Общие физиологические закономерности развития адаптационных процессов. Понятие о морфологических следах и цене адаптации

В развитии любых физиологических адаптаций – комплекса морфо-физиологических и биохимических особенностей организма, позволяющих ему существовать в определенных, иногда неблагоприятных и даже экстремальных, условиях среды – как правило, принимают участие два типа принципиально отличных механизмов. Так, на начальных этапах действия стрессового фактора временное приспособление к нему достигается в основном только за счет функциональных или метаболических изменений в организме, предполагающих резкое повышение активности определенных органов (т.н. специфических органов адаптации), которые, как правило, работают в сложившейся ситуации на пределе своих функциональных резервов. Так, в ответ на действие холода возникает увеличение термогенеза, а на некоторое перегревание кожи, вызванное действием высокой температуры окружающей среды, – напротив, теплоотдачи, в ответ на кислородную недостаточность имеет место рост легочной вентиляции и минутного объема сердца и т.д. Однако, такое повышение функциональной активности определенных органов и структур, противодействующих отклонению тех или иных параметров гомеостаза, вызванному действием стрессового фактора, без сопутствующих морфологических перестроек в них, обеспечивающих возможность более высокого уровня функционирования, длительно поддерживаться не может и в конечном итоге приводит к резкому истощению этих органов. Таким образом, несмотря на то, что срочные адаптационные реакции реализуются немедленно после начала действия стрессора, они могут обеспечить лишь неполное, сравнительно кратковременное и зачастую недостаточное для продолжительного сохранения жизни приспособление к неблагоприятным факторам среды. В связи с отмеченным повышение активности органов, обеспечивающих специфические механизмы адаптации, в норме должно сопровождаться и определенными их структурными перестройками (т.е. развитием т.н. морфологических следов адаптации), и тогда гиперфункция органа получает адекватное структурное обоснование.

Совокупность компенсаторных процессов, обеспечивающих быстрые первоначальные только лишь функциональные перестройки в определенных органах при действии стрессового фактора, составляет сущность механизмов кратковременной или срочной адаптации организма (short-term- адаптации), которая начинает развиваться сразу же после начала действия адаптирующего фактора. Запуск и реализация процессов кратковременной адаптации являются генетически детерминированными. Иными словами, при действии стрессовых факторов на организм в нем начинают функционировать определенные функциональные системы, объединяющие своей деятельностью те или иные органы и обеспечивающие поддержание нормальной его жизнедеятельности; возможность же самоорганизации и работы таких функциональных систем обусловлена генетическими свойствами организма. Таким образом, для осуществления срочных адаптационных процессов во взрослом организме всегда имеются готовые, вполне сформировавшиеся механизмы.

В норме именно кратковременная (или срочная) адаптация инициирует долговременную адаптацию (long-term- адаптацию), в основе которой лежат уже определенные структурные перестройки в органах, выполняющих гиперфункцию. Развитие долговременной адаптации связано с интенсификацией синтеза нуклеиновых кислот и белков в клетках определенных органов организма (специфических органов адаптации, усиливающих свою активность при действии стрессового фактора). Усиление же синтетических процессов в таких органах является адекватной реакцией синтетического аппарата клеток на повышение их функциональной активности (поскольку между специфической и синтетической функциями клетки существуют двусторонние связи) и приводит к гипертрофии органа.Таким образом, между функциональной активностью клетки и ее генетическим аппаратом существует двусторонняя связь, лежащая в основе развития долговременной адаптации. Так, с одной стороны, генетический аппарат опосредованно через РНК обеспечивает синтез белка, регулируя тем самым образование внутриклеточных структур, определяющих уровень функциональной активности клеток. С другой стороны, уровень функциональной активности клеточных структур (количество функции, приходящееся на единицу массы клетки или органа) задает запрос на адекватное этой активности количество соответствующих внутриклеточных структур и регулирует скорость синтеза РНК на генах ДНК. Иными словами, функциональная активность клеток управляет активностью генетического аппарата, а, следовательно, формированием структурного базиса долговременной адаптации.

***Доп. материал***

***************************************************************************************

В настоящее время принято считать, что основным сигналом, ускоряющим экспрессию генетического материала в клетках специфического органа адаптации, является кратковременное первоначальное отставание синтеза АТФ от уровня его расходования (по причине интенсификации работы специфического органа адаптации), что приводит к уменьшению внутриклеточного уровня АТФ и креатинфосфата на фоне увеличения содержания продуктов их распада (АДФ и креатина). Таким образом, имеет место первоначальное увеличение потенциала фосфорилирования, вызывающее компенсаторное повышение скорости гликолиза, сопровождающегося возможным большим, чем в норме, накоплением молочной кислоты, которое является одной из главных причин развития утомления, ограничивающего уровень функциональной активности клеток (т.е. повышение функциональной активности клеток специфического органа адаптации, с одной стороны, ограничивается молочной кислотой, а с другой – лимитировано запасами энергоресурсов в клетке). Одновременно потенциал фосфорилирования управляет синтезом АТФ в митохондриях (т.е. аэробным образованием АТФ). В частности, по мере развития энергодефицита в клетке активируется не только гликолиз, но и синтез АТФ в митохондриях. Вместе с тем, для эффективного увеличения митохондриального окисления необходимо увеличение количества митохондрий, их мембранных структур и локализованных в них ферментов, что требует определенного времени. Преодоление же энергетического дефицита в клетках специфического органа адаптации на начальных этапах действия стрессового фактора достигается в основном за счет усиления гликолиза, сопровождающегося увеличением накопления местных продуктов метаболизма (в том числе молочной кислоты) в интерстециальной жидкости специфического органа адаптации, что приводит к расширению артериол усиленно работающего органа и, как следствие, улучшению его кровоснабжения. Увеличение мощности митохондриального окисления реализуется спустя некоторое время после начала действия стрессового фактора, по мере гипертрофии митохондриального аппарата и обуславливает, с одной стороны, постепенное уменьшение интенсивности гликолиза, а с другой, – меньшее накопление недооксиленных продуктов метаболизма в клетках (а значит, и молочной кислоты) при той же нагрузке, и, как следствие, повышение устойчивости к развитию утомления.

Снижение расходования АТФ клеткой, напротив, сопровождается угнетением синтеза белка в ней и рассматривается как одна из причин развития атрофии клеток (в частности, атрофии скелетных мышц при гипокинезии, некоторой атрофии сердца при дезадаптации после прекращения физических нагрузок и т.д.).

Таким образом, потенциал фосфорилирования управляет как реализацией срочных механизмов адаптации (уровнем синтеза АТФ в имеющихся структурах: интенсивностью гликолиза и окислительного фофорилирования в митохондриях), так и механизмов долговременной адаптации (образованием структур, ответственных за синтез АТФ, транспорт ионов, специфическую функцию клеток и т.д.). При длительном увеличении нагрузки реализация долговременной адаптации устраняет первоначальный дефицит АТФ и креатинфосфата и способствует тем самым снижению потенциала фосфорилирования, что приводит к восстановлению функционального резерва системы и обуславливает устойчивость адаптации. При длительном снижении нагрузки, и как следствие, потенциала фосфорилирования развивающееся уменьшение синтеза белка и атрофия структур, ответственных за энергообеспечение и ионный транспорт, означают реализацию дезадаптации и снижение функционального резерва системы.

Следовательно, долговременная адаптация охватывает реакции, для осуществления которых в организме нет вполне готовых, сформировавшихся механизмов, а имеются лишь генетически детерминированные предпосылки, обеспечивающие постепенное формирование таких механизмов при многократном или достаточно длительном действии стрессового фактора. Так, при многократных нагрузках развивается адаптация, обеспечивающая осуществление организмом ранее недостижимой по интенсивности физической работы; после длительного пребывания на высоте реализуется адаптация к значительной, ранее несовместимой с жизнью высотной гипоксии. Аналогичным образом возникает адаптация к непереносимому холоду, теплу, изменившемуся составу пищи. Качественно более сложная долговременная адаптация выражается в образовании условных рефлексов и целой системы реакций возрастающей сложности в процессе развития личности человека.

Гипертрофия органа при развитии долговременной адаптации может реализоваться двумя путями:

Ø путем гипертрофии определенных клеток органаза счет увеличения количества структур, выполняющих специфическую функцию этих клеток; такой тип гипертрофии свойственен в основном для тех органов, клетки специфических тканей которых (т.е. тканей, определяющих функцию органа) в постэмбриональном периоде утратили способность к делению (например, кардиомиоциты сердца, скелетные мышечные волокна). При таком типе гипертрофии органов общее количество клеток (или волокон в случае скелетной мышечной ткани), определяющих специфическую функцию органа, не изменяется, но размеры этих клеток, количество структурных единиц в каждой конкретной клетке, а, следовательно, и их функциональные возможности возрастают, что приводит и к увеличению уровня максимально возможной функциональной активности всего органа (а значит, и к нормализации первоначально сниженного функционального резерва)

Ø путем гиперплазии органа (т.е. увеличения количества функционирующих клеток за счет усиленного их деления, при этом размеры и количество структурных единиц в каждой конкретной клетке изменяются мало), такой тип гипертрофии характерен в основном для тех органов, специфические клетки которых сохранили способность к делению в постэмбриональном периоде (гепатоциты печени, клетки почечных канальцев и капсул нефронов, большинства эндо- и экзокринных желез и т.д.). ]

В случае действия чрезмерного по своей силе или длительности стрессового фактора, вызывающего значительное напряжение определенных физиологических систем, превышающее адаптационные возможности организма, происходит срыв адаптационных процессов, сопровождающийся деструктивными изменениями в специфических органах адаптации и их переходом в состояние декомпенсации. Патологические явления, возникающие в специфических органах адаптации, обозначаются как "цена" адаптации. Возникновение патологических изменений при адаптации к определенным климато-географическим факторам зависит как от интенсивности факторов, выходящих за пределы зоны оптимума, так и от функциональных возможностей тех физиологических систем, которые претерпевают напряжение при действии этих факторов. В частности, в условиях гор на высоте свыше 2400 метров полная адаптация людей с патологиями в сердечно-сосудистой и дыхательной системе к разреженному атмосферному воздуху оказывается невозможной; более того, пребывание таких людей в высокогорье приводит к более быстрому прогрессированию этих патологий. В качестве примера «платы за адаптацию» можно привести и факт легочной гипертензии, эритроцитоза и связанных с этим повышения вязкости крови и системного артериального давления, развивающихся у всех жителей гор на высоте свыше 2400 метров.