузкам, отражающим триггерное достижение предела энергетического обеспечения высокого уровня жизнедеятельности. У человека этих эволюционных приспособлений нет, так как диапазон его физических нагрузок очень широк. Он может заметно уменьшаться с возрастом, а репродуктивная способность непосредственно не связана со старением при снижении поступления внешней энергии.

Для увеличения продолжительности жизни отдельного организма и замедления старения природа «изобрела» четыре способа. Старением организм платит за обучение, адаптацию, привыкание к внешней среде. Приобретаемая онтогенетическая память всегда направлена на увеличение экономичности взаимодействия. Это означает уменьшение по мере обучения

153

свободной энергии и функциональной индукции пластических (восстановительных) процессов, параметрически зависящих от уровня положительного энергетического дисбаланса. В «обученной» биосистеме меньше резервы саморегуляции и гомеостатическая мощность, меньше амплитуда регуляции энергетики. Снижение энергообеспечения ответных реакций по мере обучения (снижения внутренних регуляторных энергозатрат) неизбежно приводит к увеличению вероятности полома и элиминации отдельных структур, накоплениюошибокподвлияниемвнешнихфакторов,которыеранеенеявлялись повреждающими или легко репарировались, исправлялись при исходно высоких компенсаторных и регуляторных восстановительных возможностях.

Первый способ замедления старения присущ древесным формам растений, некоторым грибам и рыбам, которые растут всю жизнь, тем самым, замедляя обучение взаимодействия элементов и подсистем в своих организмах, создавая условия для доминирования второй стратегии поддержания устойчивости. Ограничение этого способа – несоответствие экологической нише и гравитации, ограничение по механизмам транспорта метаболитов и интеграции элементов в организме. Это геометрические размеры и масса организма. Вынуждены использовать этот способ и птицы, так как полет требует сохранения высокой физической активности. Птицы умирают при отсутствии явных признаков старения. Замедление обучения возможно благодаря преобладанию инстинктов и безусловных рефлексов в однородной воздушной среде. Птицы в условиях свободного полета регулируют скорость в широком диапазоне не путем изменения частоты взмахов крыльев, а лишь изменением амплитуды. Причем оптимальная частота взмахов соответствует массе и размерам данной птицы (Tucker, 1968; Борин, Кокштайский, 1982). Отклонения от этих оптимальных ритмов при полете сразу вызывают нарушение и всех других биоритмов организма птицы и ее смерть.

Второй способ замедления старения – нахождение экологической ниши, соответствующей, наоборот, первой стратегии жизнедеятельности, снижению обмена веществ, снижению потребности во внутренних регуляторных энергозатратах, снижению скорости обучения (черепахи, паразитические организмы, организмы с длительным анабиозом, гипобиозом, зимней спячкой). Для человека этот способ частично проявляется при летаргическом сне. Однако этот способ является замедлением старения по физическому, а не по биологическому времени.

Третий способ замедления старения присущ человеку, который резко превосходит все другие виды организмов по соотношению продолжительности жизни относительно периода полового созревания, роста и морфогенеза. Только у человека максимально оперативно подстраивается спектр биоритмов, адекватно и оперативно происходит смена первой и второй стратегий

154

жизнедеятельности. Не мощность, а лабильность гомеостазиса, формируемая генетически, определяет потенциальную продолжительность жизни. Увеличению продолжительности жизни, замедлению старения способствуют также все факторы, поддерживающие гармонию биоритмов: здоровый образ жизни, адекватные физические и психические нагрузки, рациональное питание, исключение вредных привычек и других повреждающих факторов, включая неблагоприятные экологические. Иначе, увеличение продолжительности жизни человека по сравнению с другими видами млекопитающих происходит за счет увеличения объема памяти и длительности адаптации нервной системы, за счет увеличения восприятия разнообразия внешней среды, социальной, научной и другой информации. Творческие люди, сохраняющие интерес к новостям, к научной, социальной и иной информации, медленнее адаптивно снижают уровень энергетического обмена и медленнее стареют, особенно в отношении функции мозга. Однако лимитирующим фактором продолжительности жизни человека может у разных людей оказаться не мозг, а, например, сердце или другие органы, которых раньше затронет возникший патологический десинхроноз. Птицы семейства врановых и попугаи увеличивают продолжительность жизни, как и люди, за счет увеличения объема памяти («любопытства» и фактора новизны).

Четвертый способ «кардинального» решения проблемы старения – исключение обучения, потеря онтогенетической памяти и возвращение к неэкономичной энергетике достигается у одноклеточных организмов при их делении. Гаметоциты формально тоже не стареют и бессмертны, так как и яйцеклетки женщины и сперматозоиды мужчин продолжают свою жизнедеятельность (хотя далеко не все) в новом организме и дают при делении, в том числе и новые, гаметоциты. Одноклеточные организмы вообще не стареют, однако в принципе такое решение не отличается от размножения других видов организмов с потерей индивидуальной памяти.

Раковая клетка не способна к обучению, адаптации, дифференцировке и поэтому она бессмертна. Разумеется, пока ее жизнедеятельности соответствует внешняя среда, и она не использовала как паразит все возможности организма, в котором она появилась, или запасы пищи и энергии искусственной культуральной среды. Клетки опухоли молочной железы негритянки Хелли живут в лабораториях всего мира уже больше ста лет. Дети тоже не наследуют онтогенетическую память и условные рефлексы родителей. Интересно, что в культуре клеток, как и в ткани организма, происходит взаимодействие и обучение между клетками, что приводит к старению культуры клеток. Культура раковых клеток требует периодической пересадки. Для человека такой способ продления жизни явно не приемлем. Это означает отключение создания, потерю личных субъективных ощущений, отсутствие

155

обучения.Близкимкэтомусостоянию являетсялетаргическийсон,при котором организм практически не стареет, но старение происходит очень быстро при выходе из этого состояния. Анабиоз микроорганизмов может длиться миллионы лет, но это нельзя считать замедлением старения. Жизнь включает обучение, восприятие новой информации и приспособление к новым внешним условиям. Разнообразие жизни и поведения, дезадаптация, постоянное обновление внешней информации – одно из необходимых условий замедления старения.

Таким образом, устойчивость биосистем любого иерархического уровня основана на: 1) согласовании ритмов энергетических, функциональных и структурных процессов; 2) коррекции их относительно временной организацией внешней среды; 3) энергетической параметрической зависимости величины и знака функциональной индукции восстановительных процессов.

Хронодиагностика осуществляется по виду, характеру и степени десинхронозов. Биоритмологическое биоуправление устраняет десинхронозы, восстанавливая гармонию биоритмов за счет согласования функциональной нагрузки с фазами ритмов увеличения энергообеспечения ответных реакций. С учетом этих закономерностей нами разработаны методы и аппараты для хронодиагностики и биоуправляемой хронофизиотерапии, которые позволяютнетолькозамедлятьстарениеиподдерживатьздоровьеорганизмачеловека, но и восстанавливать его наиболее адекватным естественным способом.

На основании вышеизложенного подхода нами была разработана хронобиологическая теория устойчивости биосистем, основные положения которой заключаются в следующем:

1)Иерархии уровней интеграции биосистем соответствует иерархия периодов биоритмов, постоянных времени обратных связей в регуляторных контурахидлительностейпереходныхпроцессовнакаждомуровне.Каждый основной уровень биологической интеграции в эволюции биосферы (клетка, организм, биоценоз) сопровождается образованием более медленных (в π3) интегральных биоритмов биосистемы при преодолении конституционного предела увеличения плотности потока используемой внешней энергии. Каждый промежуточный уровень при интеграции однородных или разнородных элементов в биосистеме сопровождается появлением более медленных (в π2) интегральных биоритмов при преодолении, соответственно, первого или второго кинетических пределов увеличения скорости потребления внешней энергии.

2)Временная организация биосистем имеет дискретный, в идеале (максимум устойчивости) фрактальный вид, причем длительность структурных процессов примерно в 3 тыс. раз (π7) больше длительности функциональных процессов того же уровня.

156

3)Коэволюциявременнойорганизациивнешнейсредыибиосистеми,соответственно, процессы онто- и филогенеза, адаптации, старения, развития

иэволюции определяются на всех уровнях универсальным энергетическим критерием – максимизацией интеграла отношения внешних энергетических затрат биосистемы к ее внутренним регуляторным энергозатратам за время соответствующего переходного процесса. Направленность биологических процессов по данному критерию соответствует согласованию ритмов зольгель переходов между системами макромолекул, клеток и через них между биосистемами высших уровней. Согласование ритмов золь-гель переходов

иподдержание устойчивости биосистемы обеспечивает память и обучение по типу коррекции (устранение десинхроноза), или по типу разрушения и элиминирования (гуморальный, клеточный иммунитет, апоптоз клеток с нарушенными ритмами, раковых или чужеродных микроорганизмов) либо с образованием симбиотических ритмов (полезная микрофлора).

4)Устойчивость любой биосистемы определяется ее гомеостатической мощностью, которая характеризуется максимально допустимой без потери устойчивости длительностью десинхроноза, не превышающей длительность соответствующего структурного восстановительного процесса.

5)Функциональные обратимые десинхронозы и противоречия целевых энергетических функций оптимизации смежных иерархических уровней являются основой развития, адаптации и эволюции.

6)Сохранение устойчивости биосистемы вышележащего уровня может реализоваться двумя противоположными способами – сохранением устойчивости подсистем и элементов, не вызывающих десинхроноз с биосистемой в целом, или элиминированием элементов, не оптимальных энергетически для достижения целевой функции биосистемы высшего уровня.

7)Стратегия поддержания устойчивости в условиях ограниченных внешних энергоресурсов направлена на сохранение устойчивости более экономичных элементов, минимизирующих энергозатраты как на внешнее функционирование, так и в большей степени на внутреннюю саморегуляцию.

8)Стратегия сохранения устойчивости в условиях даже временно достаточных или избыточных энергоресурсов направлена на приоритетное выживание (отбор) биосистем, способных эффективно и более оперативно использовать дополнительные энергоресурсы на увеличение своей организации, биомассы и возникновение новых биоструктур.

9)Биосистемы, способные к выработке ритмов чередования пассивной

иактивной адаптации, совпадающих с ритмами внешней среды, с ритмами энергопродукции, имеют приоритет для сохранения устойчивости, прогрессивной эволюции и развития.

157

10)Для согласования фрактальной структуры и иерархии периодов биоритмов с временной организацией внешней среды биосистемы на уровне клетки вырабатывают, закрепляя в морфологии кальциевых депо, ритмы противофазных колебаний высвобождения и связывания, депонирования кальция в соответствующих микроструктурах. Для снижения чувствительности к неблагоприятным внешним ритмам они повышают концентрацию кальция в цитозоле для соответствующих сигналов. Снижая локальную или интегральную концентрацию кальция в цитозоле, клетки повышают чувствительность к полезным сигналам, к сигнатурным стабилизирующим и корректирующим ритмам (например, околосуточному) путем адаптивных изменений спектра ритмов золь-гель переходов, регулирующих все виды внутриклеточного движения и интегративные свойства клетки. Привычные повторяющиеся воздействия закрепляются биосинтезом рецепторных белков, определяющих новые параметры ритмов золь-гель переходов в клетке

ивзаимосогласование их с исходными ритмами золь-гель переходов других структур клетки.

11)Аналогично на уровне организма приспособление обоих видов обеспечивается динамикой архитектуры капиллярного русла и регуляцией спектра ритмов микроциркуляции, через энергообеспечение и трофику регулирующих чувствительность тканей и органов, выработкой условных рефлексов, а в эволюции – новых нервно-гуморальных связей и генетически закрепляемых форм функции и морфологии.

12)На уровне биоценозов и биосферы аналогично оптимальная временная организация закрепляется межвидовыми отношениями, соответствующей морфологией популяций, консорций, биомов и эколого-климатических зон.

13)Гистерезисный вид зависимости золь-гель (фазовых) переходов в клетке от концентрации кальция в цитозоле и АТФ, аналогичные свойства латентности и инерционности в энергообеспечении процессов в организме, биоценозе и в биосфере объясняют явления суммации внешних воздействий

итриггерный характер реакций.

14)Биологическая память на уровне клетки и других биосистем вплоть до биосферы в целом обеспечивает по принципу опережающего отражения (по П. К. Анохину) преднастройку временной организации биосистемы к наиболее вероятным изменениям временной организации внешней среды. Это главное отличие памяти биосистем от памяти существующих технических систем.

15)Тактовая частота биосистем в отличие от технических систем имеет биологический, а не астрономический эталон времени. Например, для организма единицей биологического времени является межпульсовый интервал.

158

16)Информационные биологически значимые сигналы для биосистем любого уровня имеют многочастотные коды с инвариантным соотношением ритмов. Любая регуляция в биосистемах имеет многоконтурный многочастотный характер.

17)Биорезонансы биосистем возникают лишь на многочастотные воздействия, биологически значимые и привычные, в которых важны не абсолютные значения частот, а их соотношения, адекватные закрепленным при обучении (в онтогенезе и эволюции) и соответствующие иерархии периодов биоритмов.

18)Хронобиологические алгоритмы диагностики состояния биосистем более просты и удобны в практическом приложении, так как требуют оценки только временных параметров, дифференциальных режимов оценки кинетики, динамики процессов соответствующего уровня, а не их абсолютных значений. Они позволяют прогнозировать направленность ответных реакций

ииспользовать их в интерактивных системах биоуправления устойчивостью биосистем.

19)Биоритмологическое биоуправление устойчивостью биосистем через коррекцию временных параметров биосистемы и устранение десинхронозов биологически более адекватно и эффективно, чем существующие способы воздействия на уровень функции или на морфологию, так как позволяет однонаправлено корректировать параметры гомеостазиса на любом уровне без их расшатывания, что особенно важно при сниженных регуляторных возможностях конкретной биосистемы. Например, биоуправляемая хронофизиотерапия в отличие от обычной физиотерапии не расшатывает параметры гомеостазиса, а направленно их нормализует, что исключает побочные негативные эффекты и важно при лечении детей, пожилых людей, при тяжелых патологиях, когда снижены резервы саморегуляции.

20)Биоуправляемая хронофизиотерапия организма в отличие от обычной физиотерапии и от медикаментозной терапии позволяет гарантированно исключить побочные эффекты и обострения, обеспечивает системный характер лечения. Она исключает привыкание, негативные компенсаторные изменения в других органах и системах, снижает или в ряде случаев даже исключает потребность в лекарственных препаратах, увеличивает скорость

икачество профилактики и реабилитации. Стабильность лечебного эффекта связана с выработкой тканевой памяти. Тканевая память образуется по типу натурального условного рефлекса за счет многократного сочетания вдоха пациента с усилением физиотерапевтического воздействия, усиливающего кровоток и метаболизм ткани в месте воздействия. После сотен таких сочетаний в процессе курса биоуправляемой хронофизиотерапии ежедневно в течение 10–14 дней обычно по 2–4 минуты на область патологии уже каж-

159

дый вдох самого дыхания поддерживает нормализованный спектр ритмов микроциркуляции и уровень кровотока. Стабильность лечебного эффекта в результате образования тканевой памяти сохраняется, как показала проверка, до трех месяцев.

Для оценки состояния биосистемы, прогнозирования ее реакций принципиально знать ее гомеостатическую мощность – величину допустимых отклонений ее параметров без потери устойчивости биосистемы конкретного уровня. Выход за коридор нормы удобнее и проще оценивать по виду, характеру и степени десинхроноза, т. е. по нарушению временной гармонии. Адаптация биосистемы любого иерархического уровня к внешней и внутренней среде носит циклический характер чередования периодов роста и развития в первой фазе увеличения общего уровня энергозатрат и снижения их на второй фазе – фазе старения. В обеих фазах биологического цикла смены поколений биосистем в результате обучения и адаптации увеличивается отношение энергетических затрат на внешние структурные и функциональные процессы относительно внутренних энергозатрат на структурную и функциональную регуляцию. В фазе старения увеличение экономичности снижает гомеостатическую мощность и устойчивость биосистемы. На этой фазе увеличивается вероятность возникновения десинхронозов – нарушения гармонии биоритмов под влиянием неблагоприятных внешних воздействий, развитие болезней адаптации.

В периоды витаукта (относительного восстановления гармонии биоритмов и их согласования) десинхронозы устранятся благодаря резервам гомеостаза, так как термодинамически и энергетически они не выгодны. Однако достигается их устранение за счет общего снижения энергетического и пластического метаболизма. При этом уменьшается и общее количество клеток в тканях, так как устойчивость организма и органов поддерживается при этом за счет гибели энергетически неоптимальных макромолекул и клеток, а их ресинтез, внутриклеточная регенерация и тканевая пролиферация относительно снижены. Особо существенна для ускорения старения, снижения уровня жизнедеятельности и резервов гомеостаза гибель дифференцированных нервных клеток.

Анализ полученных фактов о взаимосвязи биоритмов разных уровней, условий возникновения десинхронозов и ускорения старения позволяет предположить, что эффективно замедлить старение организма человека можно путем удлинения фаз адаптации на уровне клеток, тканей и органов, путем поддержания высокого уровня восстановительных процессов за счет профилактики и устранения десинхронозов.

На уровне отдельной живой клетки нами доказана энергетическая параметрическая зависимость функциональной индукции пластических процес-

160