Kontseptsiya allostaza i adaptatsiiya cheloveka na Severe

Full Text

Социально-экономическое развитие Арктической зоны РФ предполагает повышение качества жизни коренного и пришлого населения как человеческого ресурса, от которого зависит эффективность государственной политики. Согласно документам ООН, социальная категория «качество жизни» включает 12 параметров, из которых на первом месте стоит здоровье [41]. По мнению социологов, высокое каче ство жизни человека подразумевает в первую очередь достаточную продолжительность здоровой жизни, необходимое медицинское обслуживание и безопасность [11]. Вместе с тем природное и техногенное воздействие на организм человека в условиях Арктики является своеобразным вызовом, который представляет угрозу здоровью и может снижать продолжительность жизни [7, 13, 21, 31]. Эпидемиологические данные свидетель 17 Экологическая физиология Экология человека 2016.07 ствуют, что заболеваемость и смертность от злокачественных новообразований повышена среди жителей высоких широт Земли [1, 3]. Существует гипотеза о связи между показателями здоровья населения и положением региона относительно полюсов Земли и экватора. В частности, по данным за 1986-1987 годы смертность почти линейно возрастала по мере продвижения с юга на север [4, 8]. Многочисленные работы, описывающие особенности адаптации человека в условиях Арктики, выявили «цену адаптации», которая включает изменённую работу всех систем организма [10, 18, 19, 30], включая липидный обмен, функции внешнего дыхания, нервной, эндокринной, иммунной и сердечно-сосудистой систем, развитие «синдрома полярного напряжения» [12, 24]. При этом вариации гелиогеофизических агентов, ассоциированных с арктической средой, играют большую роль в модуляции функционального состояния организма, особенно влияя на нервную и сердечно-сосудистую системы [5, 25, 26]. На уровне целостного организма описано несколько форм неспецифических системных приспособительных реакций: реакция тревоги У. Кэннона, стресс по Г. Селье, срочная и долговременная адаптации по Ф. З. Меерсону, реакции тренировки, нормальной/ повышенной активации по Л. Х. Гаркави, адаптационная реакция по П. Н. Симонову, климатогеографическое напряжение согласно В.П. Казначееву. Для этих типов адаптационных реакций характерна последовательная или циклическая фазовость процессов, проявления определённых фаз адаптационных реакций, которые определяются характером воздействия раздражающего агента (длительность, сила/ интенсивность воздействия) и «правилом исходного уровня» [17, 44]. В качестве особой формы предложено явление «незавершённой адаптации» [16], суть которой состоит в наложении одних фазовых процессов на другие, что, существенно усложняет формирование устойчивой адаптации, увеличивая адаптационную нагрузку на организм. В 2008 году McEwen высказал предположение, что стресс-агенты побуждают организм отрабатывать индивидуальные стратегии выживания, направленные на поддержания здоровья путём «достижения стабильности через изменения» [35] или «аллостаза» [40]. В основу концепции аллостаза легли 6 принципов, описывающих реакцию организма на изменения во внешней среде: а) организм запрограммирован на будущий результат, б) эффективность приспособительных действий требует компромисса между значениями параметров разных систем организма, в) эффективность адаптации требует предсказания изменений параметров среды, г) предсказание возможных сдвигов во внешней среде меняет состояние сенсорных системы в сторону повышения чувствительности к ожидаемому кругу воздействий, д) предсказание внешних изменений меняет состояние эффекторов, приспосабливая их действия к ожидаемым изменениям внешней среды, е) такая предсказуемая регуляция определяется целями поведения, которые контролируются центральной нервной системой [34]. По теории аллостаза организм реагирует практически на любое воздействие со стороны окружающей среды, выбрасывая химические медиаторы, например катехоламины, которые повышают частоту сердечных сокращений и кровяное давление, помогая человеку справиться с возникшей ситуацией. Вместе с тем попытки соответствовать резким внешним изменениям приводят к избыточному центральному контролю функций организма, например сердечного ритма (СР) и артериального давления, что может приводить к нарушению системных механизмов регуляции сердечно-сосудистой системы [36]. Реактивность сердечно-сосудистой системы организма на внешнее воздействие в значительной степени обусловлена исходной активностью автономной нервной системы (АНС), в которую входят симпатический (СНС) и парасимпатический (ПНС) отделы. Если СНС включается в момент резких изменений обстоятельств внешней среды, то ПНС в большей мере отвечает за восстановление утраченных функциональных резервов [2, 20]. На разных уровнях исходной активности организма СНС и ПНС могу работать синергично, ортогонально или антогонистично [39]. При этом активность ПНС рассматривается как индикатор восстановления израсходованных резервов организма [38]. В этом случае можно считать, что активность ПНС является критерием эффективности адаптации на Севере, отражая интегральный результат приспособления организма в рамках индивидуальной стратегии выживания [23, 43]. С учётом вышесказанного представляет несомненный интерес выяснить возрастные границы периодов онтогенеза у жителей Севера, во время которых возрастает риск срыва адаптации. Эта задача может быть решена при сопоставлении возрастных особенностей активности АНС и вкладе её отделов в регуляцию СР при сопоставлении возрастных групп жителей Севера и средних широт. Цель работы - рассмотреть особенности регуляции СР с учётом долевого вклада в эту регуляцию активности ПНС и СНС у работающих жителей высоких и средних широт на основе нелинейного анализа СР с привлечением теории аллостаза. Решение этой проблемы позволит выявить наиболее уязвимые возрастные группы жителей Севера и поможет в разработке стратегии повышения качества и продолжительности жизни трудоспособного населения в Арктике. Методы Все испытуемые дали письменное информированное согласие на участие в исследовании. Исследование проводили среди работающих жителей (мужчин и женщин) Севера (Кольский полуостров, Мурманская область) и средних широт (Новосибирская и Липецкая области), которые добровольно согласились участвовать в исследовании и имели синусовый сердечный ритм в состоянии оперативного покоя. Выборка северян состояла из 267 испытуемых от 18 Экология человека 2016.07 Экологическая физиология 20 до 75 лет, (44 ± 14) лет, которые были сведены в пять возрастных когорт: 20-29, 30-39, 40-49, 50-59 и 60-75 лет. Сравнение по изучаемым показателям мужской (164 испытуемых) и женской (103 испытуемых) частей выборки северян показало, что статистически значимых различий между ними нет, поэтому далее данные анализируются без деления по полу. Выборка жителей средних широт была подобрана согласно возрастным когортам выборки северян и состояла из 116 испытуемых от 20 до 74 лет, (40 ± 15) лет. Значимого различия между выборкой северян и выборкой жителей средних широт по возрасту не обнаружено (U-критерий Манна - Уитни двусторонний, p = 0,122). Регистрация СР у всех испытуемых проводилась с помощью электрокардиографа «Омега-Медицина» («Динамика», СПб., Россия) в первом стандартном отведении в состоянии спокойного бодрствования (положение «сидя»). Оценка активности АНС по анализу СР производилась путём кластеризации показателей ПНС и СНС программным обеспечением Nerve-Express (Intellewave, Inc., Valley Stream NY, USA) по 13 параметрам, которые включают в себя частоту сердечных сокращений, диапазоны HF и LF (и их соотношения), а также амплитуды максимальных пиков в этой части спектра и значения частот в точках максимальных пиков. На основе кластеризации этих показателей определялись баллы показателей ПНС и СНС в диапазоне от -4 до +4 [38]. Отрицательные и положительные значения баллов ПНС и СНС выражают снижение (повышение) активности соответствующего отдела АНС: резкое -4 (+4), значительное -3 ( + 3), умеренное -2 ( + 2), не значительное - 1 (+1). Нулевое значение отражает состояние вегетативного баланса. Значения -4 или +4 в состоянии оперативного покоя могут свидетельствовать о наличии патологических изменений в организме [42]. Уровень статистической значимости p (двусторонние критерии) определялся при изначально заданном значении Power =1 - ß = 0,80 (где ß - статистическая ошибка II рода). Для расчёта величины эффекта и мощности критерия был использован статистический пакет G*Power ver. 3 [33]. Нулевая гипотеза отклонялась при p < а (где p - уровень значимости, рассчитанный для величины Power = 0,80; а = 0,05 - статистическая ошибка I рода). Для сравнения распределения испытуемых по баллам уровней активности АНС в соответствии с рекомендациями [37] использовался точный критерий Фишера. При распределении испытуемых с двумя и более модами когорта согласно одному из подходов К. Пирсона [6] делилась на одномодальные группы (при соблюдении условия отличия распределения от других таких же групп на уровне p < 0,05). Доли испытуемых в одномодальных группах по отношению ко всей когорте определялись методом максимального правдоподобия Фишера [6]. Средние величины указываются в формате (среднее арифметическое) ± (стандартное отклонение). Результаты Распределение испытуемых с разными уровнями активности отделов АНС в возрастных когортах (высокие и средние широты) показаны на рис. 1 и 2. Расчёт долей испытуемых в одномодальных группах приведён в таблице. Рис. 1. Вклад активности ПНС и СНС в регуляцию сердечного ритма в когортах испытуемых, проживающих в средних широтах. По осям: уровень активности ПНС, СНС и возрастные диапазоны когорт. Центры одномодальных групп испытуемых показаны кругами, центры групп риска в отношении срыва адаптации - треугольниками. Центры одномодальных групп одной когорты объединены серой полосой, а их доли в когорте даны рядом (расчёт долей производился методом максимального правдоподобия Фишера, таблица). В когорте 20-29 лет 40 испытуемых, 30 - 39 лет - 19, 40-49 лет - 29, 50-59 лет - 14, 60-75 лет - 14 19 Экологическая физиология Экология человека 2016.07 Рис. 2. Вклад активности ПНС и СНС в регуляцию сердечного ритма в когортах испытуемых, проживающих в Заполярье. По осям: уровень активности ПНС, СНС и возрастные диапазоны когорт. Центры одномодальных групп испытуемых показаны кругами, центры групп риска в отношении срыва адаптации - треугольниками. Центры одномодальных групп одной когорты объединены серой полосой, а их доли в когорте даны рядом (расчёт долей производился методом максимального правдоподобия Фишера, таблица). В когорте 20-29 лет 42 испытуемых, 30 - 39 лет - 68, 40-49 лет - 48, 50-59 лет - 65, 60 - 75 лет - 44 Расчёт долей групп испытуемых относительно когорты по методу максимального правдоподобия Фишера Когорта MAX, максимумы функций L Функции правдоподобия L для групп 20-29 лет, НЕ М1 = 0,525(52,5 %); М2=0,475(47,5 %) І1 =p21 x (1-p)19; L9=p19 x (1-p)21 30-39 лет, НЕ М1 = 0,789(78,9 %); М,=0,211(21,1 %) L1=p15 x (1-p)4; L2=p4 x (1-p)15 40-49 лет, НЕ М1=0,310(31,0 %); М2=0,276(27,6 %) М3=0,276(27,6 %); М4=0,138(13,8 %) L1=p9 x (1-p)20; L2=p8 x (1-p)21; L3=p8 x (1-p)21; L4=p4 x (1-p)25 20-29 лет, А М1=0,451(45,1 %); М2=0,334(33,4 %) М,=0,215(21,5 %) L1=p19 x (1-p)23; L2=p14 x (1-p)28; L,=p9 x (1-p)33 30-39 лет, А М1=0,456(45,6 %); М2=0,338(33,8 %) М3=0,206(20,6 %) г"! = p14 p23 p31 ((( тTT p) ) ) Примечание. НЕ - Новосибирск и Елец (средние широты), А - Апатиты (Заполярье); p - (искомая) вероятность попадания испытуемого в данную группу; (1 - p) - вероятность непопадания испытуемого в данную группу. Группы в когорте нумеруются в порядке убывания их долей. Для нахождения экстремумов функции L решается уравнение L’=0, где L’ - производная от функции L. Все уравнения имеют два решения: 0 (минимум) и значение, приведённое с округлением до третьего знака после запятой в столбце MAX (максимум). Сумма значений М по каждой когорте равна 1,000. Результаты (доли в %) указаны на рис.1 и 2 около соответствующих групп. В средних широтах (см. рис. 1) в когорте 20-29 лет есть две одномодальное группы (слабое и умеренное повышение активности СНС при ПНС на уровне вегетативного баланса), в которых различие в распределении испытуемых по уровню активности АНС имеет высокую значимость (p < 0,001). В аналогичной возрастной когорте жители Севера (см. рис. 2) распределены на три одномодальные группы (слабое повышение активности СНС при ПНС от вегетативного баланса до умеренного снижения активности), в которых различие в распределении испытуемых по уровню активности АНС также имеет высокую значимость (p < 0,001). В когорте 30-39 лет испытуемые, проживающие в средних широтах (см. рис. 1), имеют две одномодальные группы (СНС на уровне вегетативный баланс - слабое повышение, ПНС на уровне вегетативного баланса), в которых различие в распределении испытуемых по уровню активности АНС имеет высокую значимость (p < 0,001). В той же возрастной когорте испытуемых высоких широт (см. рис. 2) есть три одномодальные группы. Практически половина (45,6 %) испытуемых имеет показатели, которые присутствуют и в предыдущей когорте (20-29 лет), и в последующей (40-49 лет). При этом данная группа имеет высоко значимые отличия в распределении испытуемых по уровню активности АНС от двух других групп когорты (p < 0,001). Две прочие группы (33,8 и 20,6 %) имеют показатели, которых нет в когортах 20-29 и 40-49 лет, и также имеют высоко значимые отличия между собой в распределении испытуемых по уровню активности АНС (p < 0,001). В когорте 40 - 49 лет средних широт (см. рис. 1) испытуемые распределяются на четыре одномодальные группы (различие между ними на уровне p < 0,001). У трёх групп (13,8, 27,5 и 27,7 %) показатели активности отделов АНС имеют разброс в пределах 1 балла по осям (СНС от вегетативного баланса до слабого повышения, ПНС от вегетативного баланса до слабого снижения). Четвёртая группа (31,0 %) имеет показатели на уровне следующей когорты (50-59 лет): слабое 20 Экология человека 2016.07 Экологическая физиология повышение активности СНС и значительное снижение активности ПНС. В когорте 40-49 лет и всех последующих испытуемые высоких широт (см. рис. 2) имеют только одну одномодальную группу: 40-49 лет, слабое повышение активности СНС и умеренное снижение активности ПНС; 50-59 лет, слабое повышение активности СНС и значительное снижение активности ПНС; 60-75 лет, вегетативный баланс активности СНС и значительное снижение активности ПНС. Распределение испытуемых средних широт (см. рис. 1) в когортах 50-59 и 60-75 лет аналогично таковому в соответствующих когортах северян. Таким образом, изучение динамики активности отделов АНС у жителей высоких и средних широт выявило различие (p < 0,001) в распределении испытуемых в когортах 20-29, 30-39 и 40-49 лет. У жителей высоких широт в когортах 20-29 и 30-39 лет наблюдается максимальное разнообразие по вкладам СНС и ПНС в регуляцию СР, в то время как у жителей средних широт максимальное разнообразие наблюдается в когорте 40-49 лет. При этом распределение жителей Севера в когортах 20-29 и 30-39 лет отличается от сходных когорт жителей средних широт: доли северян с более низким вкладом ПНС в регуляцию СР больше, чем в средних широтах (p < 0,001). Обсуждение результатов При анализе материалов исследования нами было установлено, что наиболее важным показателем в состоянии оперативного покоя для оценки величины аллостатической нагрузки на организм является активность ПНС. При этом у северян в когорте 30-39 лет появляются группы, которые по уровню симпатикотонии не имеют аналогов в других когортах (p < 0,001), а по уровню снижения активности ПНС также не имеют аналогов (p < 0,001) ни в предыдущей, ни в последующей когортах (см. рис. 2). Такие группы мы отнесли к группам риска в отношении срыва адаптации. У жителей средних широт такая группа появляется только в когорте 40-49 лет (см. рис. 1), причём аналогичный уровень активности СНС (слабое повышение) есть в одной из групп «своей» когорты, в одной группе из когорты 30-39 лет и в одной группе из когорты 20-29 лет, но уровень активности ПНС (значительное снижение) есть в следующей когорте 50-59 лет (и нет во всех предыдущих). Также показано, что в более «старших» когортах (у северян с 40 лет, у жителей средних широт с 50 лет) испытуемых представляют собой более гомогенные группы с активностью АНС, которая не различается в соответствующих когортах северян и жителей средних широт (p < 0,001). Следует отметить, что выявленные возрастные особенности в активности АНС у жителей Севера и средних широт отличаются от ожидаемых для нормативных возрастных групп. Согласно используемой модели показателей АНС [29], построенной по резуль татам изучения 10 тысяч испытуемых (жители США), уровень показателя ПНС при нормативной динамике снижается за каждое десятилетие (в среднем) на один уровень: от ПНС = +3 (уровень значительного повышения) для возраста 20 лет и моложе, до ПНС = -3 (уровень значительного снижения) для возраста 70 лет и старше. Полимодальное распределение испытуемых в более «молодых» когортах и снижение вклада ПНС в активность АНС может свидетельствовать, с одной стороны, о более высокой нагрузке на организм жителей Севера со стороны окружающей среды, а с другой - о том, что, вероятно, когорты 20-29 и 30-39 лет у жителей Севера более уязвимы к давлению факторов окружающей среды, чем у жителей средних широт. Опираясь на теорию «дизруптивного отбора» И. И. Шмальгаузена [32], разделяющего популяцию на отдельные группы с разными типами регуляции, которые обусловлены индивидуальными стратегиями выживания, можно предположить, что такой отбор порождает полимодальный характер регуляции СР в этих когортах. Отметим тот факт, что в когорте северян 30-39 лет имеются испытуемые с таким низким уровнем показателя ПНС, который отсутствует в следующей возрастной когорте. Возможно, что те северяне (40 и старше лет), которые исчерпали свои резервы, далее либо покидают работу, либо уезжают с Севера, либо умирают. В то же время в средней полосе России ухудшение резервных возможностей носит не резкий, постепенный характер. Таким образом, треть испытуемых средних широт в возрастной когорте от 40 до 49 лет относятся к группе риска, поскольку они имеют существенно сниженные резервные возможности регуляции ритма СР, о чем можно судить по уровню активности ПНС. Объяснением наблюдаемым сдвигам в данной возрастной категории могут быть начинающиеся гормональные возрастные изменения у мужчин и женщин [22]. Дополнительным свидетельством физиологических различий в функционировании организма северян и жителей средних широт являются данные, которые показывают задержку темпов морфофункционального возрастного развития головного мозга детей-северян [27, 28], замедление темпов возрастного развития гормональной и иммунной систем [9], нарушение лёгочной вентиляции [14]. Ранее нами было показано, что затраты организма на физиологическую адаптацию в экстремальных арктических условиях усиливают тенденции развития дизадаптивных процессов [15], которые обусловливают ускоренное старение, а перестройка метаболизма и нарушение психоэмоциональных форм реагирования за счёт дисбаланса вегетативной регуляции усиливает тенденции роста сердечно-сосудистой патологии. Таким образом, возрастная динамика регуляции СР у жителей высоких и средних широт в сходных возрастных группах различается: у жителей высоких широт наблюдается снижение резервных возможностей 21 Экологическая физиология Экология человека 2016.07 организма уже в пределах возрастных когорт 20-29 и 30-39 лет, в то время как у жителей средних широт такое снижение происходит в возрастной когорте 40-49 лет. Снижение вклада ПНС в регуляцию СР у жителей Севера в возрастных когортах 20-29 и 30-39 лет свидетельствует о высокой чувствительности населения, относящегося к этим возрастным группам, к воздействующим факторам среды разной природы. Повышенная степень уязвимости в указанных возрастных когортах предполагает воздействие на них дизруптивного отбора, в результате которого в определённой группе людей может происходить срыв адаптации. Использованный в данном исследовании метод оценки адаптационного потенциала у населения на основе оценки вклада ПНС в регуляцию СР открывает перспективы для выявления групп риска в различных возрастных когортах населения, проживающего в высоких широтах. С позиций концепции аллостаза у людей, длительно проживающих в Арктике, вырабатывается точная и дозированная ответная реакция нервной и гуморальной систем на действие внешне-средовых факторов, которая отличается от избыточного реагирования у приезжих и новосёлов Севера. Это объясняет большую уязвимость двух последних групп. Отметим также, что специфичность (и дискретность) распределения испытуемых по баллам активности ПНС и СНС накладывает запрет на использование большинства общеупотребимых статистических критериев. Было найдено решение - разбивать на одномодальные группы (подобно тому, как К. Пирсон с помощью выделения на основе мод нескольких нормальных распределений из одного эмпирического распределения описал статистические показатели двух разных видов крабов для У. Уэлдона [6]) и сравнивать сами распределения. В качестве рекомендации для дальнейших исследований адаптации человека в условиях Севера мы предлагаем уточнять особенности распределения испытуемых по активности АНС в возрастных когортах и на этой основе определять (количественно) интенсивность адаптационной нагрузки на человека. Заключение Полученные результаты отражают динамику регуляции СР у работающих жителей Заполярья (вплоть до пожилого возраста), которые прошли успешную адаптацию и продолжают трудовую деятельность, несмотря на возраст. Повышенная флуктуация уровня активности ПНС у северян в более молодых возрастных когортах (20-29 и 30-39 лет) по сравнению с аналогичными когортами жителей средней полосы свидетельствует, что часть населения северных территорий не имеет физиологических резервов для успешной адаптации в высоких широтах. Эта часть населения представляет собой группу риска. В то же время в возрастной когорте 40-49 лет распределение уровня активности ПНС у северян выглядит лучше, а в 50-59 и 60-75 лет не отличается от такового у жителей средней полосы. Полученные результаты с позиции теории аллостаза позволяют выявить наиболее уязвимые возрастные периоды в жизни северян, а также свидетельствуют о необходимости ранней диагностики состояния организма работающего населения. Работа выполнена при финансовой поддержке проекта Президиума РАН в рамках «Программы поисковых фундаментальных исследований в интересах арктической зоны РФ», гранта РГНФ № 14-16-51003, проекта Администрации Мурманской области «Влияние социально-экономических условий на оценку качества жизни представителей различных групп населения Кольского Севера» и гранта РГНФ 14-06-00195 «Прогностическая значимость латеральных признаков в оценке психологических и психофизиологических параметров на разных этапах онтогенеза человека».

About the authors

S G Krivoshchekov

Scientific Research Institute of Physiology and Basic Medicine

Email: krivosch@physiol.ru
Novosibirsk

N K Belisheva

KoLa Science Centre of Russian Academy of Sciences

Apatity

E I Nikolaeva

Petersburg Transport University; Herzen State Pedagogical University

Saint Petersburg

E G Vergunov

Scientific Research Institute of Physiology and Basic Medicine

Novosibirsk

A A Martynova

KoLa Science Centre of Russian Academy of Sciences

Apatity

O E Elnikova

Eletz State University

Eletz, Russia

S V Prjanichnikov

KoLa Science Centre of Russian Academy of Sciences

Apatity

G N Anufriev

Scientific Research Institute of Physiology and Basic Medicine

Novosibirsk

N V Balioz

Scientific Research Institute of Physiology and Basic Medicine

Novosibirsk

References

Supplementary files