Контрольная работа - Биологическое биоуправление

Подождите немного. Документ загружается.

ускользают от одночастотных резонансов и за счет варьирования периодов

биоритмов. Благодаря этим свойствам биосистемы обладают высокой

помехоустойчивостью и не разрушаются при близких внешних частотах

воздействия как мост под ногами марширующих солдат.

Все регуляторные и управляющие связи в биосистемах являются

многочастотными. Соответственно и резонансы в биосистемах могут быть только

многочастотными с инвариантным соотношением частот в каждый момент

времени при варьировании абсолютных значений этих частот. В соответствии с

иерархической организацией биосистем и иерархией их дискретной временной

организации биологически значимыми и адекватными являются для биосистем

лишь многочастотные сигналы дискретного спектра. Они закрепляются в

эволюции, так как не нарушают устойчивости биосистем при информационных

связях между собой и с внешней средой. Именно к многочастотным сигналам,

соответствующим иерархии периодов биоритмов, эволюционно вырабатывается

максимальная чувствительность. Наиболее важным отличием биологических

многочастотных резонансов является то, что, определяющим для них являются не

абсолютные значения составляющих частот, а их инвариантное соотношение

подобно одному и тому же аккорду в разных октавах. Явление многочастотного

параллельного резонансного захвата является специфическим свойством живых

систем как иерархических и целостных.

Биосистемы чрезвычайно чувствительны к многочастотным биологическим

кодам. Многочастотный резонанс с инвариантным соотношением частот и

многочастотное кодирование биологически значимой информации объясняет

механизм целостного восприятия (распознавания) образов, высокую

избирательность и надежность информационных взаимосвязей между

биосистемами одного и разных уровней. Благодаря многочастотным кодам

возникает сигнатурное управление сигналами намного меньшей длительности,

чем период собственной реакции биосистемы. Например, время ответа организма

на световой раздражитель сравнимо с длительностью переходного процесса

мембраны клетки. В ответ на короткие и слабые сигналы, пораженного

вредителями дерева другие деревья запускают длительные биосинтетические

реакции защитного характера.

Хронофизиотерапия.

Для восстановления нормального гомеостаза за счет внешних воздействий

необходимо, чтобы были восстановлены не только уровни гомеостатируемых

параметров, но и темпы их регуляции. Это возможно только при биоуправлении

путем восстановления гармонии всех биоритмов организма и согласования

ритмов центрального и регионального кровотока в месте патологии. Для

устойчивой нормализации обмена веществ и лечебного эффекта требуются

воздействия в ритмах энергетического обеспечения начиная с ритма тремора и

элонгации (около 10 Гц) и кончая самыми медленными сезонными ритмами, весь

диапазон которых представлен в сложном спектре биоритмов пульса и дыхания

человека. Использование ритмов 7—13 Гц, ритмов пульса и дыхания усиливает

(восстанавливает гармонию ритмов) и околочасовые и вероятно, околосуточные

ритмы. Прямым подтверждением этого предположения является достоверное

увеличение дисперсии изменений соотношения частоты пульса и частоты

дыхания после сеанса биоуправляемой хронофизиотерапии в течении 2 часов при

измерениях с интервалом 5 мин. Состояния клеток, тканей, органов и их

чувствительность постоянно изменяются, поэтому биоуправление целесообразно

лишь в оперативном автоматическом режиме. Биоритмологическое

биоуправление по сигналам датчиков пульса и дыхания больного обеспечивает

автоматическую синхронизацию усиления воздействия с фазами усиления

кровенаполнения ткани транспорта кислорода и энергетических метаболитов в

клетку. Только в этом случае нет нарушения осмотических градиентов клеток,

связанных с колебаниями кровотока и лимфотока. Переход части геля в золь не

только компенсирует повышение концентрации кальция при его высвобождении

из внутриклеточных депо, но и снижает его концентрацию в цитозоле клетки, что,

стимулирует энергетический и пластический обмен веществ как необходимое

условие лечебного эффекта.

При лечении костных переломов, трофических язв и других болезней, когда сеанс

электростимуляции составлял до 30 мин, использовались серии по 5 мин с 1—2-

минутным перерывом, что, несмотря на меньшее суммарное время воздействия,

ускоряло нормализацию регионарного кровотока. Сеансы хронофизиотерапии

целесообразно также проводить с учетом околосуточного ритма энергетического

обмена и изменений coотношения симпатического и парасимпатического тонуса.

Для снятия воспаления — в первую половину дня, на стадиях лечения и

патологий, требующих стимуляции репаративной регенерации и тканевой

пролиферации — во второй половине дня. При лечении болезней с сезонными

обострениями, например язвы желудка, целесообразны профилактические сеансы

ранней весной и ранней осенью.

Развитие методов биоуправляемой хронофизиотерапии наиболее перспективно в

компьютерном варианте интерактивного режима хронодиагностики и

автоматической индивидуальной оптимизации режима физиотерапии,

разработаны и апробированы аппараты для биоуправляемой электротерапии и

электрофореза, магнитотерапии, КВЧ-терапии, ультразвуковой и лазерной

терапии. Режим биоуправления показал преимущества и в лазерной хирургии, он

целесообразен и в фотодинамической терапии опухолей, так как за счет учета фаз

колебаний теплоемкости и теплопроводности тканей увеличивает

избирательность и локальность воздействия.

Необходимость учета фаз околосуточного ритма в физиотерапии убедительно

доказана в работах И.Е. Оранского. В изучении роли более быстрых ритмов для

оптимизации режимов физиотерапии еще предстоит сделать очень много. Однако

в работах ведущих физиотерапевтов нашей страны и за рубежом все большее

внимание в последние годы уделяется учету индивидуальных особенностей

пациентов, исходному состоянию органов и тканей и физиологической

адекватности воздействий, учитывающим фактор времени. Хронобиологический

подход должен занять достойное место в физиотерапии, как и в других областях

медицины, биотехнологии, сельского хозяйства и экологии.

2. Нервный и эндокринный контроль циркадианных ритмов у позвоночных

Восприятие захватывающих сигналов.

Главным внешним времязадателем служит свет. К тому же это единственный

фактор, физиология рецепции которого достаточно изучена. Пути, по которым

информация о световых циклах среды достигает циркадианных осцилляторов и

захватывает их, у позвоночных многочисленны, сложны и отличны от путей, по

которым передается зрительная информация. Это относится и к циркадианным

фоторецепторам беспозвоночных.

В головном мозгу позвоночных имеются фоторецепторы, которые прямо

опосредуют поведенческие, физиологические и биохимические реакции на свет.

На некоторых видах амфибий, рептилий и птиц было показано, что

фоторецепторы мозга функционально сопряжены с каким-то механизмом,

порождающим циркадианную ритмичность. У взрослых млекопитающих

фоторецепцию в мозгу ни разу не удалось убедительно продемонстрировать,

несмотря на многократные попытки. Кажется вероятным, что фоторецепторный

вход к циркадианным, а также другим «незрительным» процессам у

млекопитающих существенно иной, чем у других позвоночных. Интересно, что

новорожденные крысята сохраняют мозговую фоторецепцию в течение первых 2-

3 недель жизни.

Среди птиц мозговой фоторецепторный вход к циркадианной системе лучше

всего изучен у домового воробья. У этого вида одних фоторецепторов мозга

достаточно для захватывания ритмов подвижности очень слабыми световыми

циклами и для того, чтобы освещенность могла влиять на период

свободнотекущего ритма подвижности при постоянном свете. Эти рецепторы

участвуют также в стимуляции интенсивной аритмичной активности при

постоянном сильном освещении, хотя их одних для этого недостаточно.

Фоторецепторы сетчатки тоже участвуют в контроле этих трех циркадианных

параметров. Хотя эпифиз некоторых птиц явно чувствителен к свету, тем не

менее, ослепленные воробьи с удаленным эпифизом все еще поддаются

захватыванию световыми циклами. Фотопериодическое измерение времени -

циркадианный процесс, влияющий на ось гипоталамус - гонады происходит у

интактных воробьев без участия сетчатки. Для фотопериодической реакции

требуется значительно большая интенсивность света, чем для захватывания. Этот

факт, а также измерения проникающей способности света и данные о локализации

фоторецепторов у белоголовых воробьиных овсянок позволяют предполагать, что

фоторецепторы, обеспечивающие фотопериодическую реакцию, находятся в

гипоталамусе и отличаются от тех, которые участвуют в контроле ритмов

подвижности. Таким образом, у воробьиных имеются фоторецепторные входы к

циркадианной системе от глаз, эпифиза, гипоталамических структур и других,

пока еще не выявленных участков мозга. Столь высокая сложность на уровне

рецепторов неожиданна и остается загадкой, однако она обнаружена и у других

птиц, а также у ящериц.

Фоторецепторы мозга могут влиять на захватывание циркадианных ритмов

подвижности у различных ящериц. Удаление эпифиза и теменного глаза - этих

хорошо изученных фоторецепторов - не мешает захватыванию ритмов у

ослепленных животных. Хотя ослепленные ящерицы всех изученных видов

поддавались захватыванию световыми циклами, свободнотекущий период ритма

подвижности у ослепленных (но не у зрячих) оказался нечувствительным к

изменениям уровня постоянного освещения. Ослепленные ящерицы при

постоянном освещении вели себя так, как будто интенсивность света возросла:

либо их свободнотекущий период сокращался, либо они становились

аритмичными. Множественность фоторецепторных входов циркадианной

системы характерна для некоторых птиц и пресмыкающихся, и нет оснований

сомневаться в том, что это - общее правило для обоих классов позвоночных. Хотя

прямые свидетельства о, такого рода, входах циркадианной системы у рыб и

земноводных довольно малочисленны, все же широкая распространенность у них

внеглазных фоторецепторов указывает на то, что эти рецепторы могут иметь

такое же отношение к циркадианной системе, как у птиц и пресмыкающихся.

У млекопитающих в отличие от «низших» позвоночных единственный путь

воздействия света на циркадианную систему проходит через сетчатку. С другой

стороны ретинальные пути, передающие информацию к циркадианной системе, в

основном отличны от зрительных. Крысы и хомячки с повреждениями главных

зрительных трактов и верхних добавочных зрительных трактов поддаются

захватыванию световыми циклами. Повреждение нижних добавочных зрительных

трактов тоже не влияет на захватывание, хотя эти эксперименты не безупречны. У

грызунов захватывание сильно нарушается или даже становится невозможным

после перерезки ретиногипоталамического тракта - прямого пути от сетчатки к

супрахиазменным ядрам гипоталамуса. Несмотря на ограниченность данных, в

настоящее время можно заключить, что у млекопитающих есть много путей

воздействия света на циркадианную систему; в основном они проходят через

ретиногипоталамический тракт, не участвующий в зрительной функции, но

имеются также дополнительные пути через главные и добавочные зрительные

тракты.

Для того чтобы объяснить свойства циркадианных систем позвоночных, следует

предположить, что световые циклы окружающей среды и другие сигналы

захватывают какие-то биологические элементы, которые сами могут

поддерживать автономные колебания с циркадианными периодами. Такие

элементы в принципе могли бы существовать на любом уровне организации. Если

можно показать, что некоторая структура или, допустим даже, цепь химических

реакций обнаруживает колебания с циркадианным периодом, не получая каких-

либо ритмических сигналов из внешней среды или от других частей организма, то

она играет роль колебателя в общей циркадианной системе. Далее такие

структуры или реакции относительно редки в многоклеточных организмах;

скорее всего, они находятся у вершины циркадианной иерархии. Эти

предположения недостаточно обоснованы, и любое из них либо оба вполне могут

оказаться неверными. Однако такое жесткое определение «первичного

колебателя» создает основу для обсуждения имеющихся данных и в особенности

подчеркивает трудность признания роли в циркадианной организации тех

структур, которые не способны поддерживать автономные колебания.

Если строго придерживаться этого определения, то у многоклеточных животных

единственной структурой, имеющей свойства первичного колебателя, окажется

глаз моллюска Арlysiа. В этой структуре продолжаются выраженные колебания

при постоянных условиях in vitrо, так что она вполне удовлетворяет определению.

Правда, пока не ясно, для каких других структур или процессов она служит

колебателем и какова ее роль в общей циркадианной организации животного. У

позвоночных есть два сильных претендента на роль колебателя: эпифиз у птиц и

супрахиазменные ядра в передней части гипоталамуса млекопитающих. Но ни в

одной из них не было еще достоверно установлено наличие автономных

колебаний.

Эпифиз птиц.

Большое число косвенных данных подтверждает гипотезу, что эпифиз у

домового воробья является первичным колебателем циркадианной системы.

Удаление эпифиза приводит к исчезновению ритма подвижности у Рasser

domesticus при постоянных условиях, однако деиннервация эпифиза in situ не

влияет на ритм. У птиц с удаленным эпифизом ритмичность может быть

восстановлена путем пересадки этого органа от донора в переднюю камеру глаза,

после чего новый ритм сохраняет фазу ритма донора. У воробьев наблюдается

циркадианный ритм концентрации мелатонина в плазме, частично обусловленный

его синтезом в эпифизе. Введение малых доз мелатонина изменяет

свободнотекущий период ритма подвижности в постоянной темноте. Эти факты

проще всего объяснить тем, что эпифиз представляет собой автономный

осциллятор, ритмично выделяющий мелатонин, и ритм концентрации последнего

в крови (или, может быть, в цереброспинальной жидкости) синхронизирует

«нижележащую» часть циркадианной системы. Мы знаем, что в циркадианной

системе воробья есть помимо эпифиза и другие компоненты, поскольку птицы с

удаленным эпифизом хотя и не обнаруживают свободнотекущих ритмов, все же

поддаются захватыванию световыми циклами. Но действительно ли эти

компоненты являются «нижележащими» по отношению к эпифизу, не ясно.

Повреждение супрахиазменных ядер у воробьев тоже приводит к исчезновению

свободнотекущих ритмов. Если бы не данные, указывающие на центральную роль

этих ядер в циркадианной системе млекопитающих, последствия их повреждения

у воробьев можно было бы объяснить просто как результат выключения

нижележащего звена органа-мишени для эпифизарного мелатонина.

Способность изолированного эпифиза воробья к автономным колебаниям до сих

пор прямо не продемонстрирована. Не было даже серьезных попыток сделать это,

так как по практическим соображениям биохимические исследования и

эксперименты in vitrо проводились главным образом на курином эпифизе. К

сожалению, в этом случае возможны существенные межвидовые различия, так

как у кур и родственных им японских перепелов после эпифизэктомии

сохраняется ритм подвижности. Хотя еще не ясно, играет ли эпифиз у кур какую-

либо роль в циркадианной организации, в нем обнаружен высокоамплитудный

циркадианный ритм активности фермента ацетилсеротонин-метилтрансферазы

(АСМТ), участвующего в синтезе мелатонина. Этот ритм сохраняется и в

культуре куриного эпифиза в условиях световых циклов и, по меньшей мере, на

протяжении двух циклов в постоянной темноте; недавно было показано, что при

световых циклах он продолжается до 17 суток. Секрецию мелатонина отдельными

эпифизами измеряли в проточной системе для культуры тканей; при световых

циклах она была явно ритмичной не менее 5 суток. В постоянной темноте ритм

сохранялся, но быстро затухал. Очевидно, что куриный эпифиз способен

поддерживать ритмичность in vitrо, по крайней мере, при световых циклах, но

нельзя утверждать, что он является автономным циркадианным осциллятором,

поскольку его ритмичность в постоянных условиях может быстро затухать.

По-видимому, у птиц (и также у низших позвоночных) циркадианная организация

вращается вокруг эпифиза. Наблюдавшиеся межвидовые различия в результатах

его удаления могли быть следствием неучтенных различий в методике

экспериментов или же подлинными различиями в относительной роли эпифиза,

супрахиазменных ядер и сетчатки. Следует отметить, что и сетчатка, и эпифиз

являются световоспринимающими органами, и что гипоталамус у птиц тоже

может содержать фоторецепторы.

Супрахиазменные ядра млекопитающих.

Как показывают многочисленные данные, повреждение супрахиазменных ядер

гипоталамуса у млекопитающих приводит к утрате нормальных циркадианных

ритмов: это было продемонстрировано на различных видах, на ритмах

разнообразных функций. Хотя животные после такой операции не становятся

полностью аритмичными - они часто сохраняют ритмы с более короткими, не

циркадианными периодами, а некоторые по-прежнему реагируют на световые

циклы, тем не менее, после полного или почти полного разрушения

супрахиазменных ядер свободнотекущие циркадианные ритмы в основном

утрачиваются.

Рузак и Цукер отметили, что интерпретация результатов повреждений всегда

затруднительна, особенно в таких случаях, как здесь, когда повреждаемая

структура составляет часть сложной и плохо изученной системы. Однако трудно

не согласиться с тем, что супрахиазменные ядра млекопитающих играют

ведущую роль в циркадианной организации. Этот вывод подтверждают три

группы данных: 1) существует особый пучок нервных волокон

ретиногипоталамический тракт, соединяющий супрахиазменные ядра

непосредственно с сетчаткой; 2) после повреждения этих ядер в той или иной

мере нарушаются все до сих пор изученные циркадианные ритмы, что исключает

возможность узкоспецифи-ческого, ограниченного влияния такой операции на

наблюдаемые ритмы в каких-то отдельных подсистемах, как, например, бег в

колесе; 3) показано, что у интактной крысы циркадианные ритмы суммарной

электрической активности регистрируются не только в супрахиазменных ядрах,

но и в некоторых других участках мозга, а после хирургической изоляции

гипоталамического островка - только в этих ядрах. Из трех групп данных только

последняя показывает, какую специфическую роль может играть

супрахиазменное ядро. Ритмичность в изолированном островке нервной ткани

означает, что ритм порождается внутри этого островка. Убедительность такого

объяснения зависит только от степени надежности изоляции. Если не осталось

нервных связей и исключены гормональные воздействия, то можно с

уверенностью утверждать, что в островке находится первичный колебатель.

Утрата ритмичности в других областях мозга после изоляции островка указывает

на то, что колебатель, находящийся в супрахиазменном ядре может порождать

колебания или захватывать осцилляторы и в других участках и таким образом

определять физиологические и поведенческие ритмы. Поэтому чрезвычайно

важно было бы повторить и расширить подобные эксперименты, а также

разработать новые аналитические подходы, которые дополняли бы их.

Затухающие осцилляторы и ведомые ритмы.

Один из центральных нерешенных вопросов относительно циркадианной

организации позвоночных (а также других многоклеточных организмов)

заключается в следующем: состоит ли вся циркадианная система из большого

числа первичных колебателей, каждый из которых контролирует определенную

функцию или группу взаимосвязанных функций, или же, напротив, она состоит из

большого числа затухающих осцилляторов и (или) непосредственно ведомых

ритмов, которые поддерживаются, захватываются или навязываются небольшим

числом центральных первичных колебателей? В такой постановке вопрос,

конечно, создает ложное впечатление дихотомии: на самом деле возможно

множество промежуточных вариантов. Однако важно осознать этот вопрос и

понять, что мы фактически не имеем данных, чтобы на него ответить. Пока

обнаружены только два претендента на роль первичного колебателя, но поиск

только начинается. Будет очень трудно показать, что данные конкретные

осцилляторы не являются автономными in vitrо. Мы не вправе предполагать, что

все, большинство или хотя бы многие клетки многоклеточного организма

содержат в себе или проявляют механизм, способный порождать циркадианные

ритмы, лишь на том основании, что такой механизм может находиться внутри

эукариотической клетки. Огромное преимущество для контроля фазы, которое

дают взаимодействия осцилляторов, служит сильным доводом в пользу

многоосцилляторной системы; на это же указывают приведенные здесь

физиологические данные. С другой стороны, ни одно из этих соображений не