Реферат
по биологии
на тему:
«Приспособление организма к факторам среды и его устойчивость к другим факторам»
При приспособлении организма к изменениям различных условий среды нередко наблюдаются однонаправленные и вполне соизмеримые изменения одних и тех же биохимических параметров. Оказывается, что адаптация организма к какому-либо одному фактору среды может способствовать приспособлению его к другим факторам, повышать устойчивость к ним. Это явление называют перекрестной адаптацией. Прежде всего, обратимся к фактам, а затем попытаемся разобраться в молекулярных основах перекрестной адаптации человека и ее практическом значении.
Уже давно известно, что после 2—3 нед. пребывания в горах физическая работоспособность по возвращении на уровень моря повышается. Спустившись с гор, человек чувствует прилив сил, бодрость, желание активно двигаться. А вот что дают результаты специальных исследований. Наблюдения, проведенные на Памире, показали, что после 45 сут пребывания на высоте 3325 м предельная длительность бега с заданной интенсивностью возрастает на 60%, а максимально возможная скорость бега — на 10%. В принципе то же самое было установлено на лыжниках, тренирующихся в течение месяца по одной и той же программе с той лишь разницей, что одна из групп до этого провела месяц в горах (на высоте 2000—2700 м), а другая все время жила на уровне моря. Спортивный результат у первых улучшился в среднем на 17%, а у вторых — всего на 8.3% по сравнению с тем, что они показывали 2 ме.с назад.
Не менее интересные данные получены в Перуанских Андах. В этих исследованиях две группы испытуемых: проживающие на равнине (г. Лима) хорошо тренированные легкоатлеты и аборигены гор (высота 4540 м) — выполняли на уровне моря одни и те же стандартизированные физические нагрузки. При этом и реакция организма горцев, и показанные ими результаты были такими же, как у высокотренированных жителей равнины, хотя первые никаким видом спорта не занимались. Наконец, в опытах на животных тоже обнаружено, что 3-недельное пребывание белых крыс в барокамере с разрежением, соответствующим высоте 2800 м, привело к увеличению длительности свободного плавания на 50%, а намного более интенсивного, но кратковременного плавания с грузом 15% от массы тела — на 70%; продолжительность же стандартной силовой нагрузки (удерживание собственной массы в висячем положении на вертикальном стержне) не изменилась. Эти данные о различном влиянии приспособления к гипоксии на проявление качественных сторон мышечной деятельности получили подтверждение и в наблюдениях на спортсменах. Месячная активная акклиматизация в горах особенно улучшила результаты в беге на 100 и 400 м; несколько в меньшей степени, но тоже весьма значительно — в длительном беге и совсем не повлияла на результаты в силовых упражнениях. Почему это произошло, объясним несколько дальше, когда речь пойдет о молекулярных механизмах. Пока же запомним только сам факт.
Многочисленные исследования показали также, что приспособление организма к гипоксии повышает устойчивость его к действию низких температур, инфекциям и проникающей радиации. Белые крысы, адаптированные в течение 1—2 мес. к условиям гипоксии на высоте 3000 м, становятся более устойчивыми и к низким температурам окружающей среды. Пребывание в условиях с температурой 50
C приводит у них к снижению температуры тела до 34.5 °С, а у живших все время на уровне моря — до 31.3°С. Получить глубокую гипотермию у крыс, адаптированных к гипоксии, труднее, чем у контрольных. Для этого нужно более сильное и более длительное охлаждение. Но если гипотермия уже достигнута, то переносят крысы ее намного лучше и дольше.
Что касается сопротивляемости инфекциям, то здесь мы располагаем и статистическими данными, и фактами, полученными в эксперименте. Оба этих источника дают вполне согласованную информацию. Так, во время вспышки «азиатского» гриппа среда студентов Ленинградского института физической культуры и спортсменов, проводящих часть своей тренировки в условиях среднегорья (2000—2700 м), заболевших было существенно меньше, чем среди тех же контингентов, но не выезжавших в горы, а тем более чем среди остального населения города. А вот каковы результаты опытов на животных. Кроликов в течение длительного времени «поднимали» на высоту 2000 м в барокамере, т. е. создавали в ней разрежение, соответствующее этой высоте. Под влиянием такого воздействия в крови у них существенно увеличился фагоцитарный индекс белых кровяных клеток, т. е. способность их к захватыванию и уничтожению микробов, а у мышей, перенесенных на 1—2 мес. в горы, на высоту 1750 — 3700 м, или «поднимаемых» в барокамере на высоту 4000 м, выработка антител значительно возросла.
Приспособление к сниженному парциальному давлению кислорода повышает устойчивость к проникающей радиации. Мы видим, что при малых дозах облучения все животные выживали, а при больших дозах погибших всегда было больше в контрольной группе. И лишь при очень высоких дозах отмечена одинаковая смертность в обеих группах. Но и тут между группами была разница: контрольные животные начинали гибнуть с 3-х сут, а адаптированные к гипоксии — с 7-х.
Положительное влияние приспособления организма к низким температурам на физическую работоспособность известно уже давно. На это указывал еще в прошлом веке И.Р. Тарханов. Согласно современным исследованиям, тренировка в условиях сниженной температуры среды приводит к большему возрастанию работоспособности, чем проводимая при обычных, комфортных для организма температурах. Опыты на белых крысах показали, что работоспособность (длительность плавания до предела при температуре воды 32 °С) в первом случае увеличивалась на 82%, а во втором — всего на 45%. Приспособление организма к низким температурам облегчает и перенесение им высотной гипоксии. Так, жители равнин северяне быстрее акклиматизируются в горах, чем южане. О том же говорят и эксперименты на животных. А вот в отношении перекрестных влияний приспособления к высоким температурам мы надежными данными не располагаем, и вопрос пока остается открытым.
Влияние приспособления организма к гипоксии на устойчивость к проникающей радиации, % погибших животных. / — контрольные животные, // — адаптированные к гипоксии. Цифры в светлой части столбиков — доля выживших животных, %; в заштрихованной — погибших, %; в квадратах — доза облучения, мкКл/кг
Весьма обстоятельно изучено влияние приспособления организма к повышенной мышечной деятельности на устойчивость его к большому числу повреждающих факторов окружающей среды. Такое влияние чрезвычайно велико. Прежде всего это повышение устойчивости организма к высотной гипоксии и ускорение акклиматизации в условиях ее. Исследовали две группы крыс: одну содержали в просторных клетках в обычных условиях, а другую в течение 8 нед. тренировали бегом в колесе с возрастающей скоростью и длительностью бега. Затем тех и других «поднимали» в барокамере на высоту 13 км. У крыс обеих групп через некоторое время появлялись судороги вследствие недостаточного снабжения мозга кислородом, но у тренированных животных судороги отмечались через 108 с, а у нетренированных — уже через 69 с.
Хорошо тренированные лица значительно быстрее акклиматизируются к высоте, чем слабо подготовленные. Лыжники-гонщики, в тренировке которых превалирует бег на лыжах, а летом — кроссы и бег на роликовых коньках, адаптируются быстрее, чем прыгуны с трамплина, в подготовке которых преобладает отработка техники прыжка. Двоеборцы, у которых оба вида тренировки сочетаются (почти 50 на 50%), немного уступали в сроках акклиматизации гонщикам, но существенно превосходили прыгунов. Близкие к этому данные получены и американскими исследователями. Две группы спортсменов предварительно тренировались: одна — в беге на 200, 400 и 800 м, другая — на длинные дистанции (типа кроссов). Затем всех спортсменов подняли в горы на высоту 4300 м. При этом оказалось, что у представителей первой группы функциональные сдвиги в организме более благоприятны, чем у второй, и акклиматизировались они намного быстрее.
Наконец, значение характера физической подготовки для приспособления к гипоксии продемонстрировали и сроки акклиматизации представителей различных видов спорта во время Олимпийских игр в Мехико (высота 2250 м). Наиболее быстро адаптировались бегуны на короткие и средние дистанции, немного уступали им представители спортивных игр, а наиболее медленно приспособились тяжелоатлеты и гимнасты. Почему характер физической подготовки по-разному влияет на адаптацию к гипоксии, мы объясним позже, пока же запомним и этот факт.
Приспособление организма к повышенной мышечной деятельности увеличивает способность его противостоять и температурному фактору: охлаждению и перегреванию. Белых крыс тренировали плаванием при температуре воды 320
С в течение 1.5 мес, а затем их разделили на две группы, из которых одну запускали в ванну с температурой воды 5 °С, где они плавали до наступления судорог, а вторую помещали в камеру с температурой 700
C и относительной влажностью 12%, где крысы в конце концов погибали от перегревания. Одновременно с тренированными животными таким же воздействиям подвергали контрольных, нетренированных крыс. И обнаружилось, что при плавании в холодной воде судороги у тренированных крыс наступали позднее, а длительность плавания была на 30% больше, чем у контрольных. Различалось и время гибели от перегревания: тренированные крысы погибали несколько позднее. Но это, конечно, очень сильное, гибельное для организма воздействие.
В других опытах влияние температуры среды было более мягким. Тренированных и нетренированных крыс запускали на 15 мин плавать в ванне с температурой воды 40, 32, 22 и 150
C и с помощью термопары измеряли у них температуру в прямой кишке. Естественно, что в ванне при температуре 400
C температура тела животных повышалась, при 320
C она оставалась без изменений, а при 22 и 150
C — уменьшалась. Но если температура тела у контрольных животных повышалась на 4 °С, то у тренированных —- всего на 0.8—1.0°С, а снижалась у первых на 10 и 150
C (при температуре воды соответственно 22 и 15 °С), у вторых — на 7 и 13 °С. Дело в том, что митохондрии мышц у тренированных животных функционально более лабильны, способны в более широких пределах изменять степень сопряжения дыхания и фосфорилирования, т. е. количество энергии окисляемых веществ, затрачиваемое на теплопродукцию. Чем выше коэффициент Р/0, тем меньше теплопродукция, и наоборот. О том же говорят и наблюдения зарубежных авторов: при пребывании в холодовой камере (температура —8 °С) в течение 15—30 мин у лиц, не занимавшихся физическим трудом или спортом, температура тела снижалась на 0.8—1.0 °С, а у привыкших к тяжелому физическому труду и у тренированных спортсменов она сохранялась в пределах нормы: 36.5—36.7 °С.
Под влиянием мышечной тренировки возрастает сопротивляемость организма и к другим повреждающим факторам среды, в частности к инфекциям и проникающей радиации. Еще в начале 30-х гг. было установлено, что приспособление организма к повышенной мышечной деятельности способствует выработке иммунных тел как у человека, так и у экспериментальных животных и что тренированные крысы лучше противостоят заражению болезнетворными микробами, чем нетренированные. Более новые исследования, проведенные уже в 60-х гг., показали, что под влиянием тренировки у крыс возрастает фагоцитарная способность белых кровяных клеток, а содержание иммунных тел при введении животным чужеродных белков хотя и нарастает несколько медленнее, но достигает больших величин и дольше сохраняется. Наконец, данные медицинской статистики свидетельствуют о том, что во время вспышек гриппа спортсмены по сравнению с неспортсменами обращаются в медицинские учреждения в 4 раза реже, а лица, регулярно занимающиеся физическими упражнениями, — в 2 раза меньше. При адаптации к повышенной мышечной деятельности возрастает устойчивость организма и к проникающей радиации.
Влияние приспособления организма к повышенной мышечной деятельности на функциональное состояние митохондрий мышечных волокон (величина коэффициента Р/О — по оси ординат) в различных температурных условиях (по оси абсцисс), I — покой при оптимальной температуре; // — плавание 15 мин при разной температуре воды,0
C1 — контрольные животные, 2 — тренированные
Однако мышечная деятельность не всегда будет благоприятна для невосприимчивости к гипоксии, инфекциям или проникающей радиации; гипоксия не всегда будет способствовать повышению работоспособности, холод — сопротивляемости инфекциям и т. д. Мы говорим лишь о влиянии адаптации, долговременного приспособления к этим факторам. Острое же действие их на неадаптированныи организм может оказать и диаметрально противоположный эффект. Непривычно тяжелая работа снижает и иммунные возможности организма, и устойчивость его к проникающей радиации и гипоксии. Внезапное действие холода на организм, к нему не приспособленный, способствует заболеваниям, а низкое парциальное давление кислорода резко ограничивает физическую работоспособность неакклиматизированного человека или животного. В чем же молекулярный секрет перекрестных адаптации?
Мы уже знаем, что всякое приспособление организма к изменениям условий среды, а значит, и его существования содержит два компонента: неспецифический, вытекающий из общего адаптационного синдрома Селье, и специфический — молекулярные приспособительные изменения, направленные на повышение устойчивости организма к данному конкретному фактору.
Специфические приспособительные изменения в ряде случаев совпадают, хотя имеют и неодинаковое количественное выражение (табл. 11). Таким образом, приспособительные реакции на уровне органов, функциональных систем и организма в целом развиваются в значительной степени на общей основе. Ведь если адаптация к гипоксии влечет за собой увеличение в мышцах содержания КФ и возможностей гликолиза, это «приобретение» будет полезно и при интенсивной мышечной деятельности. Если приспособление к мышечной деятельности увеличивает лабильность митохондрий, это помогает организму противостоять высоким и низким температурам. Если адаптация к повышенной мышечной деятельности, к гипоксии и низким температурам приводит к большей активности аминоацил-РНК-сиктетаз — одного из важных ферментов синтеза белков, то независимо от того, каким из этих факторов оно вызвано, возросшие возможности синтеза белков проявятся при влиянии на организм любого другого фактора среды, в том числе и при синтезе иммунных тел или восстановлении поражений, нанесенных проникающей радиацией, и т. д.
Увеличение биохимических параметров мышц при приспособлении организма к различным условиям, Д% от исходных величин
Параметры
Мышечная деятельность
Гипоксия
Холод
длительная
максимальной интенсивности
КФ
12
58
25
10
Гликоген
80
70
15
0
Интенсивность:
гликолиза
10
56
85
30
аэробного генериро-
85
60
55
50
вания АТФ на еди-
ницу массы мышцы
Активность:
сукци натдегид роге-
120
60
40
200
назы
цитохромоксидазы
230
100
45
125
аминоацил-РНК-
27
30
20
15
синтетазы
Теперь понятно, почему приспособление к гипоксии неодинаково влияет на выполнение скоростных и длительных физических нагрузок, а адаптация к скоростным нагрузкам, по интенсивности близким к максимуму, наиболее эффективно ускоряет развитие устойчивости организма к гипоксии. Дело в том, что и скоростные нагрузки, и гипоксия особенно значительно увеличивают анаэробные возможности ресинтеза АТФ, имеющие решающее значение при работе субмаксимальной и максимальной мощности и на первых этапах приспособления организма к гипоксическим условиям.
Некоторые авторы пытаются объяснить явления перекрестной адаптации гипотезой сопряженных генов. Суть ее в том, что ряд генов могут быть функционально связаны: активация одного влечет за собой и активацию другого, с ним сопряженного. В результате одновременно синтезируются два разных белка: синтез которого был индуцирован в результате действия повреждающего фактора среды и не имеющий значения для адаптации организма к данному фактору, но, возможно, нужный для приспособления к другому фактору. Конечно, при этом, как и при мутациях, велик элемент случайности, но это на протяжении истории развития организмов могло быть откорректировано отбором, а поэтому совсем отвергать гипотезу сопряженных генов нет достаточных оснований.
Явления перекрестной адаптации имеют в жизни человека большое практическое значение. Они открывают возможности ускорения и углубления приспособления организма к какому-либо фактору среды, сочетая одновременно действие двух различных факторов. Примеры тому многочисленны. Так, проведение спортивных тренировок в условиях несколько сниженных температур увеличивает их эффективность, что и используется в спортивной практике в виде круглогодичных занятий на открытом воздухе в сравнительно легких тренировочных костюмах. Адаптация организма к холоду, т. е. закаливание его, укрепляет здоровье, повышает сопротивляемость инфекциям. Физическая тренировка, повышенная мышечная деятельность, ускоряет акклиматизацию к условиям гипоксии, а отсюда и применение ее при подготовке летного состава, альпинистов к восхождениям, геологов и гляциологов, работающих в горах, и т. п. Вместе с тем условия гипоксии способствуют повышению эффективности спортивной тренировки. Именно поэтому в современном спорте широко практикуется проведение тренировочных сборов в условиях среднегорья (2000— 2800 м), даже если соревнования предстоят не в горной местности, а на уровне моря.
Однако следует иметь в виду, что очень высокая степень адаптации к какому-нибудь одному фактору, близкая к доступному организму «потолку» такого приспособления, может сказываться в отношении других факторов отрицательно. Например, спортсмены, находясь в состоянии наивысшей спортивной формы, менее устойчивы к простудным заболеваниям и гриппу, чем в другие периоды их физической подготовки. Дело здесь, видимо, в том, что сосредоточение всех сил организма на чем-то одном ограничивает возможности эффективного приспособления к другим факторам.