Медико-биологические основы безопасности

Ганс Селье также ввел понятия об эустрессе и дистрессе. Эустресс (конструктивный стресс) представляет собой защитную реакцию организма, протекающую с незначительными затратами. Эустресс зачастую является положительной силой, способствующей обогащению человека осознанием своих реальных возможностей. Дистресс (деструктивный стресс) – это защитная реакция, которая приводит к ущербу для организма, ослабляет его адаптационные возможности. Закономерным является то, что чем выше интенсивность воздействия стрессора, тем более вероятен переход эустресса в дистресс.

Стрессор – это стимул, который приводит к запуску стрессовой реакции. Физиологический стресс является результатом воздействия стрессора посредством какого-либо сенсорного или метаболического процесса. Любой воздействующий на организм раздражитель может приобрести свойства стрессора при его соответствующей когнитивной интерпретации, за счёт приписывания ему человеком определенного значения. Это часто наблюдается при второсигнальном стрессе, например, в форме реакции на звук чужих шагов за спиной у человека, идущего ночью по пустынной улице. Стрессорами могут стать неблагоприятные факторы окружающей среды; нарушение физиологических процессов при различных заболеваниях; необходимость обработки информации в условиях дефицита времени; осознаваемая угроза здоровью и жизни; изоляция и заключение; остракизм и различные формы группового давления; утрата контроля над событиями собственной жизни; отсутствие жизненных целей; различные варианты депривации (общения, сна, сенсорная).

Сущность стресс-реакции заключается в том, что активируются те системы организма, которые необходимы для обеспечения его защиты от неблагоприятных воздействий любой природы (психических или физических), а также для восстановления нормальных условий жизнедеятельности. Иными словами, стресс представляет собой нормальное явление для здорового организма, обеспечивающее защиту или адаптацию. В протекании реакций адаптации, ориентированных на предупреждение негативных эффектов от воздействия стрессора, принимают участие так называемые стресс-реализующие системы.

Любой сенсорный раздражитель, достигнув высших отделов головного мозга, всегда получает 2 оценки – объективную (содержательную, смысловую) и субъективную (эмоциональную). В том случае, если такая субъективная оценка свидетельствует о наличии опасности, иными словами, обладает негативной аффективной окраской (эмоции страха или гнева), то сенсорный раздражитель приобретает роль триггера и в автоматическом режиме запускает последовательность соответствующих физиологических реакций, включая стрессовые. В том случае, когда угроза не идентифицируется, инициация механизмов стрессовой реакции не происходит. Таким образом, при психоэмоциональном стрессе возникающие реакции часто являются ответом не на сами воздействующие психосоциальные стимулы, а на результаты их когнитивной интерпретации.

Активация симпатической системы представляет собой первый механизм (первый этап) стрессовой реакции. Если стрессор продолжает воздействовать, а ресурсы симпатической системы из-за ограниченности запасов нейротрансмиттеров в ней уже исчерпаны, то запускается второй механизм (второй этап) стресса, называемый реакцией «битвы-бегства». Приоритетная роль на втором этапе принадлежит мозговому слою надпочечников. Реакция «битвы-бегства» представляет собой мобилизацию организма, подготавливающую поперечнополосатую скелетную мускулатуру к ответу на продолжающееся воздействие стрессора. Она предоставляет организму два варианта выбора – либо вступить в борьбу с опасностью, либо убегать. При этом в кровь выбрасываются адреналин и норадреналин, что обусловливает увеличение артериального давления и сердечного выброса, снижение кровотока в неработающих мышцах и органах, возрастание уровня свободных жирных кислот за счёт активации процесса липолиза, а также уровней триглицеридов, холестерина и глюкозы. Продолжительность реакции «битвы-бегства» приблизительно в десять раз больше, чем активации симпатической нервной системы. В целом, оба первых механизма стрессовой реакции принято называть симпатоадреналовой реакцией. Если стрессор все же продолжает воздействовать, и его эффекты не компенсируются симпатоадреналовой реакцией, то наступает третий этап стрессовой реакции – активация трех других эндокринных механизмов (адренокортикального, соматотропного и тиреоидного). Адренокортикальный механизм стресса представляет собой повышение продукции кортизола, гидрокортизона и других глюкокортикоидов в коре надпочечников. Эти гормоны приводят, прежде всего, к значительному увеличению энергетических запасов, включая глюкозу и свободные жирные кислоты (за счёт активации липолиза). Чрезмерная продукция и поступление в кровь глюкокортикоидов может обусловливать также побочные, нежелательные эффекты в виде подавления иммунных процессов, роста артериального давления, возрастания риска образования язвы 12-перстной кишки и желудка, инфаркта миокарда и других (рис. 4).

Рис. 4. Основные механизмы стрессовой реакции (по Г. Селье)

Одновременно с аденокортикальным активируется соматотропный механизм заключающийся в увеличении продукции и выделении аденогипофизом соматотропного гормона, который обусловливает повышение резистентности клеток к инсулину за счёт того, что препятствует попаданию глюкозы в миоциты и гепатоциты, а также активирует мобилизацию липидов, накопленных в организме. Как следствие в крови возрастает содержание глюкозы и свободных жирных кислот.

При активации тиреоидного механизма за счет повышения содержания в крови гормонов щитовидной железы увеличивается чувствительность тканевых клеток к катехоламинам, возрастает интенсивность образования энергии, активируется сердечная деятельность с ростом частоты и силы систол, возрастает артериальное давление.

Общий адаптационный синдром, представляющий собой ответную адаптивную реакцию всего организма, при достаточно длительном воздействии стрессора последовательно проходит три стадии: во-первых, стадию тревоги (6–48 часов) с мобилизацией всех защитных сил организма за счёт адренокортикального, соматотропного и тиреоидного механизмов; во-вторых, стадию резистентности (сопротивления, устойчивости, адаптации к стрессовой ситуации), когда возрастает устойчивость организма к стрессору и к другим агентам (перекрестная резистентность), частично снижается продукция соматотропного и тиреоидных гормонов, одновременно происходит гипертрофия коры надпочечников и существенное увеличение продукции глюкокортикоидов; в-третьих, стадию истощения – финальную стадию стрессовой реакции, которая возникает в случае продолжающегося воздействия стрессора в условиях, при которых адаптивные механизмы, участвующие в поддержании стадии резистентности, себя уже исчерпали (рис. 5).

Рис. 5. Три фазы общего адаптационного синдрома (по Г. Селье)

В фазу истощения существенно снижаются эффективность воздействия глюкокортикоидов на органы-мишени и возможности их синтеза; вновь запускаются соматотропный и тиреоидный механизмы, тем самым организм возвращается к реакции «боевой тревоги». В стадию истощения резко снижается вероятность выживания организма.

Таким образом, к стресс-реализующим системам относятся: во-первых, симпатическая нервная система; во-вторых, мозговой и корковый слои надпочечников; в-третьих, аденогипофиз и, в-четвертых, щитовидная железа. В процессе филогенеза появились механизмы, которые препятствуют возникновению побочных эффектов стресса, которые принято называть стресс-лимитирующими системами (или системами естественной профилактики стресса). К ним относятся: во-первых, ГАМК-ергическая система, во-вторых, эндогенные опиоиды, в-третьих, простагландины, а также антиоксидантная система и парасимпатическая нервная система [6, 17, 18, 26].

2.2. Процессы, механизмы и принципы управления в живых системах

К процессам управления в живых системах относятся: регуляция, инициация и координация (рис. 6).

Рис. 6. Управление в живых системах

Регуляция представляет собой управление деятельностью органа (системы органов), обладающего свойством автоматии и работающего в автономном режиме (например, сердце). Регуляция проявляется либо в уменьшении (ослаблении, торможении, ингибировании, угнетении) или в увеличении (усилении, активации, стимуляции) деятельности органа (системы органов). Инициация является процессом управления, при котором инициируется деятельность органа, не обладающего свойством автоматии (например, скелетные мышцы). Координация обеспечивает согласованность деятельности различных органов (систем органов), направленной на получение полезного для организма адаптивного результата (например, функциональные системы в соответствии с концепцией П.К. Анохина). К структурам, участвующим в процессах управления (средствам управления) относятся: во-первых, структуры, находящиеся непосредственно в управляемых органах и системах органов (например, периферические рефлекторные дуги); во-вторых, клетки-продуценты биологически активных веществ и гормонов, включая клетки желез внутренней секреции; в-третьих, структуры центральной нервной системы.

Управление в живых системах реализуется за счет трех основных механизмов – местных, гуморальных и нервных (рис. 6). Местные механизмы управления реализуются с участием либо местных рефлекторных дуг (например, мейсснерово и ауэрбахово сплетения в пищеварительном тракте), либо гуморальных факторов (метаболитов), которые образуются непосредственно в самом управляемом органе (так, при работе в скелетных мышцах накапливаются продукты обмена, вызывающие их расслабление с возрастанием кровотока и обеспечения энергией). В гуморальных механизмах управления участвуют гормоны и другие биологически активные вещества, продуцируемые вдали от управляемого органа (системы органов). Нервные механизмы управления являются наиболее совершенными, в них участвует специально предназначенная для этого структура – центральная нервная система.

Управление в живых системах базируется на трех основных сформулированных кибернетикой принципах – по рассогласованию, по возмущению и по прогнозированию (рис. 6). Принцип управления по рассогласованию (по ошибке) заключается в том, что результат деятельности объекта управления постоянно сравнивается с эталоном. Этот принцип реализуется в системах стабилизации и если имеется существенно (сверхпороговое) расхождение между эталоном и результатом, то управляющее устройство вырабатывает систему команд (управляющее воздействие), обеспечивающую коррекцию деятельности объекта управления. На основе такого принципа функционируют многие безусловные вегетативные рефлексы, участвующие в поддержании гомеостаза (например, артериального давления). Принцип управления по возмущению состоит в том, что управление в живых системах осуществляется на основе информации о величине (силе) возмущения, которое воздействует на объект управления, оцениваемой измерительным устройством. В соответствии с этой информацией управляющее устройство вырабатывает систему команд (управляющее воздействие) изменяющую деятельность объекта управления таким образом, что регулируемый параметр, несмотря на действие возмущения, остается на постоянном уровне. В организме имеется множество безусловных рефлексов, которые функционируют по данному принципу. Например, при низкой температуре воздуха информация о ней с помощью терморецепторов кожи направляется в гипоталамус, где вырабатывается комплекс команд, повышающих теплопродукцию до того, как произойдет снижение температуры тела. Иными словами, заблаговременные изменения в деятельности печени и скелетной мускулатуры будут способствовать сохранению постоянства температуры тела. Принцип управления по прогнозированию реализуется таким образом, что управление в живой системе осуществляется на основе сигнальной информации о том, что в ближайшее время на объект управления будет воздействовать возмущение, которое может привести к отклонению регулируемого параметра от эталона. В подобных системах имеется канал связи, содержащий измерительное устройство для идентификации сигнала, который несет информацию о возможном в ближайшее время воздействии возмущения. Эта информация попадает в управляющее устройство, которое с целью сохранения регулируемого параметра на эталонном уровне заблаговременно изменяет деятельность объекта управления. По данному принципу функционируют условные рефлексы. Такая досрочная регуляция деятельности существенно снижает траты энергии на поддержание параметров гомеостаза по сравнению с безусловными рефлексами, работающими на основе принципов управления по рассогласованию или по возмущению. В организме большинство систем, участвующих в регуляции деятельности внутренних органов и скелетных мышц, последовательно или параллельно используют все три принципа управления [1, 6, 21, 26].

2.3. Саморегуляция организма и функциональные системы

Базисом адаптивных реакций в живом организме являются процессы саморегуляции, которые осуществляются в соответствии с принципами отрицательной и положительной обратной связи. Сутью обратной связи является либо обратное влияние итогов определенного процесса на динамику его протекания, либо воздействие на управляющий орган самого управляемого им процесса. Обратные связи представляют собой связи на выходах живых систем. Они детектируют уже сформировавшиеся в состояниях живых систем флюктуации и базирующиеся на них механизмы регуляции широко представлены и функционируют по принципу «рассогласования». Иными словами, их деятельность инициируется тогда, когда в состоянии живой системы уже произошли отклонения от определенной заданной величины, т.е. возникло рассогласование между эталоном и фактическим результатом.

Принцип отрицательной обратной связи заключается в том, что механизмы регуляции инициируются сдвигами в состоянии или функционировании организма, что приводит к развитию процессов, устраняющих указанные сдвиги.

Реализация принципа положительной обратной связи соответствует ситуации, когда процесс, возникнув, усиливается и поддерживает сам себя. Иными словами, изменения выходных сигналов живой системы обусловливают такие изменения входных сигналов, которые способствуют дальнейшим отклонениям выходных сигналов от исходных значений.

Общие принципы функционирования механизмов саморегуляции изучал создатель концепции функциональных систем академик П.К. Анохин, ученик академика И.П. Павлова и создатель такого научного направления, как физиологическая кибернетика. Основой теории функциональных систем являются представления о функциях как о достижениях живым организмом приспособительных (адаптивных) результатов во взаимодействиях с окружающей средой. Под функциональными системами П.К. Анохин понимает «самоорганизующиеся и саморегулирующиеся динамические центрально-периферические организации, объединенные нервными и гуморальными регуляциями, все составные компоненты которых взаимоСОдействуют обеспечению различных полезных для самих функциональных систем и для организма в целом адаптивных результатов, удовлетворяющих его различные потребности». При этом в каждой функциональной системе с использованием обратной афферентации постоянно происходит оценка характеристик достигнутых результатов. Принципиально важной особенностью функциональных систем является то, что они каждый раз формируются заново в зависимости от комплекса влияющих факторов, живой организм при этом собирает временный «творческий коллектив», который обладает способностью максимально быстро, экономно и рационально удовлетворить возникшие потребности, т.е. достичь полезного приспособительного результата.

Любая функциональная система, вне зависимости от уровня её организации (метаболический, гомеостатический, поведенческий, социальный или другой) имеет универсальную структуру – операционную архитектонику функциональной системы (принцип изоморфизма), включающую пять составных частей: во-первых, полезный приспособительный результат выполняющий роль системообразующего фактора, ведущего звена функциональной системы, неотъемлемый и решающий её компонент, инструмент обусловливающий упорядоченное взаимодействие между всеми другими её компонентами; во-вторых, рецептор результата (соответствует измерительному устройству в кибернетике); в-третьих, обратная афферентация (соответствует каналу обратной связи в кибернетике); в-четвертых, исполнительные компоненты (соответствует объекту управления в кибернетике); и, в-пятых, центральная архитектура (нервные центры в живом организме, соответствует управляющему устройству в кибернетике). Центральная архитектура функциональной системы включает в себя пять последовательно функционирующих блоков (рис. 7).

Рис. 7. Принципиальная схема центральной архитектуры функциональной системы

Первый блок – блок афферентного синтеза на основе индивидуального жизненного опыта (механизмы памяти), актуальных потребностей и порождаемых ими мотиваций, обстановочной и пусковой афферентации отбирает информацию, наиболее важную для организма в данный момент времени.

Во втором блоке – блоке принятия решения на основе актуальной информации, отфильтрованной на предыдущем этапе, принимается решение о реализации определенного действия в целях получения полезного приспособительного (адаптивного) результата (стратегия). Копия данного решения направляется в третий и четвертый блоки – эфферентного синтеза и акцептора результата действия.

Третий блок – блок эфферентного синтеза содержит комплекс стандартных моторных программ, апробированных на основе видового и индивидуального опыта, для достижения полезного приспособительного результата. Приоритетной задачей данного блока является выбор наиболее эффективного алгоритма действий для достижения поставленной цели.

Четвертый блок – блок акцептора результата действия является хранилищем копии решения, сформированного вторым блоком. Здесь же производится сопоставление данных о фактическом результате действий с данными об ожидаемом полезном результате.

То есть, наряду с вторым блоком, источником информации для четвертого блока является пятый блок – блок оценки результата действия. Пятый блок за счёт деятельности сенсорных систем собирает сведения о фактическом результате деятельности и через канал обратной связи направляет её в блоки акцептора результата действия и афферентного синтеза. В концепции функциональных систем П.К. Анохина данная информация называется обратной афферентацией (ОА). В том случае если детектируется достаточный уровень соответствия между ожидаемым и фактически достигнутым результатами, то деятельность функциональной системы прекращается и она ликвидируется.

Иными словами, процессы, поддерживающие гомеостаз, могут быть ориентированы, во-первых, на стабилизацию определенных уровней стационарного состояния; во-вторых, на координацию сложных комплексных процессов, элиминирующих или уменьшающих воздействие вредных и опасных факторов; и, в-третьих, на формирование или сохранение оптимальных для изменившихся условий существования форм взаимодействия живого организма и окружающей среды. Основой адаптационных механизмов являются процессы саморегуляции, обеспечивающие гомеостаз и резистентность (устойчивость) живой системы [22, 23].