Физиология адаптации
Адаптация: процесс и результат. Слово «адаптация» происходит от латинского слова, означающего приспособление. Процесс адаптации — это процесс морфологических и функциональных преобразований в организме, в результате которых действующий фактор среды ослабляет или вовсе прекращает свое негативное воздействие не потому, что он устранен, а потому, что организм уже не воспринимает этот фактор как нечто неблагоприятное. Результатом адаптации является способность организма нормально функционировать в новых для него условиях при сохранении важнейших параметров гомеостаза и высокой работоспособности. Здесь в полной мере вступает в силу принцип Ле Шателье, согласно которому сложная система под воздействием оказанного на нее давления изменяется таким образом, чтобы минимизировать последствия этого воздействия.
На протяжении жизни человеку неоднократно приходится переживать периоды адаптации. Первый из них — момент рождения, сразу после которого организм должен достаточно быстро приспособиться к множеству таких вновь возникших факторов, как сила тяжести, переменная температура, воздушная среда, микробные агрессии и т. п. Поскольку внешняя среда постоянно меняется и задает свои условия организму, постольку жизнь есть непрерывная адаптация к физическим, химическим, биологическим и социальным факторам окружающей среды.
Срочная и долговременная адаптация. Впервые столкнувшись с действием какого-либо фактора, способного нарушить гомеостаз или привычную деятельность физиологических систем, организм бурно реагирует, пытаясь найти выход из создавшегося положения. Бурная реакция организма проявляется в виде активации множества физиологических функций. Такая срочная адаптация базируется на том функциональном диапазоне, который характерен для каждой из участвующих в этом процессе физиологических функций. Эта порой хаотическая активность обычно позволяет решить задачу срочного приспособления, хотя его физиологическая цена может быть чрезвычайно высока. Поэтому, если такое же воздействие возникает вновь и вновь, организм переходит к другой стратегии адаптации, которая требует значительно более глубоких перестроек и во много раз больше времени, но позволяет решить возникшую задачу гораздо эффективнее. Такая долговременная адаптация обязательно включает в себя этап активации генетического аппарата клеток тех органов и тканей, которые наиболее активно участвуют в процессах срочной адаптации. Доказано, что сам процесс срочной адаптации через образующиеся при этом промежуточные продукты обмена веществ (в частности, циклический АМФ) как раз и запускает активацию клеточного генома, что необходимо для начала синтезов новых белков и других структурных и функциональных молекул в клетках адаптирующегося организма. Постепенно, по мере многократного повторения воздействия фактора, к которому приспосабливается организм, его структурные и функциональные возможности становятся все в большей мере пригодными для наиболее эффективного и экономичного реагирования на каждое такое воздействие. И наконец, наступает момент, когда организм воспринимает воздействие этого фактора как нечто совершенно обычное, не ведущее к какому-либо значительному увеличению функциональной активности. Считается, что для человека этот период обычно составляет около 6 нед.
Следует подчеркнуть, что сила действия фактора, вызывающего адаптацию, должна превысить некий порог, иначе организм не прореагирует на это воздействие. Так, если мы хотим закалить ребенка с помощью обливания его ног водой, т. е. вызвать у него температурную адаптацию, то температура воды должна быть достаточно низкой (22–24 °C), чтобы такое воздействие организм воспринял как существенное. Если вода будет близка по температуре к термонейтральной зоне (28–30 °C), то никакой адаптации не произойдет, сколько бы мы ни применяли эту водную процедуру.
Согласованность структурно-функциональных изменений, принцип симморфоза. В процессе адаптивной перестройки организма не может произойти так, что один орган изменится, а все другие останутся прежними. Любое изменение структуры и функции части организма ведет к адекватным изменениям целого, поскольку организм — это единая система, и на подобные воздействия он реагирует как одно целое. Другое дело, что не обязательно все органы или ткани должны, например, гипертрофироваться (увеличиваться в размере) — адаптация всегда протекает целесообразно, в соответствии с принципом разумной достаточности. Изучая разнообразные проявления адаптации в процессе эволюции, в условиях различной среды обитания и в онтогенезе, физиологи выдвинули принцип симморфоза, т. е. согласованных морфологических и функциональных адаптивных изменений. Согласно этому принципу, изменения в системе дыхания связаны с адекватными изменениями в системе кровообращения, а те в свою очередь — с аналогичными изменениями в системе гормональной регуляции и т. д. Таким образом, гармоничное приспособление за счет изменения только одной структуры невозможно — при этом обязательно изменится многое.
Адаптивные возможности и их пределы. В геноме каждого человека заключены огромные возможности реализации самых разнообразных адаптивных вариантов, однако они не беспредельны. И пределы эти установлены наследственными характеристиками, которые специфичны для каждого биологического вида. Например, человек никогда без помощи технических средств не сможет находиться под водой десятки минут, как это могут делать китообразные; не сможет пользоваться ультразвуком для ориентации в пространстве, как это умеют делать летучие мыши; не сможет впадать в спячку, как медведь, и т. п. Но и тех возможностей, которыми располагает человек благодаря его наследственности, вполне достаточно для того, чтобы приспособиться к широчайшему разнообразию экологических условий, встречающихся на Земле. Человек по своим биологическим свойствам — одно из самых выносливых существ, обладающих огромной для его размеров силой и быстротой, а уж в сфере мыслительных процессов он просто не имеет равных среди живущих на Земле организмов. Однако для того чтобы полностью реализовать любую из заложенных в генетическом коде человека потенциальных возможностей, необходима длительная и упорная тренировка, т. е. адаптация.
Непрерывность адаптации. Принципиальной особенностью биологической адаптации является ее актуальность. Если то или иное свойство, возникшее в результате адаптации, никогда больше не использовалось или долго не использовалось, это свойство утрачивается. Организм весьма расчетливо экономит свои ресурсы и не тратит их попусту на структуры и функции, на которые нет «спроса». Подтверждением этого могут служить результаты обследований космонавтов, долгое время проведших на околоземной орбите при отсутствии силы тяжести. Их мышцы теряют свои свойства и даже отчасти деградируют, из костей вымывается кальций, они становятся хрупкими и мягкими. Только с помощью специально организованных ежедневных физических тренировок на бегущей дорожке этому удается противостоять, и то не в полной мере. Точно так же невозможно раз и навсегда «проадаптироваться» к воздействию любого другого фактора. Человек, живущий в горах, адаптирован к низкому содержанию кислорода в атмосфере: у него выше уровень гемоглобина в крови, более активны окислительные ферменты и т. д. Но стоит ему спуститься с гор и прожить там несколько месяцев — все эти адаптивные особенности пропадают. Попав вновь в горы, человек вынужден адаптироваться к ним заново. Хотя в этом случае адаптация проходит обычно легче и быстрее, так как любая адаптация оставляет в организме след, который облегчает последующую нервную и гормональную перестройку.
Все это в полной мере относится к обучению, в котором роль физиологической адаптации чрезвычайно велика. Хорошо известно, что отсутствие практики приводит к утрате навыка использования иностранного языка. Однако восстановление этого навыка в полном объеме для человека обученного — задача неизмеримо более легкая, чем обучение «с нуля».
Резервы организма: мифы и физиологическая реальность. В популярной, а иногда и научной литературе периодически поднимается вопрос о необычайных возможностях, заложенных в организме человека и нереализованных лишь потому, что мы не умеем этого делать. В частности, по мнению некоторых авторов, мозг человека используется только на 2–3 % (встречаются разные оценки), а остальную часть составляют резервы, лежащие «мертвым грузом». Сказанное выше свидетельствует о том, что это не более чем миф. Никаких резервов, которые не используются и все же сохраняются, в организме человека нет. Другое дело, что с помощью грамотно построенной тренировки можно значительно улучшить многие характеристики деятельности в конкретных условиях. Надо лишь понимать, что если мы получаем выигрыш в одном направлении, то можем нечто потерять в другом направлении. Например, люди с мощной мускулатурой, много сил отдавшие тренировке своих мышц и демонстрирующие чудеса силовой подготовки, как правило, почти полностью теряют гибкость позвоночника и обладают низкой общей выносливостью, это — плата за чрезмерное развитие силовых возможностей. Разумеется, бывают всесторонне одаренные люди, которым удается довести до совершенства не одну, а несколько сторон своих способностей. Но это уникальные случаи, как уникальна многогранная гениальность Леонардо да Винчи или М.В. Ломоносова.
Специфические и неспецифические компоненты адаптационного процесса. Выдающийся физиолог XX в. Г. Селье (канадец венгерского происхождения) в середине 50-х годов разработал концепцию, согласно которой адаптация имеет два компонента — специфический и неспецифический.
Специфический компонент — это конкретные приспособления конкретных органов, систем, биохимических механизмов, которые обеспечивают наиболее эффективную работу всего организма в данных конкретных условиях. Например, у жителей горных районов, где содержание кислорода в атмосферном воздухе ниже, чем на уровне моря, отмечается целый ряд особенностей системы крови, в частности повышенная концентрация гемоглобина (чтобы можно было более эффективно извлекать кислород из проходящего через легкие воздуха). Появление пигментации (загара) на коже у людей, находящихся достаточно длительное время в условиях сильной инсоляции (солнечной радиации), — также пример структурной специфической адаптации, позволяющей снизить риск повреждений избыточной лучистой энергией тех тканей, которые расположены ниже поверхностных слоев кожи. Таких примеров можно привести множество, и они хорошо известны уже давно. Специфические приспособления в организме образуются благодаря изменению активности определенных участков генома в тех клетках, от которых такое приспособление зависит, и это происходит на протяжении довольно значительного времени. Обычно человеку необходимо 6–8 нед на то, чтобы полностью приспособиться к воздействию нового для него фактора.
Заслуга Г. Селье состоит в том, что он обратил внимание на неспецифические компоненты адаптации, которые выявляются всегда, независимо от природы действующего фактора. Селье сумел так же разобраться в основных механизмах гормональной регуляции, формирующихся в начальный период адаптации, именуемый стресс-реакцией.
Регуляция адаптационного процесса. При воздействии любого стресс-фактора, прежде всего активируется мозговое вещество надпочечников, которое вырабатывает адреналин и норадреналин. Эта функция, находящаяся под контролем симпатического отдела вегетативной нервной системы, всегда первой активизируется в ответ на любые неблагоприятные воздействия или просто на резкое изменение окружающей среды. Даже резкое слово, приказ или упрек могут вызвать у человека стресс, в результате которого в кровь выбрасывается большое количество катехоламинов. Механизм действия катехоламинов на клетки таков: мобилизуются запасы углеводов в печени, которые могут потребоваться, если организму предстоят активные действия, а нервная ткань будет нуждаться в дополнительном питании для выполнения своей функции.
Вслед за этим наступает вторая фаза эндокринной регуляции стресс-реакции. Для ее начала требуется активация гипоталамических нейромедиаторных влияний на гипофиз, в ответ на которые передняя доля гипофиза выбрасывает в кровь адренокортикотропный гормон. Этот гормон воздействует на кору надпочечников, заставляя ее выделять повышенные количества гормона кортизола — одного из важнейших глюкокортикоидов. Это название отражает тот факт, что гормоны данной группы, имеющие сходное химическое строение, участвуют в регуляции углеводного обмена в клетках организма, обладая сильно выраженным катаболическим действием. Функция кортизола и ему подобных гормонов состоит в том, чтобы усиливать образование гликогена в печени за счет использования аминокислот. Поскольку образование свободных аминокислот в организме происходит в основном за счет распада мышечных белков, в результате совместного действия гормонов надпочечников складывается такая метаболическая ситуация: мышечные белки при распаде превращаются в аминокислоты; аминокислоты под действием кортизола превращаются в гликоген; гликоген под действием адреналина высвобождает глюкозу. В итоге быстро повышается уровень глюкозы в крови, что и обеспечивает энергетические потребности нервной и других тканей в условиях стресса. Кроме того, кортизол препятствует поглощению глюкозы клетками тела (кроме нервной ткани, которая не чувствительна в этом отношении к действию инсулина и кортизола), а также усвоению мышечными клетками свободных аминокислот. Еще одно действие кортизола — усиленное расщепление жиров в клетках тела, в результате чего уровень жирных кислот в крови также повышается. Таким образом, гормональная регуляция на этом этапе стресса состоит в мобилизации всех важнейших субстратов, которые могут понадобиться любым тканям организма для срочной и напряженной деятельности.
Следует отметить, что быстрое повышение уровня кортизола в крови в ответ на стрессовое воздействие происходит только при первом столкновении с новым фактором. Если такие воздействия повторяются, то степень повышения количества кортизола снижается — наступает своего рода привыкание организма к стрессогенному воздействию.
Еще одно важное действие кортизола в условиях стресса состоит в его взаимоотношениях с адреналином. Сам по себе кортизол на сокращения гладкой мускулатуры кровеносных сосудов в мышцах не влияет, но зато в его присутствии такое влияние оказывают катехоламины — адреналин и норадреналин. Если кортизола в крови нет, т. е. ситуация не напоминает стрессовую, то и катехоламины не оказывают действия на стенки сосудов мышц. Наоборот, в условиях стресса сосуды мышц начинают сокращаться, что приводит к существенному усилению кровотока через мышцы, и обильно поступающая туда кровь приносит с собой дополнительные порции кислорода, глюкозы, жирных кислот и аминокислот, которые высвободились из тканей под воздействием тех же гормонов. Таким образом, создаются оптимальные условия для напряженной мышечной деятельности, когда предстоит борьба или бегство, — в этом и состоит биологический смысл описанных гормональных реакций.
Если процесс адаптации затягивается, и организм длительное время вынужден жить в условиях повышенного выделения гормонов мозговым и корковым слоями надпочечников, наблюдается гиперактивность желез внутренней секреции, вслед за которой может наступить гормональное истощение. Г. Селье говорил в таких случаях о «срыве адаптации». Такое состояние организма называют дезадаптацией, и если оно сохраняется достаточно долго (недели, месяцы), то может привести к развитию болезней адаптации. Это могут быть различные заболевания в зависимости от того, на каком уровне нейроэндокринной регуляции происходит истощение: на уровне гипоталамуса, гипофиза или периферического звена — надпочечников. В тяжелых случаях гормональное истощение в условиях длительного острого стресса может приводить к летальному исходу.
Болезни адаптации. Чаще других в качестве болезни адаптации выступает язвенная болезнь желудка или двенадцатиперстной кишки. Это связано с тем, что кортизол стимулирует активность желудочной секреции (такая реакция также биологически целесообразна, так как помогает лучше переваривать и усваивать пищу, которая нужна для предстоящей адаптации организма). Если гиперфункция надпочечников продолжается долго (неделями или месяцами), т. е. организм находится в условиях продолжительного стресса, повышенная желудочная секреция приводит сначала к эрозии эпителия, а потом и к появлению язвы. Учитывая, что кортизол и другие глюкопротеиды, выделяемые надпочечниками, обладают противовоспалительным действием, развитие болезни часто протекает незаметно, так как ее симптомы приглушены из-за измененного гормонального фона. Однако, уменьшая или даже снимая симптомы воспаления, гормоны не препятствуют развитию собственно патологического процесса. В результате нередко неожиданно обнаруживаются довольно значительные поражения слизистой желудка на фоне, казалось бы, полного благополучия. У подростков в переходный период такие явления не столь уж редки, что связано и с обилием стрессогенных воздействий, и с неустойчивостью их нервной и гормональной регуляции. Поэтому соблюдение правильного режима питания в подростковом возрасте — принципиально важная задача, от решения которой во многом зависит сохранение их здоровья. Пища должна быть по возможности разнообразная, не перенасыщенная острыми и кислыми продуктами, обязательно содержащая растительный белок и мукополисахариды, а также витамины и микроэлементы.
Возрастные особенности механизмов и стратегии адаптивных перестроек. Поскольку адаптация — процесс, обязательно регулируемый нейрогуморальными механизмами, а эти механизмы с возрастом претерпевают существенные изменения и окончательно формируются практически только к моменту завершения полового созревания, ясно, что у детей адаптация протекает не совсем так, как у взрослых. Это касается как процессов срочной, так и долговременной адаптации. Следует отметить, что вопросы возрастных изменений адаптационных процессов у человека изучены мало, поскольку подобные эксперименты с детьми проводить невозможно. Однако в экспериментах на лабораторных животных (обычно это белые крысы специальных пород) удалось выявить целый ряд возрастных особенностей, которые затем были обнаружены и у человека на основании косвенных данных.
Две важнейшие особенности отличают адаптационный процесс в раннем возрасте: недостаточность ресурсов и генерализация адаптационного ответа.
Недостаточность ресурсов детского организма в условиях адаптации с очевидностью вытекает из рассмотренных выше особенностей структуры функционального диапазона. Любое воздействие, требующее адаптивных реакций организма, заставляет его функциональные системы активироваться до уровня резервных возможностей. Собственно говоря, если бы этого не было, то никакая адаптация бы и не понадобилась. Нижняя граница зоны резервных возможностей как раз и есть тот порог воздействия, после преодоления которого и начинается адаптация. Если же функции не выходят за границы зоны привычной активности, то об адаптации нет и речи. Поскольку у детей, как было показано выше, зона резервных возможностей существенно более узкая, постольку этих резервов чаще не хватает на решение встающих перед организмом задач, связанных с адаптацией. Таким образом, дети более склонны впадать в состояние дезадаптации даже в условиях действия «умеренных» с точки зрения взрослых функциональных нагрузок. Значимость этого обстоятельства для педагогического процесса совершенно очевидна.
Однако дело еще более осложняется другим обстоятельством, которое на первый взгляд совершенно не очевидно, но вполне понятно кибернетикам, которые занимаются «обучением» компьютерных систем (например, на основе новейшей технологии «нейронных сетей»). Организм ребенка в процессе взросления непрерывно обучается, причем это не только обучение в смысле приобретения навыков и знаний, это еще и обучение функциональных систем организма взаимодействовать между собой и подчиняться единой нейрогуморальной регуляции. На ранних этапах развития практически любое новое воздействие на организм вызывает очень бурную реакцию, в которую вовлекаются чуть ли не все органы и системы. Такого рода реакции физиологи называют генерализованными, т. е. обобщенными, всеобщими. По-видимому, эта особенность связана с тем, что нервные центры еще не умеют качественно дифференцировать стимулы и «на всякий случай» приказывают всем периферическим органам и тканям активизировать свои функции. Недостаточно дифференцированными являются в раннем возрасте и гормональные стимулы: огромное количество клеток в самых разных тканях имеют гормональные рецепторы и как бы служат органами-мишенями для широкого спектра гормонов. Кстати, в этом заключается одна из причин того, что детский организм не способен к длительному удержанию устойчивого состояния при деятельности.
Такая неспецифическая, генерализованная реакция крайне неэкономична, она вынуждает активироваться большое число органов и тканей, никак не способных помочь в решении стоящей перед организмом адаптивной задачи. При том, что резервные возможности детского организма и без того невелики, такая стратегия адаптации кажется просто абсурдной и неминуемо ведет к перенапряжению. В раннем возрасте, действительно, порой, невозможно по физиологическим реакциям понять, к какому именно фактору адаптируется организм: к пониженной температуре, к повышенной температуре, к недостатку кислорода в атмосфере или к усиленному режиму двигательной активности. Специфические компоненты адаптации почти не проявляются, а неспецифические во всех этих случаях одинаковы.
С течением времени, по мере созревания нервных структур, они дифференцируются и становятся значительно более избирательными по отношению к приходящим стимулам. Благодаря этому более адресной, прицельной становится реакция вегетативных и других исполнительных систем организма. Адаптационный ответ перестает быть генерализованным, а делается все более локальным и специфическим, т. е. строго направленным на устранение конкретного фактора, на решение конкретной и узкой адаптационной задачи.
Наиболее значимые изменения в стратегии адаптации вегетативных систем происходят в период полуростового скачка, т. е. в 5–7 лет. Лишь с этого возраста организм становится способным осуществлять прицельные, специфические, хорошо дифференцированные реакции в ходе своего приспособления. Это еще одна причина, почему начало школьного обучения должно осуществляться лишь после завершения этого важнейшего этапа развития и созревания всех морфофункциональных систем детского организма.
В период полового созревания адаптационные процессы временно утрачивают свою эффективность и вновь становятся менее специфическими. Однако это продолжается сравнительно недолго, и уже после 15–16 лет юноши и девушки имеют уровень адаптационных возможностей, практически как у взрослых.
Адаптация, тренировка и обучение. Физиологическая адаптация лежит в основе тренировки и обучения. Тренировка в спорте и физическом воспитании требует непременного применения сверхпороговых по объему и интенсивности нагрузок — иначе тренированность не повышается. Это находится в полном согласии с теорией адаптации. Кроме того, хорошо известен феномен «переноса тренированности», который проявляется в том, что при тренировке одного физического качества (свойства) совершенствуются и другие. Этот феномен особенно часто проявляется у детей младшего школьного возраста, что вполне согласуется с возрастными особенностями стратегии адаптации. Поскольку физическая тренировка представляет собой пример адаптации, при ее организации необходимо учитывать возрастные особенности детей, их меньшие резервные возможности и генерализацию адаптивных реакций, о чем не всегда знают учителя и тренеры. К тому же, как и любая другая адаптация, физическая тренировка вызывает мощнейшие нейрогуморальные сдвиги в организме, о чем также не должны забывать тренеры и родители.
Совершенно те же процессы происходят при обучении, только действующим фактором в этом случае служит обычно не столько сверхпороговая интенсивность, сколько чрезмерный объем учебной нагрузки (впрочем, завышенный объем можно выполнить только за счет резкой интенсификации ученического труда).
Адаптация к учебному процессу в школе наиболее остро протекает в 1-м классе, когда ребенок впервые попадает в совершенно новые для себя условия, затем в 5-м классе, когда он сталкивается с новой для него организацией учебного процесса в средней школе. У подростков 7-8-х классов также имеются проблемы с адаптацией, однако они скорее вызваны внутренними, чем внешними причинами. Впрочем, это еще более серьезно, поскольку эти внутренние причины невозможно ни устранить, ни хотя бы смягчить. Единственный путь — уменьшить учебные нагрузки, что могло бы способствовать более спокойному и менее болезненному в психологическом и физиологическом аспектах протеканию пубертатного процесса.
