Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
PAGE 10
Вариант-2012
Лекция 5
Основы экологической физиологии человека
Одной из важнейших задач экологии человека является выявление физиологических механизмов, лежащих в основе приспособления (адаптации) механизмов к факторам внешней среды или к изменению своего физиологического состояния.
Адаптация – общее свойство живых систем изменять свои функциональные и структурные элементы в соответствии с условиями окружающей среды.
Физиологическая адаптация – совокупность физиологических особенностей организма, обуславливающая его уравновешивание с постоянными или изменяющимися условиями среды. В зависимости от длительности и повторяемости этих изменений адаптации могут носить циклический характер или быть более-менее стойкими.
Ряд ученых считает, что термин «адаптация» в экологии характеризует только феноменологию явления, и не предполагает какого-либо объяснения механизмов, лежащих в их основе.
Например, эколог, изучая адаптации зайца-беляка к сезонным изменениям погодных условий, установил, что на зиму он меняет окраску шкуры с серой на белую. Однако «классического» эколога обычно не особенно интересуют физиологические механизмы, обуславливающие изменения окраски шкуры зайца. Тем не менее, большинство специалистов полагает, что эти механизмы являются предметом особого раздела науки – физиологии адаптаций, находящейся на стыке экологии и физиологии.
Одной из основных особенностей адаптации как процесса, позволяющего организму продолжить свое существование в изменяющейся среде, является поддержание гомеостаза.
Гомеостаз определяется как способность биологических систем противостоять внешним и внутренним изменениям и сохранять динамическое относительное постоянство своего состава и свойств.
Предложен целый ряд классификаций физиологических адаптаций у животных, которые с известными оговорками можно применить и для человека. Однако необходимо помнить, что человек, в отличие от всех других живых организмов, адаптируется к среде не только посредством генетических механизмов, физиологических и поведенческих реакций, но и с помощью социальных механизмов – одежды, жилища, использование дополнительных источников энергии, норм поведения и т.п.
Предложено несколько классификаций адаптаций.
Канадский физиолог Харт в 1955 г. выделяет следующие их типы:
Германские исследователи Хензель и Хильдебрандт в 1964 г. предложили классификацию на основе длительности воздействия среды на организм. Они выделяют три типа адаптаций:
1. Острые изменения, возникающие в ответ на внешние или внутренние сдвиги, продолжительностью от нескольких секунд до нескольких минут, а иногда и немногих часов.
2. Слабые адаптивные ответы организма на изменения внешней среды; они включают акклимации и акклиматизации. Продолжительность этих сдвигов – от нескольких часов до нескольких месяцев и немногих лет.
3. Адаптация в эволюционном аспекте – формирование адаптированных типов, длящийся от нескольких поколений (минимум двух) до миллионов лет. Их формирование происходит под действием механизмов эволюции – микроэволюции и макроэволюции.
Однако эти классификации не дают анализа происхождения адаптаций в онто- и филогенезе, а главное – не отделяют их врожденные элементы от приобретенных в течение индивидуальной жизни. Для их российский физиолог А.Д. Слоним предложил разделить адаптации на три группы:
1. Индивидуальные адаптации, возникающие на протяжении постнатального (послеутробного) развития. Сюда относятся формирование условных рефлексов и более сложных стереотипов, возникающих при воздействии среды на взрослый организм. Эти явления могут носить несколько иной характер при воздействии в определенные, главным образом, ранние этапы постэмбрионального развития.
К группе индивидуальных адаптаций нужно также отнести изменение гормональных отношений (типа стресса) и тканевых процессов. Все эти изменения (особенно при относительно коротких воздействиях) практически обратимы и легко обнаруживаются в эксперименте.
2.Видовые, наследственно закрепленные адаптации. Они обусловлены наследственно закрепленными особенностями нервной системы и гормональными тканевыми регуляциями и в значительной мере всей динамикой морфологических изменений, возникших в процессе онтогенеза особи данного вида.
Видовые адаптации включают все врожденные акты поведения. Они обеспечивают поведение, обеспечивающие продолжение рода, - контакт с кормящей самкой в начальный период развития, расселение молодняка и др. Эти формы поведения весьма специализированы и могут существенно различаться даже у близкородственных видов. Адаптивное значение таких физиологических реакций не вызывает сомнений.
3. Популяционные адаптации, возникающие в процессе формирования популяции в данных конкретных условиях ее существования. Популяционные адаптации по своей генетической структуре очень сложны. Они отражают наследственные формы адаптации и накладывающие на них влияния среды на всех этапах онтогенеза (как пренатального, так и постнатального). Кроме того, они включают и все генетические отношения, связанные с естественным и искусственным отбором. Сюда включается иерархическая структура популяций (лидеры, аутсайдеры), компенсационный рост и т.п.
Стресс как форма адаптации
Неуверенность, беспокойство, нервное напряжение, недостаточный контроль над своими эмоциями и другие сильные внешние и внутренние воздействия могут приводить у животных и человека к состоянию напряжения, которое принято определять как стресс. Этот термин (от английского stress – напряжение) предложил канадский физиолог Ганс Селье в 1936 г. В его понимании:
Стресс – общая неспецифичная нейрогормональная реакция организма на любое предъявленное ему требование. При любом воздействии экстремальных факторов, как физических (жара, холод, травма и т.п.), так и психических (опасность, конфликт, радость и т.п.) в организме наступают однотипные биохимические изменения, направленные на преодоление этих факторов путем адаптации организма к предъявляемым требованиям.
Факторы, вызывающие состояние стресса, Селье назвал стрессорами, а совокупность изменений, происходящих в организме под действием стрессоров, - адаптационным синдромом. Последний часто трактуется как клиническое проявление стресса.
У человека и высших животных выделяются три фазы адаптационного синдрома: тревога, сопротивление, истощение.
Для фазы тревоги – первичного ответа организма на действие стрессоров – характерны усиление деятельности коры надпочечников, усиленная секреция адреналина, повышение концентрации сахара в крови, а также сворачивание тимуса. В желудочно-кишечном тракте появляются небольшие язвочки.
Активация системы «гипоталамус – гипофиз – кора надпочечников» вызывает гормональные сдвиги и обеспечивает мобилизацию защитных сил организма в ответ на действие стрессоров.
Происходящие в этой фазе изменения функционально неоднозначны и не всегда полезны для организма. Например, повышение кровяного давления (необходимый компонент физиологической мобилизации) в некоторых случаях может привести к инфаркту.
В фазе сопротивления усиливается секреция кортикостероидов, язвочки исчезают; организм обнаруживает повышенную устойчивость (адаптируется) к действию стрессора.
При длительном и интенсивном действии стрессора фаза сопротивления сменяется фазой истощения. Она сопровождается резким снижением сопротивляемости организма, ухудшением его физиологического состояния, возникновением различных заболеваний. Вновь появляются язвы в желудочно-кишечном тракте. При продолжающемся воздействии стрессоров может наступить гибель организма.
Человек способен оценить ситуацию и решить вопрос о ее потенциальной опасности. В зависимости от оценки опасности он выбирается вид защитного поведения, при этом важное значение имеет его личный и коллективный опыт. Гормоны позволяют организму человека реагировать на изменения, вызванные стресс-фактором. Для того, чтобы гомеостатические механизмы функционировали нормально, гормоны должны поступать в кровь только тогда, когда в них возникает необходимость. Секреция таких гормонов регулируется по принципу отрицательной обратной связи. Гормоны стимулируют приспособление организма к новым условиям.
Во многих случаях стрессовые реакции являются целесообразными. Они повышают готовность человека к встрече с опасностью, с физическими и психическими перегрузками. До тех пор, пока человек способен справиться с ситуацией, проблем не возникает. Но когда выбранная стратегия поведения не отвечает требованиям сложившейся обстановки, проявляется нежелательная стресс-реакция.
Опыт повседневной жизни показывает относительное значение тех или иных жизненных ситуаций как факторов, определяющих форму и интенсивность эмоционального реагирования каждого человека. Напр., одна и та же информация может вызвать эмоциональный стресс, если окажется неожиданной, и адекватную эмоциональную реакцию, если человек ожидает данное сообщение. Эмоциональные свойства личности, формирующиеся воспитанием, обучением и трудовой деятельностью, определяют эмоциональный ответ на стрессовую ситуацию. В процессе эволюции человека эмоциональные возбуждения всегда предшествовали двигательной активности – борьбе или бегству. Двигательная активность приводила в норму все те изменения в организме, которые возникли в процессе стрессовой ситуации.
Для многих людей стресс является неотъемлемой частью их повседневной жизни, что может привести к различным серьезным нарушениям здоровья, включая депрессию, суицид, тягу к насилию по отношению к окружающим, галлюцинации и общий дискомфорт.
Психосоциальными опасностями являются те, которые создают социальную атмосферу неопределенности, страха и отсутствие контроля. Неопределенность в последствиях для здоровья от воздействия радиации после аварии на ЧАЭС – еще один тип психосоциальной опасности. В социальной жизни человека смерть близкого друга или члена семьи, развод или другие семейные трагедии могут также рассматриваться как психосоциальные риски.
Сфера профессиональной деятельности – еще одна среда, в которой ущерб здоровью может быть нанесен посредством психической нагрузки. Различают следующие категории потенциальных источников стресса, связанных с работой:
1) факторы, присущие работе, в т.ч. степень опасности травматизма и получения профессиональных заболеваний;
2) роль работника в организации;
3) продвижение по служебной лестнице;
4) межличностные отношения во время работы;
5) организационная структура и моральный климат в коллективе.
Урбанизация имеет собственные характеристики психосоциальных опасностей. Недостатки в планировании застроек, перенаселенность жилых массивов, недостаток рекреационных территорий, социальная изоляция – вот некоторые примеры. И, наконец, потенциально опасные экологические факторы любого вида (химические выбросы, природные бедствия) могут вызвать психологический стресс.
Человек не всегда в состоянии отреагировать на стрессовую ситуацию простым уходом от угрожающей ситуации, подобно подвижным животным.
Изменения, происходящие в организме при стрессах, накапливаются, и при длительном действии стресс-факторов может возникнуть заболевание. Мобилизация сил, полезная в здоровом организме, в больном может оказаться опасной. Так, усиление работы сердца и повышение кровяного давления, способствующие активной деятельности, могут привести к разрыву сосудистой стенки и кровоизлиянию.
Если человек постоянно подвергается воздействию стресс-факторов и не имеет адекватной стратегии защиты, последствия для здоровья могут выливаться в сердечно-сосудистые заболевания (гипертония, ишемия сердца), бронхиальную астму, ревматизм, артриты. При частом воздействии стрессов функции надпочечников истощаются, что резко ослабляет способность организма адаптироваться к воздействию подобных факторов.
Энергетические потребности человека
Энергетические потребности человека могут быть рассчитаны по скорости его метаболизма. Зависимость скорости метаболизма (M) от массы тела (W) у живых организмов, одноклеточных, пойкилотермных и гомойтермных описывается параболическим уравнением:
M = aWb,
где – а – эмпирический коэффициент, b – показатель, степени, близкий к 0,75.
Обычно в уравнении (1) для млекопитающих скорость метаболизма выражают в величине теплопродукции (Т, ккал сутки-1), а массу тела – в кг.
В численной форме для млекопитающих уравнение (1) имеет вид:
T = 70 W0,75 (1)
Согласно этому уравнению, у человека массой 70 кг суточная теплопродукция равна 1694 ккал. Такая величина, характерная для мужчины, находящегося в состоянии полного покоя (в лежачем положении), носит название основной обмен. Эта энергия затрачивается на обеспечение работы легких и других внутренних органов. У женщин с той же массой тела основной обмен примерно на 12% ниже -- 1504 ккал сутки-1.
Уровень энергетических трат в состоянии относительного покоя (ходьба по квартире, чтение, работа на компьютере и т.д.) называется стандартным обменом. Обычно он не превышает 2200 – 2300 ккал сутки-1.
В условиях умственной работы интенсивность обмена увеличивается, однако это мало связано с усиленной деятельностью мозга, поскольку уровень метаболизма в его тканях в периоды сна и бодрствования изменяется мало. Очевидно, причиной этого является рефлекторное увеличение мышечного тонуса.
Уровень обмена при любой физической нагрузке (работа, физические упражнения) называется активным обменом. Его величина зависит от интенсивности этой нагрузки.
Активный обмен при легкой нагрузке, не вызывающей быстрого утомления, составляет 2800 – 2900 ккал сутки-1, при средней нагрузке – 5100 – 5300 ккал сутки-1.
В условиях тяжелой физической работы, вызывающей быстрое утомление, активный обмен достигает 9000 – 10 000 ккал сутки-1, а при пиковых нагрузках (поднятии штанги, бег с максимальной скоростью и т.п.) – до 12 500 ккал сутки-1.
Потери энергии на метаболизм человек восполняет с пищей. Если принять, что усвояемость пищи у человека составляет 80%, то рацион человека, не занимающегося тяжелым физическим трудом (при стандартном обмене) должен быть не менее 2800 ккал в сутки. У людей, занятых на тяжелых физических работах, рацион должен быть не менее 4000 ккал в сутки. Минимальный рацион человека (физиологический рацион), принятый ООН считается равным 2300 ккал в сутки.
Физиологические основы адаптации человека к температуре
Зависимость скорости метаболизма от температуры у гомойотермных организмов, в т.ч. т человека, очень сложна, поскольку определяется как физическими, так и физиологическими факторами. Диапазон температурной толерантности человека ограничен с нижней стороны температурой холодового оцепенения, а с верхней – температурой смерти от перегрева. В пределах этого диапазона температура тела человека, в т.ч. его внеших покровов, достаточно постоянна. Наивысшая температура внутренних органов, которую может выдержать человек (хотя и очень короткое время) составляет +43оС, а наименьшая – около +25оС.
Величина теплоотдачи с поверхности любого нагретого тела (Н), в т.ч. и тела человека, в окружающую среду изменяется в зависимости от температуры последней согласно правилу Ньютона:
Н = α S•(tS – tE ) (2)
где: tS – температура поверхности тела; tЕ - температура окружающей среды; α – коэффициент теплоотдачи, зависящий от характера теплоизолирующих покровов; S – эффективная площадь поверхности тела человека, с которой происходит теплоотдача.
Значение α у человека при «нормальных» климатических параметрах равно 4.06 Вт•м-2 на 1оС разницы tS – tE . Значения S зависят от положения тела в пространстве и составляют приблизительно 50 – 80% от геометрической внешней поверхности тела человека.
Ряд ученых, начиная с М. Рубнера (1882), считает возможным использовать уравнение (2) для характеристики величин потерь метаболического тепла у гомойотермных животных. В частности, оно вполне подходит для человека, у которого очень слабо развиты волосяной покров и подкожная жировая прослойка, выполняющие теплоизолирующую функцию.
Однако для большинства птиц и млекопитающих, имеющих хорошо развитые внешние покровы (мех, перья и т.п.) или толстый слой подкожного жира, более подходит закон Фурье, описывающий теплоотдачу тел, покрытых теплоизолирующей оболочкой:
Н = α S•(tS – tE )/L (3)
где h – удельная теплопроводность внешних покровов, L – их толщина, S - площадь поверхности тела (Дольник, 2002).
Из (2) и (3) следует, что чем выше разность tS – tE, тем большее количество тепла (при прочих равных условиях) передается от нагретого тела во внешнюю среду. Температура поверхности тела у отдельных видов гомойотермных животных достаточно постоянна. Например, для всей поверхности тела человека она составляет в среднем около 27,7оС зимой и около 31,5оС летом.
Поэтому чем ниже температура среды, чем больше тепла теряет организм, тем выше должен быть уровень его метаболизма для компенсации потерь тепла.
Поскольку температура поверхности тела у человека является достаточно постоянной, с изменением температуры среды его теплопродукция согласно (2) будет изменяться. При низких температурах, совместимых с жизнью, теплопродукция у человека повышена. Ее прирост составляет приблизительно 10% при снижении температуры на 10оС.
Максимальный ее уровень при определенной температуре, несколько превышающей температуру холодового оцепенения, называется вершинным обменом.
При переходе к более высоким температурам теплопродукция постепенно снижается и при какой-то температуре достигает наименьших величин. Эту температуру обычно называют «критической точкой». У человека она находится в узком температурном диапазоне – от 25 до 28оС, практически совпадающим со средней температурой поверхности его тела.
Уровень энергетического обмена человека в состоянии покоя при температуре критической точки соответствует его основному обмену. Соотношение между вершинным и основным обменом у человека может достигать 2 – 3 раз.
При температуре среды выше критической точки тепло из внешней среды поступает в организм. Длительное воздействие высокой температуры, особенно в сочетании с повышенной влажностью, препятствующей потоотделению, приводит к гипертермии, или перегреву тела, когда температура его внутренних органов поднимается до 40 – 41оС.
Состояние гипертермии представляет большую опасность для организма человека. У него наблюдаются головная боль и головокружение, общая слабость, искажение цветового восприятия, сухость во рту, тошнота и рвота. Пульс и дыхание учащены, в крови возрастает содержание азота и мочевой кислоты. При этом наблюдается бледность, синюшность, расширение зрачков.
В первую очередь повышение температуры негативно сказывается на белках головного мозга, вызывая их необратимую денатурацию. Это является причиной бреда у больных, у которого температура достигает 40оС и более
Это делает необходимым отведение излишнего тепла из организма, что достигается посредством усиленного потоотделения, учащения дыхания, увеличения поверхностного кровотока. На эти процессы расходуется дополнительная энергия, что приводит к некоторому повышению уровню метаболизма. При дальнейшем повышении температуры уровень метаболизма резко снижается и вскоре организм погибает от перегревания. Верхняя летальная температура, при которой наблюдается гибель организма, называется температурой смерти от перегрева (Слоним, 1971).
У гомойотермных организмов различают химическую и физическую терморегуляцию.
Химическая терморегуляция – это рефлекторное изменение уровня энергетического обмена организма в ответ на изменение температуры среды с целью поддержания постоянной температуры тела. Она имеет место в интервале от температуры вершинного обмена до критической точки, т.е. в центральном участке зоны температурной толерантности человека.
Различают две основные формы химической терморегуляции:
Сократительный термогенез, или увеличение терморегуляционной активности мышц (холодовая дрожь); при этом происходит распад АТФ с выделением тепла.
Несократительный термогенез, или активация специальных источников теплоты, например, разложения бурой жировой ткани. Она имеется у всех млекопитающих, в том числе и человека. Она сосредоточена вокруг шеи и в межлопаточной области. В клетках бурой жировой ткани жир находится не в виде одной крупной ткани, как в белой жировой ткани, а в виде нескольких мелких капель. Бурый цвет ткани обусловлен значительным количеством в клетках митохондрий. При окислении жирных кислот не происходит синтеза АТФ, а вся энергия выделяется в виде тепла. Поскольку калорийность жиров в 2 – 2,5 раза выше, чем других органических соединений, то и тепла выделяется больше.
Данный процесс осуществляет особый полипептид, находящийся на внутренней стороне мембраны митохондрий – термогенин.
За счет химической терморегуляции уровень теплопродукции у человека может изменяться в 3 – 5 раз.
Физическая терморегуляция имеет в краевых участках зоны температурной толерантности человека. У млекопитающих и птиц она достигается несколькими основными способами:
При низких температурах - наличие термоизолирующих покровов – жировой прослойки, мехового покрова, перьев. У человека (голой обезьяны) физическая терморегуляция по сравнению с холодолюбивыми животными очень слабо.
При повышенных температурах:
Тепловая отдышка (полипноэ), которая протекает в форме учащенного, но крайне поверхностного дыхания. Это увеличивает испарение воды с поверхности верхних дыхательных путей, полости рта и языка. У человека развита слабо, но сильно развита у собак.
Повышенное потоотделение, на испарение пота затрачивается значительная энергия – 573 калории на 1 л воды. Отсюда выделение 3 кг пота достаточно, чтобы отвести все тепло человека, вырабатываемое при основном обмене.
Величина потоотделения у человека возрастает при повышении температуры. Поэтому масса выделяемого человеком пота за час является информативным критерием степени комфортности климатически условий:
50 – 150 мг – тепловой комфорт;
151 – 300 мг – слабая тепловая нагрузка;
301 – 500 мг – умеренная тепловая нагрузка;
Более 500 мг – высокая тепловая нагрузка.
Кстати, многие млекопитающие (хищники, зайцеобразные) не потеют. У тех видов млекопитающих, которые не имеют значительного полипноэ, критическая точка выражена слабо и заменена довольно обширной зоной относительно постоянного уровня обмена веществ.