Одной из центральных проблем гигиенической науки и медицины в целом в настоящее время является изучение состояния организма при воздействии различных негативных факторов внешней среды, а также пути и способы повышения устойчивости теплокровного организма к ним. Приспособление человека и животных к низким и высоким температурным условиям окружающей среды всегда сопровождается приспособительными физиологическими сдвигами многих функциональных систем организма, что приводит к развитию нового, пограничного между нормой и патологией состояния, называемого «адаптация». Особую значимость данные вопросы приобретают в сложных климатогеографических условиях Амурской области, где погодные условия характеризуются резко континентальными факторами с муссонными влияниями [3, 7, 16]. Известно, что северные районы Амурской области приравнены к районам Крайнего Севера (Постановление Совета Министров СССР №12 от 03.01.1983 г. о Перечне районов Крайнего Севера и местностей, приравненных к районам Крайнего Севера с изменениями от 03.03.2012 г. Постановления Правительства РФ №170).
Необходимость изучать адаптацию к сложным и неблагоприятным факторам среды (температурный фактор, радиация, электромагнитные поля и др.) возникла, в том числе, в связи с освоением экстремальных районов Земли: Арктика, Антарктика, пустыни, океанический шельф, высокогорья, космическое пространство, поскольку в силу различных причин резервы организма могут истощаться раньше, чем достигнута адаптация [1].
В литературе имеются сведения, что при увеличении максимальной дневной температуры на каждые 10ºС, частота смертности от отдельных причин и обращаемость за скорой медицинской помощью повышались в среднем на 100%, показатель общей смертности – на 8% [19].
Здоровье характеризуется как оптимальное состояние организма, когда обеспечивается максимальная адаптивность. Решение вопросов адаптации в медицинской и гигиенической науке заключается в изучении динамики, механизма патологических процессов и разработке средств, увеличивающих адаптационный потенциал теплокровного организма к действию неблагоприятных факторов среды. Увеличить устойчивость организма к холодным и жарким эколого-климатическим условиям внешней среды возможно при помощи обладающих широким спектром защиты адаптогенных средств – группы препаратов природного или синтетического происхождения, способных повышать неспецифическую резистентность организма к широкому спектру патогенных воздействий физической, биологической и химической природы [12, 23].
Теоретические данные о механизмах развития температурного стресса
Считается, что наблюдаемые при стрессе дистрофические поражения обусловлены действием медиаторов и гормонов, содержание в крови которых повышается при стрессе. Хорошо изучена свободнорадикальная деструкция липидов – перекисное окисление липидов, когда, при воздействии повреждающих факторов (заболевание, температурный фактор, облучение, ионизация, гипоксия и др.), фосфолипиды мембран являются основным субстратом повреждения, изменяется их жидкостность и, как следствие, способность нормально функционировать. Продуктами реакций свободнорадикального окисления являются гидроперекиси липидов, диеновые и триеновые коньюгаты, перекисные радикалы, кетоны и альдегиды, в частности малоновый диальдегид, основание Шиффа и др. В физиологических условиях в результате взаимодействия свободных радикалов с антиоксидантами, ионами металлов переменной валентности или друг с другом цепь прерывается [6, 8, 28, 35].
В современной медико-биологической науке широко изучается естественная противоокислительная защита организма, включающая ферментативные (каталаза, глутатионтрансфераза, глутатионредуктаза и др.) и неферментативные (витамины К и А, токоферолы, убихиноны; стероидные гормоны, глутатион, аскорбиновая кислота, серотонин, гистамин и др.) антиоксиданты. Ферментативные антиоксиданты отличаются высокой специфичностью действия, направленного против определённых активных форм кислорода, клеточной и органной локализацией. Таким образом, в организме существует физиологическая антиоксидантная система, представляющая собой совокупность защитных механизмов клеток, органов и систем, направленных на поддержание свободнорадикального гомеостаза. Сбои в работе лишь одного звена этой сложной системы отразятся на эффективности процессов детоксикации активных форм кислорода и свободных радикалов, что может привести к необратимым повреждениям органов и тканей [15, 34].
Последние несколько десятилетий учёными всего мира рассматриваются вопросы повышения выносливости людей при действии экстремальных факторов, при этом значительное количество исследований, посвященных вопросам холодовой и тепловой травмы, освещено в отечественной литературе [12, 23, 25, 27]. Вместе с тем назрела необходимость более детального изучения гомеостатических, морфологических, биохимических аспектов стрессирующего влияния экстремальных температур на метаболические реакции организма человека и животных с целью разработки новых способов их коррекции.
В России холодовой стресс является одним из главных видов патогенного хронического воздействия на теплокровный организм. Согласно литературным данным, при адаптации к холодовому стрессу температура тела остаётся постоянной. Вследствие активации гипофизарно-адреналовой системы увеличивается теплообразование и снижается теплоотдача, что сводится к сумме теплоокисления и расщепления АТФ. На первых этапах адаптации к холоду повышается степень углеводного обмена, глюкоза используется в качестве источника термогенеза. Далее, возрастает роль липидного обмена за счет мощного использования неэстерифицированных жирных кислот соответственно физиологическим потребностям [2, 5, 12].
Известно, что прооксидантное действие холода является патогенетической основой свободнорадикального окисления. Происходит истощение мощности антиокислительной системы тканей и нарушение устойчивости липидного слоя мембран, запускается процесс перекисного окисления липидов. Изменяется белковый обмен: нарастает процесс распада белковых молекул, нарушается синтез и ресинтез белков, усвоение аминокислот, снижается концентрация белка в крови. Отмечается расстройство кровообращения, эффективности рабочих функций миокарда и скелетных мышц, изменение показателей гемостаза, спазм артерий и артериол, шунтирование кровотока и повышение коагулянтной активности крови. Воздействие холода рассматривается как причина патологического влияния на дыхательные пути и легкие, приводящая к стойким нарушениям в системе мукоцилиарного транспорта [11, 15, 18, 36–38].
Россия – северная страна, большинство российских исследований по оценке влияния климата касались воздействия экстремально низких температур на здоровье населения, однако на протяжении последних десятилетий усиливается интерес ученых к проблеме перегревания теплокровного организма. Человек может подвергаться перегреванию в естественных условиях, либо в обстановке специфического производства. Данные о реакции организма в ответ на перегревание в литературных источниках недостаточны и противоречивы. Ряд авторов считает, что ответ организма на тепловое воздействие имеет общие черты с реакцией на холод, поскольку любая защитная реакция организма универсальна и существует феномен перекрестной адаптации. Исследования подтверждают, что воздействие тепла экстремального диапазона способствует перестройке углеводного обмена, под влиянием высокой температуры макроэргические фосфорные соединения накапливаются, что снижает окислительные процессы [5, 22].
Деятельность энергообразующей системы переключается с окислительного на гликолитический путь метаболизма. Наблюдается активация гликогенолиза и гликолиза [20].
Установлено, что при тепловой нагрузке снижается содержание церулоплазмина, отмечается достоверное уменьшение концентрации общего белка сыворотки крови, изменяется концентрация креатинина в крови, увеличение содержания общего азота, мочевины в моче, органических кислот и коэффициента кислотообразования [24].
Описано также максимальное нарастание содержания перекисных продуктов и уменьшение антиокислительной активности в организме спустя 24 часа после однократного повышения температуры тела на 2-3ºС. На начальной стадии острого перегревания характерной реакцией теплокровного организма является активация протеолиза. Реакция на избыточное тепло формируется сначала в центральной нервной системе, далее распространяется на периферию и заключается в возбуждении, в основном, α-адренорецепторов. Происходит выброс адреналина и централизация кровообращения – сужение периферических сосудов, что снижает теплопроводность кожи и препятствует перегреванию центральных органов. Рядом авторов установлено, что содержание маркерного фермента цитоплазматических мембран – щелочной фосфатазы, при тепловом поражении повышалось у всех испытуемых, что демонстрирует функциональные и структурные перестройки мембранного аппарата [18, 22, 26]. Важным патогенетическим механизмом гипертермии считается нарастающий гемолиз, снижение общего числа эритроцитов, гемоглобина, цветового показателя периферической крови, вследствие действия на эритроцитарные мембраны недоокисленных продуктов метаболизма, изменения физико-химических параметров плазмы, вторичной тканевой гипоксии.
Так как легкие человека и животных непосредственно контактируют с воздушной средой и их значительно труднее уберечь от патогенного действия низких и высоких температур, то данный орган страдает в первую очередь, что подтверждают показатели заболеваемости, в том числе на Дальнем Востоке. Основной функцией воздухоносного отдела является обеспечение оптимальных условий для очищения, увлажнения и согревания проходящего через него воздуха, которые могут нарушаться в разной степени при воздействии холодового и теплового стресса [23]. Активация процессов перекисного окисления липидов является основной причиной повреждения слизистой оболочки трахеи, миокарда, печени и других органов, и приводит к изменению в структуре клеточных мембран, что способствует увеличению доступности субстратов для прооксидантов. Морфологические изменения при холодовой и тепловой адаптации обусловлены нарушением целостности клеточных мембран, активированием перекисного окисления липидов, нарушением антиокислительной активности липидов, напряжением кислородного режима, изменением реологических свойств крови и другими причинами. Описанные факторы вызывают уменьшение работоспособности, падение умственной активности, снижение качества и продолжительности жизни [16].
Таким образом, мнения различных авторов сходятся на том, что действие противоположных факторов – холода и тепла – способно вызывать в теплокровном организме реакции, не благоприятствующие протеканию анаболических процессов, что вызывает перенапряжение функциональных систем организма. При этом если адаптация к холоду сопровождается резким усилением окислительных процессов и увеличением выхода энергии, то в условиях перегрева наоборот, происходит торможение окислительных процессов с целью замедлить теплопродукцию организма. При этом торможение окислительных процессов в теплокровном организме приводит к выраженному энергетическому дефициту.
Адаптогенное питание для коррекции перегревания и охлаждения организма
В современной медицинской науке и практике известно большое количество средств, стимулирующих защитные силы организма, улучшающих его работоспособность и устойчивость к внешним воздействиям [31].
По мнению многих ученых, коррекция неспецифической сопротивляемости организма при использовании адаптогенов связана с повышением уровня физиологической адаптации. Адаптогены характеризуются как особая группа веществ, повышающих резистентность организма к экстремальным агентам; это средства, вызывающие состояние неспецифически повышенной сопротивляемости. Для проявления их защитного действия необходимо, чтобы изучаемая функция была измененной и способной восстановиться до нормального состояния. Механизм действия адаптогенных продуктов связан с реабилитацией утраченных параметров организма и присоединением новых резервов за счет воздействия на работу всех систем организма [7, 17].
Фармакологические препараты, в отличие от адаптогенных продуктов, синтезируются для лечения определенных заболеваний и имеют ряд отрицательных характеристик: наличие специфически направленного действия, относительно высокая токсичность, возрастной диапазон применения и воздействия на организм, ограниченный объем производства, особенность технологических схем производства, частая смена номенклатуры и др. В свою очередь растительные адаптогены имеют ряд преимуществ, в частности, ряд трав произрастает на Дальнем Востоке и в Амурской области (например, зверобой продырявленный, родиола розовая), то есть являются доступными для жителей нашего региона, отличаются дешевизной при приобретении в специализированных магазинах и аптечной сети. В растениях-адаптогенах действующим началом являются полисахариды, гликозиды, флавоноиды, гликопептиды и др. Адаптогены, нормализуя биохимический гомеостаз, обеспечивают организму возможность справиться с временной дезадаптацией. Вещества-адаптогены нашли применение в различных отраслях деятельности человека и сферах его жизни: для увеличения когнитивной и физической работоспособности, для снижения последствий эмоционального стресса, с целью коррекции иммунитета у ослабленных больных, сотрудников горячих цехов и жителей северных широт [6, 16]. В течение многих десятилетий в десятках натуральных веществ, препаратах и вытяжках описывалась адаптогенная активность и накоплен большой объем знаний. Многие природные препараты повышают сопротивляемость теплокровного организма к гипоксии, стрессам, токсинам, предельным мышечным нагрузкам, низким и высоким температурам, обладают мембранопротективной и антиоксидантной активностью, оказывают иммуномодулирующее и противоопухолевое действие [27, 33].
Имеются данные об антиоксидантной активности адаптогенов, об усилении аэробных процессов, активизации основных ферментных систем энергетического обмена на фоне их применения. Описана регуляция адаптогенами углеводного и жирового обмена, которая заключается в экономном расходовании углеводного резерва и раннем применении липидов как основного энергетического субстрата. Адаптогены повышают прочность связывания воды с белками крови, способствуют нормальному функционированию организма в неблагоприятных условиях с наименьшими затратами энергии. Являются активаторами эндогенной антиокислительной системы, препятствуют развитию патологических состояний. Они, в отличие от допинга, действуют мягко и естественно, обеспечивают дополнительный приток энергии за счет мобилизации ресурсов организма, не вынуждая его работать в форсированном режиме [7, 12].
Токсическое влияние температурного фактора окружающей среды на когнитивные способности организма
В жизни всех живых организмов важное значение имеет стереотипное реагирование, и гибкое, поисковое, направленное на открытие новых вариантов взаимодействия со средой. Автоматизированные действия регулируют поведение организма в стандартных, типичных ситуациях, что экономит умственную энергию, но не всегда приводит к требуемому результату [21].
Особое внимание уделяют ситуациям, связанным с научением. В природных условиях учеными выявлено, что некоторые вороны, живущие у моря, намеренно бросают пойманных ими двустворчатых моллюсков на скалы, чтобы разбить раковину. Тогда как их сородичи наблюдают за происходящим, и учатся, проявляя поисковую активность. Так, привыкший охотиться на определенную дичь хищник в тяжелые периоды существования должен проявить поисковую активность и найти другой источник пропитания, чтобы выжить [30]. В том случае, когда ситуация становится нестандартной, включается механизм поисковой активности, который характеризуется как деятельность в ситуациях неопределенности, в условиях отсутствия или частичной невозможности прогнозирования развития ситуации. При этом поисковая активность направлена на разрешение проблемной ситуации или на коррекцию своего к ней отношения и позволяет организму сохранить баланс с внешним миром при действии угрожающих факторов и обстоятельств.
Выявлено, что сезонные изменения оказывают воздействие на психофизиологическое состояние и настроение большинства людей. Описано влияние высокого температурного режима на интеллектуальную деятельность человека, в частности, на функционирование головного мозга. Доказано, что мозг человека более чем на 90% состоит из связанной воды. Перегревание – это частичное или существенное изменение фазовых структур воды. Головной мозг теплокровного организма является наиболее чувствительным к воде органом, при перенапряжении которого вследствие обезвоживания, изменения гомеостаза, наступают функциональные нарушения, такие как солнечные и тепловые удары, а также развитие патологии структур головного мозга, при этом снижаются когнитивные функции и страдает эмоциональная сфера. Вместе с тем доказано, что имеет место динамика уровня активности областей головного мозга в соответствии с величиной солнечной энергии при действии тепла и холода на организм. Эксперты провели ряд научных опытов, которые выявили динамику развития когнитивных функций головного мозга человека. В результате анализа состояния памяти, координации, способности усваивать различную информацию, авторы изыскания определили, что показатели когнитивных способностей имеют непосредственное отношение к времени года. Активность областей головного мозга человека, отвечающих за концентрацию внимания и его сохранение, в зимний период становилась достоверно ниже. Ранее специалисты установили закономерность между смертностью людей и периодом года. Ученые доказали, что в зимой человек более всего склонен к суицидальным мыслям. Эту связь исследователи объясняют тем, что при действии холода наблюдается негативное влияние опасных факторов, среди которых отмечают холодовое воздействие. В медицинской науке и гигиенической практике разработка и внедрение веществ, улучшающих умственную деятельность и физическую выносливость, приобретает большую актуальность. Поиском наиболее оптимальных средств природного и синтетического происхождения, влияющих на когнитивную сферу при действии токсического температурного стресса внешней среды на теплокровный организм занимаются многие зарубежные и отечественные ученые, исследователи Амурской государственной медицинской академии [4, 10, 29].
В настоящее время в научной литературе имеется множество фактов, позволяющих утверждать, что поисковая активность определяет индивидуальные свойства центральной нервной системы. Доказана эффективность применения методов обучения животных в искусственных инструментальных средах для исследования когнитивных процессов. Анализ регистрируемых показателей демонстрирует способность животных к поиску, а также влияние антиоксидантов на процессы обучения у лабораторных животных. Новым веянием в науке является тенденция подвергать экспериментальному анализу внешнюю деятельность животных при различных неблагоприятных условиях, в которые они нарочно ставятся. Особенно важное значение именно данное направление науки приобрело на фоне применения адаптогенных препаратов. С целью определения когнитивных способностей животных применяется методика тестирования лабораторных крыс в модульном устройстве и универсальном устройстве с изменяющейся архитектурой. Часто используется такая поведенческая методика, как тест открытого поля, который применялся, в том числе, для оценки действия оксибутирата лития на структуру активно-поискового поведения в условиях постоянного освещения и для изучения поисковой активности у животных с поражением гепатобилиарной системы. Российские ученые использовали универсальную проблемную камеру для исследования влияния различных веществ (в том числе мексидола, эмоксипина, пантолизата) на когнитивные и мотивационно-энергетические процессы и возможности фармакологической оценки перспектив применения данных веществ для коррекции изучаемых процессов в различных условиях окружающей среды. Изучалась поисковая активность и её фармакологическая регуляция изотиорбамином [4, 10, 14].
Литературные источники демонстрируют положительное действие ряда трав из традиционной китайской и скандинавской медицин, используемых для улучшения физической и когнитивной жизнеспособности. Так, клинические исследования доказали увеличение умственной деятельности (в том числе, способности к концентрации внимания у здоровых людей) при повторном введении препаратов родиолы розовой. Экспериментально установлено, что лабораторные животные, выполнявшие ряд заданий, на фоне употребления родиолы розовой, улучшили память в зависимости от дозировки и длительности употребления [32].
Возможности улучшения показателей поисковой активности при применении адаптогенных продуктов или фармакологических средств имеют как теоретическое, так и практическое значение. В частности, позволяют при воздействии стрессирующих факторов (микроклиматические, радиационные, барические и др.) осуществлять профилактику и лечение вызванных нарушений. Так, для анализа кратковременной памяти в одноуровневом 8-лучевом лабиринте авторы применяли ингибитор α-секретазы [13].
Проведены исследования по обучению крыс сложному навыку поиска воды. Во время тестирования животному, находящемуся в условиях водной депривации, требовалось выйти из стартового бокса установки на тредбан, закрытый подвижной шторкой, и произвести побежку к манипуляторному боксу, по достижении диска с поилкой крысе необходимо повернуть его передними лапами на определенный угол, чтобы переместить поилку с водой к себе и употребить порцию воды. Высокие когнитивные способности фиксировали у крыс, выполнивших за время тестирования не менее двух полноценных акта, завершавшихся приемом воды [9].
Рассмотренные данные демонстрируют широкий набор методик выявления умственных способностей у животных при применении лекарственных средств с целью улучшения показателей. Различные школы ученых в зависимости от целей эксперимента используют определенные формы веществ (настойки, отвары, экстракты, порошки, вытяжки и др.), показывая их влияние на морфологические, биохимические, иммунологические и другие показатели.
Таким образом, в резко меняющихся температурных условиях зимы и лета, население Амурской области испытывает колоссальное стрессирующее влияние климатических и экологических факторов внешней среды, что в свою очередь диктует необходимость использования в рационе питания веществ, стимулирующих адаптационные резервы организма. Анализ литературных источников позволил определить закономерности патологии структурных, функциональных и биохимических процессов в теплокровном организме при холодовом и тепловом влиянии на организм. Перспективно и безопасно в отношении профилактики неблагоприятных температурных воздействий, в том числе холода и жары, использовать в медицинской практике натуральные адаптогенные препараты растительного и животного происхождения, имеющие эколого-биологический смысл и отсутствие побочных эффектов. Данные вещества возможно использовать для коррекции адаптационных реакций организма в различных стрессовых условиях.
