Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
Глава 1. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ РЕЗЕРВЫ ОРГАНИЗМА В РАКУРСЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ ОБ ИХ СУЩНОСТИ
В словаре физиологических терминов [121] дано следующее определение: «Функциональные резервы – это диапазон возможного уровня изменений функциональной активности физиологических систем, который может быть обеспечен активационными механизмами организма. Функциональные резервы могут быть связаны с изменением энергетики обмена, что характерно для ткани и органа, а функциональные резервы системы и организма в целом формируются, благодаря перестройке систем регуляции и включению в функциональную систему новых дополнительных структур или замене одной формы реакции на другую. Функциональные резервы – это, прежде всего, резервы регуляторных механизмов».
Н.А. Агаджанян и А.Н. Кислицын [3] функциональные резервы организма определяют, как потенциальную способность организма обеспечить свою жизнедеятельность в необычных или экстремальных условиях.
Под функциональными резервами организма понимается «выработанная в процессе эволюции адаптационная и компенсаторная способность органа, системы и организма в целом усиливать во много раз интенсивность своей деятельности по сравнению с состоянием относительного покоя» [31]. А.С.Мозжухин [88] определяет резервные возможности организма как его скрытые возможности (приобретенные в ходе эволюции и онтогенеза) усиливать функционирование своих органов и систем органов в целях приспособления к чрезвычайным сдвигам во внешней или внутренней среде организма. При этом в качестве системообразующего фактора функциональных резервов рассматривается результат деятельности, обеспечивающий адаптацию организма к различным физическим и психоэмоциональным нагрузкам.
Резервные функциональные возможности проявляются в изменении интенсивности и объема энергетических и пластических процессов обмена веществ на клеточном и тканевом уровнях, в изменении интенсивности протекания физиологических процессов на уровне органов, систем органов и организма в целом [45; 88;19; 77].
Функциональные резервы организма определяют диапазон надежности его функциональных систем, в котором при нарастании нагрузки не происходит нарушения функций органов и систем органов. Потенциальные возможности функциональных резервов заложены в генотипе человека. Эти возможности раскрываются в конкретных условиях жизнедеятельности и могут изменяться под влиянием целенаправленной тренировки, формируя реальные индивидуальные функциональные резервы организма [34].
Функциональные резервы организма обеспечивают возможность изменения функциональной активности его структурных элементов, их возможности взаимодействия между собой для адаптации к воздействию на организм факторов внешней среды с целью обеспечения оптимального для данных конкретных условий уровня функционирования организма и эффективности его деятельности для достижения целесообразного результата адаптации. В процессе адаптации может происходить изменение диапазона резервных возможностей организма и способности к их мобилизации [100].
В.П. Загрядский [53] сформулировал определение функциональных резервов (ФР) «как выработанную в процессе эволюции адаптационную способность организма в целом усиливать во много раз интенсивность своей деятельности по сравнению с состоянием относительного покоя», а на основании обобщения данных по физиологии военного труда сделал вывод, что «физиология человека при воздействии на него экстремальных факторов есть, прежде всего, физиология резервных возможностей организма».
В рамках концепции восстановительной медицины под функциональными резервами организма понимаются регуляторные возможности человека по поддержанию жизнедеятельности и адаптивных свойств саморегулируемых систем организма (112)
Функциональный резерв организма определяется как такое его свойство, которое связано со способностью организма адаптироваться к изменениям окружающей среды без нарушений гомеостаза и без истощения или полома регуляторных механизмов
По определению Р.М. Баевского [19], под функциональными резервами понимают «… информационные, энергетические, метаболические ресурсы организма, обеспечивающие его конкретные адаптационные возможности. Для того, чтобы мобилизовать эти ресурсы при изменении условий окружающей среды, необходимо определенное напряжение регуляторных систем. Именно степень напряжения регуляторных систем, необходимая для сохранения гомеостаза, определяет текущее функциональное состояние человека».
ФРО в ходе адаптивных реакций, обеспечивающих его жизнедеятельность, непрерывно расходуются на поддержание равновесия между организмом и средой и также непрерывно восполняются. ФРО формируются, прежде всего, за счет взаимосвязанных энергетических, метаболических и информационных ресурсов, имеющих свою структурную основу. Временную организацию ФРО можно представить как диалектическое единство процессов их мобилизации и восполнения, а поскольку живая система является неравновесной, то в каждый момент существования организма имеют место некоторые различия между параметрами расходования и восполнения ФРО.
Такой динамичный принцип организации ФРО обеспечивается постоянным достижением компромисса между процессами их мобилизации и восполнения путем автоматической саморегулируемой оптимизации всех компонентов поддержания и улучшения функционирования его органов и систем в соответствии с текущими потребностями и возможностями при постоянном воздействии разнообразных факторов внешней и внутренней среды. С этих позиций дифиниция функциональных резервов организма была сформулирована нами следующим образом:» функциональные резервы организма – открытая мультипараметрически саморегулируемая система, настраивающая в ходе жизнедеятельности на должную оперативность и достаточность адаптивных переменных по отношению к имеющимся воздействиям за счет энергетического, пластического и информационного обеспечения процессов самоорганизации динамического состояния организма, определяющего его жизнеспособность» [75]. Достаточность ФРО – необходимое условие обеспечения должного уровня функционального состояния организма в любой момент его жизнедеятельности. Оптимальный уровень ФРО может со временем меняться. Можно выделить циркадианные, сезонные и возрастные изменения ФРО. Величина ФРО возрастает по мере созревания организма и снижается при его старении.
Система функциональных резервов организма включает подсистемы:
1. Биохимические резервы, обеспечивающие метаболизм организма и включающие блок энергетического обмена и блок пластического обмена.
2. Физиологические резервы.
3. Психические резервы.
Биохимические резервы организма определяются состоянием его энергетических систем – аэробной и анаэробной, а также биохимическими процессами, направленными на восполнение энергетических ресурсов организма и восстановление разрушенных в процессе мобилизации энергоресурсов клеточных структур за счет их синтеза de novo.
Индуцирование синтеза структурных и ферментных белков, возникновение и увеличение специфических структурных перестроек тканей приводит к возрастанию структурных резервов организма. В результате мобилизации и использования биохимических резервов в ходе адаптивных реакций поддерживается гомеостаз внутренней среды организма. Таким образом, биохимические резервы клеточного и тканевого уровней обеспечивают пластический и энергетический обмен, а также гомеостаз организма.
Физиологические резервы обеспечивают возможности органов и систем органов изменять свою функциональную активность и взаимодействовать между собой с целью достижения оптимальных параметров жизнеобеспечения в конкретных условиях жизнедеятельности. Использование физиологических резервов обеспечивается механизмами регуляции физиологических функций в процессе приспособления организма к изменяющимся условиям внешней и внутренней среды.
Психические резервы определяют возможности психики человека, связанные с его поведением, психологической и социальной адаптацией, с проявлением таких качеств, как мышление, память, внимание, когнитивные способности, волевые и мотивационные аспекты жизнедеятельности.
Психические резервы во многом формируются функциональными возможностями человека и рассматриваются как важнейший фактор взаимодействия организма со средой обитания.
Функциональные резервы организма – это сложная система, фундаментом которой являются биохимические, а вершиной – психические резервы. Физиологические резервы за счет механизмов нейрогуморальной регуляции интегрируют в единое целое систему функциональных резервов.
Системообразующим фактором системы функциональных резервов является результат деятельности или результат адаптационных процессов.
Согласно теории функциональных систем под резервами адаптации организма понимают такие изменения функциональной активности органов и систем органов, которые обеспечивают достижение полезного приспособительного результата, выступающего в качестве интегрированного фактора, определяющего и формирующего динамическую организацию физиологических и биохимических процессов, необходимых для достижения этого результата.
Реакция организма в ответ на воздействие факторов окружающей среды зависит от силы и времени воздействия, а также адаптационных возможностей организма, которые определяются наличием ФР. Состояние целостного организма как интегральный результат деятельности его органов и систем во многом определяется оптимальностью регуляторных механизмов и управляющих воздействий, их способностью
обеспечить уравновешенность организма со средой и должную адаптацию к условиям существования. Адаптивные реакции организма происходят за счет затрат энергии и информации, в связи с чем «цена» адаптации определяется степенью напряжения регуляторных механизмов и величиной израсходованных ФР.
Современный уровень знаний не позволяет глубоко детализировать работу регуляторных механизмов, ответственных за мобилизацию и расходование ФРО. Иерархия функционального взаимодействия при комплексном подходе к оценке ФРО включает ФР, мобилизуемые на этапе срочной адаптации, расходование которых обеспечивается регуляторными механизмами автономной нервной системы. Уровень функционирования различных систем организма обеспечивается функциональными резервами, подразделяющимися на оперативные и стратегические. Оперативные резервы мобилизуются и расходуются автономными регуляторными механизмами, а стратегические – центральными [19]. Мобилизация и расходование оперативных и стратегических резервов происходит на этапах срочной и долговременной адаптации. Физиологические механизмы, обеспечивающие адаптацию в срочной стадии, состоят в использовании функциональных резервов избыточной организации, а в долговременной стадии – за счет структурных перестроек и увеличения функциональных взаимосвязей. Существуют срочные механизмы трансформации ФРО основным компонентом которых является их экстренная мобилизация в целях обеспечения срочных адаптивны реакций преимущественно путем изменения энергообмена и связанных с ним функций автономного регуляторного обеспечения, увеличения доставки кислорода к работающим органам и вывод продуктов обмена веществ. По мнению академика И.П. Ашмарина одним из эволюционно древних механизмов запуска срочных адаптивных реакций без вовлечения генома является образование из находящихся в жидких средах организма молекул пропептидов в ходе их процессинга молекул активных олигопептидов, обеспечивающих инициацию процессов срочного реагирования в интересах организма. Возможно, что такой же механизм обеспечивает и экстренную мобилизацию ФРО.
Медленные механизмы формирования ФРО преимущественно обеспечивают восстановление пластических и энергетических возможностей органов, тканей и функциональных систем за счет метаболических реакций, включающих усиление синтеза нуклеиновых кислот и белков, увеличение биогенеза митохондрий и мощности митохондриальной системы, обеспечивающей рост выработки АТФ на единицу массы ткани и устранение дефицита АТФ. В результате последующей активации всех клеток физиологических систем формируются структурные изменения, обеспечивющие увеличение функциональных возможностей и оптимизируется энергообеспечение тканей и органов.
Физиологическая сущность долговременной адаптации организма состоит в росте его функциональных резервов и заключается в оптимизации функциональных свойств систем, обеспечивающих целенаправленную реализацию возможностей организма. Системообразующим фактором при этом является адаптивный полезный результат.
Функциональные резервы механизмов регуляции включают два компонента – специфический и неспецифический. Неспецифические механизмы участвуют в реакциях на стрессорное воздействие и в мобилизации текущих функциональных резервов. За счет активации специфических механизмов регуляции обеспечивается более эффективное и экономичное приспособление организма к новым условиям жизнедеятельности, а также более целенаправленное использование функциональных резервов.
Должный уровень способности регуляторных систем мобилизовать необходимые функциональные резервы позволяет обеспечить «физиологическую меру» защиты организма от неблагоприятных воздействий и сохранить гомеостаз в заданных природой пределах.
Существует биоэнергетическая концепция, в рамках которой функциональные резервы организма рассматриваются как потенциальная возможность воспроизводства энергии за счет интенсификации метаболических процессов.
Живой организм является открытой термодинамической системой, устойчивость которой в соответствии с законами термодинамики зависит от баланса количеств энергии, поступающими в нее извне и расходуемыми ею на поддержание жизнедеятельности. Жизнеспособность организма, и его функциональные резервы, в большой мере определяются резервами энергии, необходимой для осуществления множества процессов, формирующих жизнеобеспечение организма на всех уровнях его организации. На основе этих представлений Г.Л. Апанасенко [17] предложил «концепцию энергопотенциала биосистемы» и «термодинамическую концепцию здоровья», базирующуюся на предположении о существовании некоего эволюционно-обусловленного порога энергопотенциала биосистемы (резерва организма), выше которого у человека не регистрируются ни эндогенные факторы риска, ни соматические заболевания. Ниже этого порога (при исчерпании резервных возможностей) развиваются вначале эндогенные факторы риска, а затем и хронические соматические заболевания. Этот порог Г.Л. Апанасенко [17] количественно охарактеризовал по показателям максимальной аэробной способности, что позволяет при соответствующих мероприятиях исключить сам риск возникновения заболевания. Энергодефицитное состояние организма рассматривается, в частности, как первопричина развития донозологических изменений состояния здоровья [52].
Адаптивные реакции осуществляются, прежде всего, за счет повышения функциональной активности органов и систем организма. Адаптация к любому фактору связана с затратами энергоресурсов организма. При оптимальных условиях для жизнедеятельности организма адаптивные реакции минимизированы и энергия расходуется, прежде всего, на фундаментальные жизненные процессы, то есть, на базальный метаболизм. Если значения фактора воздействия выходят за пределы оптимума, то организм использует адаптивные механизмы, связанные со значительно большими энергозатратами. Адаптивное увеличение энергозатрат сопровождается уменьшением энергоресурсов организма, а, следовательно, и его ФР. При этом изменяется энергетический метаболизм, увеличивается использование энергетических, информационных и пластических ресурсов, усиливаются процессы фосфорилирования, происходит мобилизация гликогена и иных резервных источников высокоэнергетических субстанций.
Возникающий дефицит энергоресурсов является сигналом для генетического аппарата клеток, запускающим увеличение образования в них митохондрий, ферментов, активизируя синтез белков, нуклеиновых кислот и АТФ. Такая активация генетического аппарата клеток обеспечивает восстановление и рост их энергетического потенциала, а это является основой способности организма к последующим функциональным перестройкам в ходе новых адаптивных реакций в ответ на воздействие факторов внутренней или внешней среды. Таким образом, биоэнергетические процессы в клетках организма, осуществляемые в виде обмена веществ, регулируемого посредством различных механизмов, лежат в основе мобилизации и формирования ФРО. Все процессы, происходящие в организме, следует рассматривать, прежде всего, с позиций гарантированного поддержания термодинамического неравновесия между количеством свободной энергии, поступающей в организм из окружающей среды, и количеством энергии, выделяемой при катаболических превращениях его структур.
Таким образом, наличие энергетического и структурно-функционального резерва – обязательное условие жизнеобеспечения организма. Термодинамическое неравновесие между окружающей средой и организмом – абсолютное условие для его жизнедеятельности, а степень этого неравновесного состояния может быть использована для количественной оценки жизнеспособности [16], т.е. «количества здоровья», являющегося, по определению Н.М. Амосова, мерой ФРО.
Чем больше доступные для использования ФР, тем организм жизнеспособнее. Эффективность биологической функции выживания тем больше, чем выше образование энергии на единицу массы организма [9]. Способность увеличивать в ходе адаптивных реакций поглощение кислорода определяет тот резерв энергии, а, следовательно, и ФРО, которые необходимы для адекватных изменений процессов жизнедеятельности. На организменном уровне количественная оценка энергопотенциала может быть осуществлена по параметрам максимальных аэробных возможностей – мощностью и эффективностью аэробных механизмов энергообразования [16].
Однако, необходимо отметить, что выделение физиологической, метаболической, энергетической и информационной составляющих ФРО достаточно условно, поскольку все они неразрывно взаимосвязаны в пространстве и во времени.
Роль биоэнергетических и метаболических процессов в формировании ФРО обсуждается во многих научных работах достаточно детально и аргументировано. Существенно меньше внимания уделено объяснению сущности информационной составляющей резервных возможностей организма, ее роли в осуществлении адаптивных реакций, обеспечивающих его жизнедеятельность. Неясно, что понимается под «информационными ресурсами организма».
Прежде, чем представить некоторые пролегомены (вводные рассуждения) отражающие наше понимание сущности информационной составляющей функциональных резервов организма, полагаем необходимым предварительно рассмотреть исходные понятия и существующие представления об информации, как важнейшем компоненте объективной реальности и о роли информации и информационных процессов в живых организмах [74].
В существующих представлениях о роли информации и информационных процессах в живых организмах имеется немало дискуссионных моментов, существенных пробелов, недостаточно аргументированных утверждений по важнейшим разделам данной проблематики, что отчасти связано с неоднозначностью понятия «информация». Существуют различные гипотезы о природе информации, которые представлены в специальных публикациях [32; 57; 69; 91; 119; 132; 147]. Диапазон применения термина «информация» очень широк, однако ни одна из перечисленных его трактовок не раскрывает в полной мере суть и роль информационных процессов в живых системах.
В этой связи следует вспомнить обобщение Норберта Винера, который отметил, что «информация – есть информация, а не материя и не энергия» [36]. Таким образом декларируется, что информация, являясь одной из ключевых сущностей объективной реальности, является нематериальной категорией, не является физической величиной, хотя ее существование и воспроизводство возможно только на основе тех или иных материально-энергетических носителей. Без объектов или процессов физической реальности информация проявить себя не может.
Существуют утверждения, что «информация по своей сути представляет виртуальную часть живого», то есть имеет не материальную природу и «является виртуальной сущностью» [63], которая «с самого начала зарождения жизни, связывает материальную часть нашего мира с нематериальной его частью». Такая точка зрения не всеми признается безоговорочно и даже рассматривается, как заблуждение.
Сущность понятия «информация» в обыденном понимании этого термина – это, либо «сведения, содержащиеся в сообщении», либо «процесс передачи сообщения». Представляется возможным дать определение информации через описание ее форм и ее свойств. Краткое перечисление этих характеристик информации включает: нужность информации и ее действенность, фиксируемость, инвариантность по отношению к носителям, количество информации и емкость ее носителя, транслируемость, мультипликативность, изменчивость, полипотентность, ценность, истинность и, наконец, бренность, то есть возможность (или неизбежность) ее разрушения и исчезновения в результате изменения или разрушения ее носителей [68].
Кроме свойств выделяют виды информации: генетическую, поведенческую и логическую. Носителями генетической информации являются молекулы ДНК.
Поведенческая информация формируется на основе врожденных поведенческих реакций, которые генетически запрограммированы. Природа материального носителя этого вида информации доказательно не установлена, а гипотетически связывается с некими молекулярными процессами и структурами. Эволюционно самый молодой вид информации – логическая информация, носителем которой является человеческая речь.
Прием или создание информации, ее хранение, передачу и использование называют элементарными информационными актами, а осуществление всей совокупности таких актов – информационным процессом. Совокупность механизмов, обеспечивающих полное осуществление информационного процесса, называют информационной системой.
Все живые существа – это информационные системы, структура которых задается относящейся к ним информацией, а жизнедеятельность обеспечивается воспроизведением этой информации. Любая информационная система в ходе своего функционирования, направленного на ее самовоспроизведение, изменяет окружающую ее среду путем использования ее ресурсов. Обеспечение воспроизведения информации – необходимая и обязательная принадлежность любой информационной системы. Система, не отвечающая этому требованию, утрачивает кодирующую ее информацию и бесследно исчезает, поскольку законы сохранения на нее не распространяются [68].
Живая форма материи объединяет в одно целое вещество, энергию и информацию [63]. Проблема информационной организации живых систем является одной из ведущих проблем биологии, физиологии, биохимии, генетики и других наук о жизни. Вопросы биоинформации изучаются в ведущих научных центрах разных стран. Одно из основных направлений научной деятельности «Института проблем передачи информации им. А.А. Харкевича РАН» –информационные процессы в живых системах и биоинформатика. В Московском государственном университете им. М.И. Ломоносова создан факультет биоинженерии и биоинформации, кафедры биоинформации имеются в ряде крупных университетов России.
Информация в живых системах определяет не только свойства и содержание структур организма, но и является средством управления, организации и контроля строгой последовательности, упорядоченности и согласованности химических и физико-химических процессов, а также морфологических и физиологических изменений. Информация в живых системах во многом определяет само содержание и сущность живой материи
Рассматривая биоинформацию, как неотъемлемый элемент живой материи, выделяют «информацию структуры», передача которой в живых организмах обеспечивается адресной доставкой биомолекул, в структуре которых эта информация записана и «информацию действия», закодированную в электрических процессах нейрональных структур в соответствии с известным бинарным принципом, соответствующим физиологическому понятию «все или ничего», основанному на взаимоотношениях между локальным ответом мембраны клетки и параметрами силы раздражителя, лежащими в основе частотного принципа кодирования «информации действия» в биологических системах [72].
Многие исследователи утверждают, что без информационной оставляющей существование живого немыслимо. Все сложные функциональные, биохимические, психологические и иные процессы в живой системе осуществляются при обязательном участии информационной составляющей, управляются информационными механизмами. Материя, энергия и биоинформация органично взаимосвязаны и являются категориальной основой законов единства организма и среды его жизнедеятельности.
Живые организмы обмениваются со средой обитания структурными элементами, энергией и информацией, взаимодействие между которыми существует на всех уровнях организации живой материи. Энергоинформационное обеспечение формирования структурных, функциональных, метаболических, генетических, психических и иных составляющих жизнедеятельности организма – важнейший механизм поддержания его жизненных ресурсов и возможности существования во взаимодействии со средой обитания.
Одним из наиболее обсуждаемых вопросов, связанных с проблематикой биоинформационных взаимодействий является вопрос об «энергоинформационном обмене», которому отводится очень важная роль в процессах влияния на пространственную структуру, функционирование и жизнедеятельность биологических объектов. Однако, существующие трактовки того, что является сутью этого энергоинформационного взаимодействия, какова его количественная мера очень разнятся и не вполне исчерпывающи. Ответ на вопрос о физической сущности биоэнергоинформационного обмена должен, прежде всего, разъяснить, что же является переносчиком информации в ходе энергоинформационного взаимодействия и тем самым определить его принадлежность либо к материи, либо к энергии, либо к некой третьей составляющей объективной реальности.
С позиций энергодинамики, особого вида энергообмена, который обозначается как «энергоинформационный», в природе не существует, поскольку любая форма неравновесного энергообмена содержит упорядоченную составляющую, воспринимаемую системой, как совершенная над ней работа. Таким образом, информационная составляющая имеет свой энергетический эквивалент. Выделение упорядоченной части энергообмена, которая способна вызывать в системе перестройку ее структуры, появление у нее новых функциональных возможностей и эволюцию системы в направлении ее «самоорганизации», стало возможным с распространением положений неравновесной термодинамики на процессы полезного преобразования энергии [145].
Таким образом, «энергоинформационное» воздействие является, по сути, обычным неравновесным энергообменом, включающим в себя упорядоченную составляющую, совершающую полезную работу и поддерживающую систему в неравновесном состоянии. В этой связи рассуждения об особом «информационном» взаимодействии (без передачи энергии) или энергоинформационном взаимодействии, не связанном с какими-либо формами энергии, рассматриваются как бездоказательные [144].
Саморегуляция и информационный обмен являются ведущими составляющими механизмов функционирования живых систем. Хранение, кодирование, декодирование, передача, использование генетической информации являются ключевыми во всех процессах жизнедеятельности. Наследственная информация в живых системах передается, хранится и используется в закодированной форме в виде различных биологических макромолекул и полностью определяет структурно-функциональные характеристики живой материи. Элементарный состав биологических макромолекул определяет не только морфофункциональные свойства живой материи, но и является эквивалентом информационного генетического сообщения. Все сложные биохимические, функциональные, биофизические, психологические уровни регуляции биологических процессов в живых организмах находятся под координирующим информационным контролем, а источником управляющей информации является генетическая память. Упорядоченность обмена веществ, рациональное использование пластических и энергетических ресурсов организма, обеспечение должного состояния функциональных возможностей, включая поддержание ФРО, на всех этапах онтогенеза и целенаправленной жизнедеятельности – все это результат программирующего действия генетической информации [63].
Биоинформация, связанная с генами, напрямую не участвуя в процессах жизнедеятельности и развития непосредственно, является в функционально-генетическом плане фактически «потенциальной». Действующая биоинформация связана с белками и свойствами клеток и организмов. Основную функциональную нагрузку при взаимодействии организма со средой обитания несут белки, либо в качестве структурных элементов, либо посредством своих ферментативных активностей. Информация о структуре и количестве белков, необходимых организму для жизнеобеспечения в каждый конкретный момент времени, о метаболических потребностях запускает экспрессию на генном уровне, что позволяет обеспечивать максимально быстрый и экономный запуск соответствующих метаболических путей в ответ на изменение условий внутренней и внешней среды и их «выключение» после достижения результата действия соответствующих функциональных систем. Механизмы «включения» и «выключения» генов на разных этапах реализации адаптивных реакций организма очень оперативны и точны. Это в большой мере определяется тем, что в клетках высокоразвитых организмов только 10 % всех генов ответственны за синтез структурных белков и ферментов, а 90 % составляют «аппарат управления» (регуляторные гены).
Регуляция метаболизма осуществляется как на генетическом, так и на биохимическом уровне. На генетическом уровне регулируется путем воздействий на экспрессию генов путем усиления или подавления транскрипции и трансляции. Регуляция метаболизма на генном уровне основана на использовании механизмов индукции и репрессии синтеза ферментов в клетках организма. Генная регуляция оказывает наиболее глубокое и эффективное воздействие на метаболические процессы, так как определяет количество и активность синтезируемых ферментов, в то время, как биохимические механизмы регуляции лишь косвенно влияют только на активность ферментов, «обеспечивая» их тонкую настройку». Индукция или репрессия синтеза ферментов происходит в ответ на воздействие определенных факторов внешней или внутренней среды организма, передающего через различные переносчики на генный уровень информацию о метаболических потребностях в каждый конкретный момент времени.
Биоинформационные взаимодействия лежат в основе всех молекулярно-биологических механизмов, начиная от считывания информации с ДНК, последующего ее перевода в белковый код и запуска катализируемых многочисленными ферментами процессов метаболизма. «В сложных биологических организмах, к которым относятся эукариоты, вся «материализация» сфокусировалась на геноме, а более предметно – на пространственно-колебательном устройстве ДНК. На ДНК сошлись воедино трехмерное и информационное пространства. Супермолекула ДНК играет двойную роль: с одной стороны, является матрицей пространственно-временной организации конкретной биосистемы, с другой – уникальным, эволюционно-сформированным коллектором информационных сигналов, способным воспринимать любой семантический знак» [57]. Информация, переносимая пептидами или белками в конкретный локус биосистемы, становится оперативной, обеспечивая интегративность всех имеющих место в этом локусе процессов, в том числе, сопряженных с клеточными мембранами лиганд – рецепторными и синаптическими взаимодействиями, контролируя «правильность» передачи информации. Информационная картина организма наиболее интегративно представлена суммой всех констелляций функционально-активных в данный момент белков и пептидов [57].
Полагают, что информация, поступающая к определенному гену, изменяет его пространственно-колебательную структуру, что инициирует транскибирование этого гена, приводящее к синтезу пептида, который «переносит в конкретный локус мембраны, синапса, межуточной ткани или протоплазмы всю гамму колебаний генного текста, структурируя
сообразно ей жидкостную среду локуса и обеспечивая в ней «правильную», детерминированную пространственно-временную организацию молекулярных событий [57].
В ходе информационных взаимодействий в живых организмах осуществляются сложнейшие процессы передачи и переработки информации не только посредством биомолекул, но и путем переноса биологически значимой информации физическими полями. Реальная осуществимость информационных взаимодействий физических полей с биологическими системами, основана на способности хиральных физических полей стереоспецифически взаимодействовать с хиральными молекулами функционально важных биополимеров, подтверждается особенностями наблюдаемых связей в системе «Солнце – биосфера [51]. Выдвинута гипотеза о существовании информационных квантов в биосистемах, часть которых ассоциирована с молекулами или субмолекулярными частицами [57], а другие находятся в относительно свободном состоянии.
Многолетние усилия исследователей в плане лучшего понимания процессов хранения, кодирования, передачи и использования информации в целях жизнеобеспечения организма позволили сформулировать ряд теоретических построений, выдвинуть гипотезы, развить концептуальные представления об информации, как неотъемлемом элементе живой материи. К числу наиболее ярких и фундаментально значимых идей двадцатого столетия, безусловно, относится информационная концепция деятельности функциональных систем, выдвинутая академиком П.К. Анохиным. В рамках этой концепции информация, как правило, выступает главной доминантой во всех функциональных процессах той или иной системы [11; 12]. Все преобразования информации в живой системе производятся для достижения определенного биологического эффекта. Показано, что любая функциональная система, наряду с энергетической основой специальных физико-химических процессов, определяющих метаболическую потребность и ее удовлетворение, характеризуется информационным наполнением.
Достижение цели информационно-взаимодействующей функциональной системой инициируется неизменным в течение некоторого отрезка времени мотивом. На основании мотива формируется текущая цель поведения системы сначала в неопределенной форме, как задача построения динамической функциональной системы, содержащей символы операций, отношений и объемов, которые получают свои значения, только в случае достижения цели, т.е. успешного завершения динамического процесса получения полезного приспособительного
результата [70]. Полезные приспособительные результаты выступают в роли системообразующего фактора становления функциональных систем разного уровня организации [11]. С этой точки зрения полезные результаты адаптивных реакций являются системообразующим фактором комплекса функциональных систем, формирующих ФРО.
Все компоненты функциональной системы взаимодействуют в процессах, обеспечивающих достижение полезного результата действия, используя механизмы передачи информации между различными блоками функциональной системы. Эти информационные потоки в рамках классической схемы функциональной системы обозначаются, как пусковая, обстановочная, обратная афферентация, а также эфферентная сигнализация, транслирующая информацию программы действия к блоку функциональной системы, реализующим само действие, направленное на получение результата действия. Информация о параметрах результата действия сопоставляется с информацией, содержащейся в акцепторе действия. При несоответствии информации о параметрах достигнутого результата действия информации, существующей в акцепторе результата действия, формируется информационный посыл в аппарат афферентного синтеза, который обеспечивает принятие нового решения, инициирующего функциональную систему на достижение должного полезного для организма в целом, приспособительного результата действия в соответствии с уточненной обстановочной афферентацией.
Возникновение и существование любой функциональной системы определяется наличием необходимых структурных, энергетических и информационных ресурсов. Достижение должного результата действия спряжено с мобилизацией этих ресурсов, а вероятность достижения этого результата определяется достаточностью мобилизуемых ФРО.
ФРО – это очень сложный многовариантный комплекс множества информационно-взаимосвязанных функциональных систем молекулярного, гомеостатического и поведенческого уровней, организованный по принципу их слаженного мультипараметрического взаимодействия, отражающего информационные взаимоотношения внешней и внутренней среды организма. Мобилизация и восстановление ФРО обеспечивается многокомпонентным взаимодействием различных функциональных систем в каждый конкретный момент времени в соответствии с потребностями жизнеобеспечения организма.
В функциональных системах постоянно циркулирует информация о потребности и о ее удовлетворении. При этом, информация на всех этапах деятельности функциональной системы сохраняется в полной мере, несмотря на смену ее носителей. Удовлетворение потребности постоянно информационно оценивается. Представления П.К. Анохина об информационном эквиваленте результатов деятельности живых существ [12]
были в дальнейшем дополнены представлениями К.В. Судакова об информационных эквивалентах потребности и удовлетворении потребности [132]. Акцепторы результатов действия выступают в роли информационных элементов функциональных систем, которые осуществляют опережающее программирование результата действия и сопоставление его с поступающей информацией о достижении того или иного адаптивного результата удовлетворения потребности. По мнению К.В. Судакова [128] «совокупная информационная деятельность разных функциональных систем, в каждой из которых обмен информацией осуществляется на основе своих специфических информационных эквивалентов составляет общую информационную среду организма». Предполагается, что ведущая роль в организации информационной среды организма принадлежит нервной, а также соединительной ткани [128]. Именно в соединительной ткани осуществляется тесное взаимодействие множества биологически активных информационных молекул: олигопептидов, гормонов, гликопротеинов, витаминов, простогландинов, иммунных комплексов и других сигнальных структур.
Парадигма системного подхода позволяет рассмотреть различные аспекты формирования функциональной организации жизнедеятельности и, в том числе, значение информационной составляющей функциональных резервов организма. Информационный подход применим к анализу формирования систем жизнеобеспечения различного уровня [119; 118; 143]. Системно-информационный подход к анализу функциональной организации резервных возможностей организма позволяет рассматривать физические параметры физиологических и метаболических процессов с позиций их информационного содержания. Теория функциональных систем, интегрируя концепции нейрофизиологии и теории информации, позволила рассматривать проблемы здоровья с системных позиций и открыла новые перспективы ранней диагностики нарушений физиологических функций человека в различных условиях жизнедеятельности [130]. Организм человека взаимодействует с внешней средой и поддерживает постоянство внутренней среды, реагируя на большой объем сигнальных воздействий, имеющих сложную информационную пространственно-временную организацию.
Толерантность к сигнальным факторам – причина снижения возможностей информационных механизмов жизнеобеспечения вследствие изменения состояния метаболических, пластических и регуляторных процессов, а также нарушения формирования и поддержания на должном уровне ФРО. Академиком К.В. Судаковым сформулирована гипотеза о неспецифическом информационном синдроме дезинтеграции различных функциональных систем при экстремальных воздействиях на человека [129]. Дезинтеграция мультипараметрических информационных взаимоотношений различных функциональных систем гомеостатического уровня находит отражение в нарушении кросс-корреляционных отношений, проявляющихся нарушениями биоритмов висцеральных систем, сна, а также расстройством гормональной регуляции и снижением иммунитета. Неспецифический синдром дезинтеграции связей функциональных систем рассматривается как первая информационная стадия нарушения физиологических функций, которая в условиях продолжения экстремального воздействия может переходить в патологическую метаболическую стадию, ведущую к развитию хронического заболевания.
Одним из важнейших продолжений теоретического наследия академика П.К. Анохина в трудах его учеников и последователей явился системно-информационный подход при анализе процессов жизнеобеспечения [131; 137; 148; 41; 59]. Системно-информационный подход является методологической основой, отражающей информационную сущность и природу механизмов регуляции жизнедеятельности организма и позволяющей исследовать свойства системных параметров регуляторного процесса, которые «контролируются» информационным фактором [60]. Понимание информационных механизмов целесообразности функциональной системы, обеспечивающей адекватное отражение сигнальных воздействий внешней среды и достижение полезного для организма адаптивного результата к ее непрерывно изменяющимся условиям. В качестве интегральной оценочной категории организации процессов жизнедеятельности предлагается рассматривать «уровень избыточности регуляторных процессов» [61], количественная характеристика которой отражает собственно-информационное содержание функционирования различных звеньев системы. Уровень избыточности регуляторных процессов определяет организацию и позволяет оценивать состояние функциональных систем жизнеобеспечения.
Жизнедеятельность любого организма происходит в условиях непрерывного взаимодействия со средой обитания. Достижение соответствия конкретным условиям существования происходит путем адаптивных реакций организма в рамках ФРО. Поскольку условия существования постоянно изменяются в пространстве и во времени, организм для достижения адаптивного результата должен постоянно оценивать эти изменения, иметь надлежащую готовность и способность соответствовать им, что и составляет сущность информационной взаимосвязи организма и среды обитания. Рассматривая живой организм в его взаимодействии со средой обитания, следует иметь в виду, что для нормального функционирования организма важны не только структурно-метаболические характеристики гомеостаза, но и гомеостаза энергетического и гомеостаза информационного [58; 128].
Информация, имеющая первостепенное значение для оптимального функционирования организма, может считаться функциональной информацией, что является ее качественной характеристикой [71]. Восприятие и трансформация организмом такого информационного сигнала инициирует адекватные адаптивные реакции. На всех уровнях организации живой материи сигнальная коммуникация организменного уровня осуществляется, прежде всего, посредством специфических биологически активных молекул, занимающих ключевые позиции в регуляции разнообразных метаболических процессов, направленных на удовлетворение жизненно-необходимых потребностей организма, включая формирование его функциональных резервов. Сигнальные молекулы образуются клетками функционально взаимосвязанных нервной, иммунной и эндокринной систем. Установлено [106], что нейроэндокринная система на протяжении бóльшей части жизненного цикла организма постоянно продуцирует сигнальные молекулы и, в том числе, гормональной природы в избыточном количестве, что рассматривается в качестве резерва, который может быть использован при определенных изменениях условий существования организма в целях информационного обеспечения срочных адаптивных реакций во всем диапазоне функциональных возможностей. Таким образом обеспечивается возможность и готовность организма поддерживать свою жизнедеятельность за пределами оптимальных условий существования при взаимодействии со средой обитания, согласно соответствующим информационным связям и функциональным резервам.
Организм человека, как и всех других живых существ, существует, благодаря полученной наследственной информации, которая управляет потоками вещества и энергии в ходе непрерывно идущих метаболических процессов. Наследственная информация – фундаментальная основа любой живой системы, определяющая ее функциональное состояние и эффективность взаимодействия с окружающей средой. Жизненно необходимые метаболические потребности являются инициирующим фактором самоорганизации функциональных систем любого уровня, мобилизующим ткани и органы посредством сигнальной информации нервной или гуморальной природы в системе построения, обеспечивающие совокупной деятельностью входящих в нее элементов удовлетворения исходной потребности. При отклонении результата деятельности той или иной функциональной системы от уровня, обеспечивающего оптимальный для организма метаболизм, в функциональных системах формируется информационный сигнал (эквивалент) потребности, как отношение величины отклонения адаптивного результата к его уровню, оптимальному для метаболизма [132]. Механизмы саморегуляции в функциональных системах могут самостоятельно обеспечить достижение оптимального уровня метаболизма и формирование информации о метаболическом удовлетворении потребности [134]. По-видимому, именно такой метаболический механизм включается при необходимости восстановления ФРО.
Таким образом, адаптивные результаты определяют устойчивость процессов жизнедеятельности и, в первую очередь, обмена веществ живых существ [134]. Активность обмена веществ непрерывно регулируется в соответствии с потребностями организма, которые могут быть как физиологическими, т.е. в рамках поддержания процессов жизнеобеспечения в оптимальных условиях жизнедеятельности, так и при воздействии на организм факторов, «возмущающих» такие условия.
Через живую систему непрерывно протекают потоки материи и энергии, но она поддерживает устойчивую форму и обеспечивает это посредством саморегуляции. Живой организм в процессе обмена веществ претерпевает непрерывные изменения, но поддерживает свою структуру в устойчивом состоянии, далеком от равновесия, в течение продолжительных периодов времени. Такая организация живых организмов полностью соответствует теории И. Пригожина о диссипативных структурах, объединяющую две кажущиеся противоречивыми тенденции – «диссипацию» (рассеяние) и «структуру», которые сосуществуют во всех живых организмах [92; 109]. Живые организмы являются сложнейшим вариантом диссипативных структур, поглощая вещество и энергию из окружающей среды и выделяя в нее продукты своей жизнедеятельности. При этом обеспечивается понижение энтропии в организме за счет протекания биохимических реакций синтеза необходимых организму белков и других органических веществ, пополняющих его пластические и энергетические ресурсы. Диссипативными являются разнообразные пространственно-временные
упорядоченные системы.
ФРО являются очевидным и безусловно очень существенным компонентом диссипативной структуры, которой является живой организм, поскольку, как использование ФРО для обеспечения жизнедеятельности, так и их восстановление, обеспечиваются непрерывным обменом материей и энергией с окружающей средой. Динамическая трансформация ФРО в процессе жизнедеятельности в значительной мере соответствует понятию «текучее равновесие», которое ввел великий мыслитель Людвиг фон Берталанфи для обозначения живых структур, как открытых систем, зависящих от непрерывных потоков энергии и ресурсов [24].
Без информационного взаимодействия организма со средой обитания и анализа информационных параметров его функционального состояния невозможны ни мобилизация ФРО, ни их восстановление. Мобилизация и восстановление ФР происходит в ходе адаптивных реакций, инициированных изменениями среды обитания, констант внутренней среды, а также параметров функционирования органов и систем организма. Согласно теории И.Н. Пигарева [102] восстановление функциональных возможностей висцеральных систем особенно активно происходит во время сна, когда мозг обрабатывает информацию, поступающую от внутренних органов. Резко возрастающая активность практически всех корковых зон обеспечивает анализ огромного потока информации о состоянии регуляторных, метаболических, пластических процессов в органах и тканях на предмет восстановления и поддержания их функциональных возможностей на оптимальном уровне. Сказанное позволяет предположить, что именно потоки информации от висцеральных органов во время сна во многом определяют процессы восстановления ФРО. Динамические процессы формирования ФРО определяются информационными составляющими жизнеобеспечения организма в соответствии с его адаптивными потребностями и резервными возможностями.
ФРО посредством использования различных системных воздействий на организм могут совершенствоваться в процессе жизнедеятельности. Систематическое выполнение физических упражнений позволяет сохранить ФРО и, соответственно, высокий уровень здоровья и работоспособности. Основой физических упражнений является двигательная деятельность, которая сопровождается большим потоком информации в ЦНС, связанным с пропреоцептивной афферентацией от мышц. При этом повышается функциональная активность всех отделов ЦНС, в нейронах увеличивается содержание РНК, активизируется деятельность гипоталамо-гипофизарной системы, вовлекается эндокринная система и достигается оптимальная регуляция сердечно-сосудистой, дыхательной и других систем организма [138].
У физически и психологически тренированных лиц значительное повышение функциональной активности органов и систем происходит с меньшими затратами энергии и при меньшей степени напряжения регуляторных механизмов, а, следовательно, и менее значимыми изменениями ФРО. Это убедительно продемонстрировано исследованиями стрессоустойчивости у парашютистов [104]. У опытных парашютистов динамика параметров регуляторно-адаптивного статуса организма, определенного с использованием пробы сердечно-дыхательного синхронизма в условиях психоэмоционального стресса, существенно отличается от этих же показателей у начинающих парашютистов, что свидетельствет о возрастании стрессоустойчивости в процессе тренировок парашютистов. Уровень стрессоустойчивости, оцениваемый по регуляторно-адаптивному статусу, предопределен величиной индекса регуляторно-адаптивного статуса в исходном состоянии и степенью его изменения при действии стрессогенного фактора Повышение исходного уровня и менее выраженное его изменение при действии стрессорных воздействий свидетельствуют о повышении в процессе систематических тренировок стрессоустойчивости, а, следовательно, и об увеличении ФРО. Увеличение ФРО повышает устойчивость к стрессогенным факторам, физическую и психическую работоспособность [138].