Экологическая физиология человека

Размещено на http://www.allbest.ru/

Под экологической физиологией понимают совокупность знаний о физиологических основах приспособлений (адаптации) к природным факторам среды и к сложному сочетанию их в различных физико-географических условиях. При этом особое значение приобретают сведения о влиянии упомянутых выше факторов как на видовые особенности физиологических функций и поведения животных, так и на особенности отдельных популяций видов в связи с особенностями их существования в разных ареалах, в разные сезоны года, в зависимости от тех или других изменений условий среды.

Как физиологическая дисциплина экологическая физиология представляет ветвь эволюционной физиологии-- предмета, ставящего своей задачей изучение происхождения физиологических функций, их эволюцию в связи с общей эволюцией органического мира. Экологическая физиология пользуется физиологическими методиками исследования и физиологическим экспериментом. Задачей экологической физиологии (в отличие от проблем эволюционной физиологии) является исследование адаптации -- совокупности физиологических явлений в их взаимной связи, суммирующей, замещающей (викарирующей) или еще более сложно интегрирующей взаимоотношения отдельных органов и систем, отдельных более или менее сложных элементов поведения и регуляций физиологических функций.

Экологическая физиология тесно связана с проблемами экологии как самостоятельной науки о приспособлении видов и популяций в широком биологическом плане, -- науки, опирающейся на данные генетики, зоогеографии, климатологии, не говоря уже о морфологии исистематике животных.

Проблемы эволюционной физиологии, так же как и проблемы экологической физиологии, были четко декларированы в нашей стране на основе материалистического учения И. М. Сеченова, И. П. Павлова, являющегося дальнейшим развитием эволюционного учения Ч. Дарвина. Принципиальные положения этого учения служат основой как при собирании материала, так и его обобщении в плане решения многих теоретических и практических задач. Исследование влияния природных факторов среды на протекание физиологических функций получило широкое распространение и за рубежом, особенно в плане изучения отдельных физико-географических и ландшафтных зон. Это направление получило право гражданства как «физиология внешней среды» (environmental physiology),-- термин, прямо не переводимый на русский язык, но часто употребляемый в английской и американской литературе.

В связи с задачами изучения природы отдельных физико-географических зон в зарубежной литературе появились такие главы физиологии, как «пустынная физиология» (desert physiology), «горная физиология» (mountain physiology), «арктическая физиология» (arctic physiology) и т. п. Все эти разделы науки являются частными проблемами экологической физиологии, использующими для исследований ее приемы и методы.

Первые попытки специальных эколого-физиологических сопоставлений в отечественной литературе принадлежат Е. М. Крепсу (1936). Эколого-физиологические исследования терморегуляции были выполнены А. Д. Слонимом и О. П. Щербаковой (1935, а, б, в; 1940). Затем физиологические методы в экологических исследованиях были применены А. С. Шаталиной (1935), Д. Н. Кашкаровым и Е. П. Коровиным (1936), Н. И. Калабуховым (1933, а, б), А. И. Израэлем (1936). А. И. Израэль (1936) опубликовал первый обзор как собственных и отечественных, так и иностранных исследований. Эти работы в основном преследовали цели изучения изменений физиологических функций под влиянием определенных факторов среды.

Экологическая физиология животных получила особое развитие при изучении водных организмов. Достижения ее в этой области широко используются гидробиологами. Экологическая физиология занимается изучением и млекопитающих, в том числе сельскохозяйственных животных. Эколого-физиологические исследования проводятся на любых уровнях филогенетического развития животных.

Если физиолог может использовать разных животных, например крысу, кошку, черепаху, с целью получения представлений о развитии тех или иных функций на разных этапах эволюции, то в экологической физиологии для сопоставления необходимо иметь, по возможности, близкие между собой виды, но живущие в разных условиях, историю отпочкования которых от эволюционного древа можно было бы проследить. Сопоставление физиологических особенностей у одних и тех же животных, которые закрепились на разных территориях и существуют в разных условиях, позволяет глубоко проникнуть в закономерности формирования рефлекторной деятельности, понять особенности биохимических процессов, т. е. дать анализ глубокого воздействия определенного комплекса факторов среды на организм в процессе эволюции.

В СССР развитие как экологической, так и эволюционной физиологии неразрывно связано с исследованиями школы И. П. Павлова.

Л. А. Орбели создал предпосылки для изучения эволюции физиологических процессов не только на основе сопоставления их у видов, находящихся на разных ступенях эволюционной лестницы, но и используя физиологический эксперимент и данные патологии человека. Им обоснованы приемы выявления более древних и более новых элементов в деятельности центральной нервной системы (например, мозжечка, лимбической коры) в регуляции функций организма современных животных.

Учение о кортикальных регуляциях физиологических функций, разработанное К. М. Быковым и его сотрудниками, открыло широкие перспективы анализа взаимоотношений сложного поведения и регуляций физиологических функций животных и человека. Само понятие о среде обитания значительно усложнилось благодаря выделению как физических, так и сигнальных ее факторов, действующих на организм.

Возможность образования условных рефлексов, изменяющих как функцию отдельных органов и систем (железы пищеварительного тракта, гладкая мускулатура, почка и др., а также система крови, сердечно-сосудистая система, дыхание), так и общую жизнедеятельность организма и ее проявление -- общий обмен веществ, азотистый и углеводный обмен, открыли совершенно новые пути в изучении взаимоотношений между организмом и внешней средой.

Этот путь исследования позволил понять и многие стороны происхождения патологических явлений, вызванных нарушениями деятельности головного мозга.

Наконец, Д. А. Бирюковым (1948, 1960) разработано представление о значении адекватности раздражителя (в том числе и природного) как для выявления врожденной -- безусловнорефлекторной деятельности, так и образования условных рефлексов. По представлениям Д. А. Бирюкова и его сотрудников, нервная система животного отражает не только уровень развития на филогенетической лестнице животного мира, но и весьма тонко экологические условия существования данного вида. Это выражается как в особенностях сложнорефлекторной деятельности, так и в свойствах нервной системы, ее возбудимости, силе и подвижности нервных процессов.

Все эти исследования намечают основные пути познания реакции животного на внешнюю среду в связи с уровнем его организации и условиями существования в природе. Открылись возможности выделения генетически обусловленных (врожденных) адаптации организмов и адаптации, приобретаемых в процессе индивидуального развития в различных условиях.

Эколого-физиологическое исследование очень редко может ограничиться изучением только одного какого-либо органа или системы. Как правило, приспособление (адаптация) какой-либо системы к условиям существования сопровождается изменениями и сопряженных функций. Так, например, адаптации организма к недостатку кислорода обязательно охватывают систему легочного, или внешнего дыхания, сердечно-сосудистую систему и систему крови. Очень часто системные адаптации дублируются или замещают друг друга. Только сопоставление функций отдельных систем и их реакций на изменение во внешней среде может пролить свет на действительные механизмы, которые обеспечивают животному существование в необычных, измененных, а иногда и крайних условиях среды.

В работе по экологической физиологии практика выявила два основных приема. Первый из них -- использование массового полевого (обычно экспедиционного) материала -- животных, отлавливаемых непосредственно перед постановкой опытов. Физиолог в этом случае получает животных непосредственно из природы и одновременно использует большое количество сведений об их жизни в природе, обрабатывая их сообразно поставленной задаче, и ставит опыт в соответствии с этими природными условиями.

Приближение условий экспериментирования к естественным (например, создание нор, укрытий, соответствующего освещения, изоляции и т. д.) устраняет многие трудности и в сочетании с полевыми наблюдениями обещает много существенного в понимании физиологических реакций животного. Эти приемы особенно часто применяются при изучении поведения.

Особое значение в полевой работе физиологов приобретают дистантные методы исследования. Сейчас в экологии и физиологии применяется метод меченых атомов, позволяющий точно исследовать расселение организмов на данной территории. МЕТОД МЕЧЕНЫХ АТОМОВ, способ, позволяющий наблюдать за ходом биологической или химической реакции, основанный на замещении ключевого элемента данного процесса одним из его РАДИОИЗОТОПОВ, называемым радиоизотопным ИНДИКАТОРОМ. Этот метод основан на том, что замещение любого нормального атома изотопом не влияет на химический состав и свойства. Но если эта новая форма является радиоактивной, его движение можно проследить по излучению (применяя счетчики Гейгера). Например, любое соединение, содержащее водород, может быть помечено путем замены обычного водорода тритием (радиоизотопом водорода с массой 3), а соединение, содержащее кислород, может быть помечено путем замены нормального атома кислорода-16 изотопом кислород-18. Большое значение приобретают исследования с помощью регистрации по радио физиологических функций (пульса, дыхания, электрических явлений в тканях и органах, движений и т. п.).

Другой важнейший прием работы -- содержание животных в неволе, в лаборатории. При этом открываются возможности использовать животных, история которых известна по возможности полнее (сроки и место вылова, условия содержания и т. д.).

В последнее время все чаще и чаще стараются пользоваться животными, родившимися и выросшими в лаборатории. Это очень важно для исследования происхождения физиологических особенностей, так как здесь физиолог знает всю историю данного организма и может создать те или иные условия воздействия на него.

Специальным и очень важным разделом экологической физиологии является экологическая физиология человека. Необходимость хозяйственного освоения новых территорий часто заставляет человека заселять ранее безлюдные территории. Плотность населения зависит от социально-экономических условий, но заболеваемость и физиологическое состояние человека определяется часто природными неблагоприятными факторами среды. Полностью изолировать от них человека, в том числе детей, нет никакой возможности, а частичная и посильная борьба с влиянием этих неблагоприятных факторов может вестись только на основе знания механизмов их сложного и длительного воздействия. Следовательно, экологическая физиология человека является основой для разработки гигиенических мероприятий, методов физического воспитания человека, широкого планирования оздоровительных мероприятий, строительства новых городов и их планировки и т. д.

Такие проблемы, как физиолого-гигиеническое обеспечение жизни человека в условиях Крайнего Севера, жаркого и пустынного климата, в условиях высокогорья и т. д., имеют в своей основе глубокое изучение общебиологических закономерностей влияния среды на организмы. Неудивительно поэтому, что многие вопросы экологической физиологии, например проблема суточного ритма, некоторых сезонных изменений, лучше всего разрабатываются на человеке, хотя, разумеется, физиологические особенности этих реакций у человека имеют свою очень сложную специфику. Особые условия среды, создаваемые человеком в культурных условиях жизни, сильно осложняют многие вопросы приспособления к природным факторам, но вместе с тем позволяют путем выбора соответствующих объектов исследования решать многие общие для человека и животных вопросы. Например, такие исследования, как влияние климата на людей, работающих на открытом воздухе или в закрытых помещениях, влияние переездов из одних климатических зон в другие в различные сезоны -- все это вопросы, близкие гигиенисту, врачу-курортологу и вместе с тем дающие большой материал для эколого-физиологических сопоставлений.

В последние годы экологическая физиология человека получила широкое развитие во всем мире благодаря деятельности международной организации -- Интернациональной Биологической программы (International Biological Programme), поставившей задачей всестороннее изучение здоровья и деятельности человека в различных природно-климатических районах земного шара. Программа предусматривает проведение исследований по единой методике, с тем чтобы результаты, полученные в разных странах различными исследователями, могли быть сопоставлены и позволили обосновать как научные, так и практические выводы. Специальный симпозиум в Киото (Япония) в 1965 г. подробно обсуждал эти вопросы. Следует отметить весьма важные способы регистрации двигательного поведения, способы разложения суточной деятельности человека на отдельные элементы, определения энергетических затрат, кожной температуры, температуры разных областей тела, определения потоотделения и водного баланса, разработку систем специальных климатических камер, позволяющих унифицировать метеорологические условия исследования человека, адаптированного к разным климатическим зонам. физиологический поведенческий телеметрия природа

С другой стороны, эколого-физиологическая характеристика многих видов животных, например наиболее близких к человеку обезьян, позволяет решить ряд вопросов терморегуляции человека, особенностей приспособления к интенсивной мышечной деятельности и т. д. Можно поэтому говорить и об эколого-физиологических аспектах исследования и в области физиологии человека, в особенности когда речь идет о воздействии природных физических агентов или более сложных факторов среды.

Практическое значение эколого-физиологических исследований очень велико. Кроме фактических данных, важных для гигиенических мероприятий, касающихся жизни и деятельности человека, огромное значение они приобретают для сельскохозяйственной физиологии, физиологии полезных и вредных для сельского хозяйства животных. Вопросы породного районирования и увеличения продуктивности животных, научное обоснование норм кормления в разных условиях и условий содержания, специальные приемы по выращиванию молодняка и т. д.-- вот далеко неполный список вопросов, непосредственно опирающихся на данные эколого-физиологических исследований. Не менее важна и борьба с вредными для сельского хозяйства и здоровья, человека животными. Практической проблемой является, например, научное обоснование приманочного метода борьбы с вредными грызунами, прогнозирование их размножения и планирование мероприятий по борьбе с вредными животными, защита посевов от повреждений и т. п.

Важное значение имеют эколого-физиологические исследования и для разведения полезных представителей дикой фауны, для восстановления и увеличения численности охотничье-промысловых животных. В то же время эколого-физиологическое исследование требует анализа наблюдаемых в природной обстановке явлений на всех уровнях физиологической интеграции, на уровне целостного организма, на органном и системном, на тканевом и клеточном, и наконец, молекулярном.

При изучении любого животного объекта исследователь сталкивается, во-первых, с элементами, генетически обусловленными филогенезом вида, во-вторых, с элементами, приобретенными в разные периоды индивидуального развития. Последние охватывают натуральные условные рефлексы различной сложности и прочности (элементы запечатлевания -- импринтинга), более глубокие изменения гормональных отношений и тканевых процессов и, наконец, некоторые результаты естественного (а у домашних животных и искусственного) отбора.

Экологи под популяцией понимают совокупность животных, принадлежащих к определенному виду и населяющих территорию с однородными условиями существования. Морфологические и физиологические особенности популяции зависят от целого ряда внешних воздействий на организм и от того, в какой мере данный вид обладает большей или меньшей вариабельностью своих признаков, определяющих существование животных на данной территории. Физиологический анализ особенностей популяции чрезвычайно важен для решения ряда практических вопросов, так как популяция характеризует и представляет данный вид в его естественных отношениях к другим видам, к тем или другим факторам среды. Поэтому интересен анализ тех факторов, которые определяют те или другие особенности популяции. Изучение этих особенностей заставляет обратиться к формированию рефлекторной деятельности в разные периоды онтогенеза. Безусловные и образующиеся на их основе условные рефлексы возникают в разные периоды постнатального развития. Поэтому чрезвычайно важно установить, в какой мере формирование тех и других зависит от факторов среды и насколько прочными будут вновь образованные условные рефлексы или сформулированные безусловные, насколько определяющими--факторы среды, действующие на разных этапах постнатального развития, для всего последующего развития отдельных особей, популяции в целом.

Методы эколого-физиологических исследований. Приемы и методы эколого-физиологических исследований в природе и эксперименте.

Несмотря на то, что жизнь современного человека в значительной мере ограждена от воздействия крайних и неблагоприятных природных факторов, проблема его адаптации в разных климатических условиях стоит очень остро. Если для дикой фауны распространение и численность животных определяется экологическими факторами, с одной стороны, и адекватностью реакций организма на эти факторы -- с другой, то человек благодаря своей деятельности населяет территории, не только совместимые с его жизнью, но и несовместимые. Завоевание Арктики и Антарктиды, космические полеты -- все это многочисленные примеры нормального существования человека в экстремальных условиях среды, никак не совместимой с жизнью.
Однако повседневная жизнь и трудовая деятельность человека не могут быть изолированы от влияния природных факторов среды как климатических, так и условий питания, обеспечения микроэлементами, витаминами и т. д.
Поэтому за последние десятилетия вслед за интенсивным хозяйственным освоением ранее безлюдных районов земного шара наблюдается повышенный интерес к особенностям физиологии человека в различных экологических условиях. Кроме того, природные факторы среды широко используются для профилактики и лечения различных заболеваний, и это смыкает интересы врачей-курортологов и климатологов с интересами гигиенистов при проектировании новых городов и поселений, курортного строительства и т. д.

Эколого-физиологические исследования на человеке обычно проводятся в следующих направлениях.

Наиболее распространенным приемом исследования является физиологическая характеристика аборигенного и приезжего населения данного климатического района. В этом случае целью исследования является установление «должных» показателей физиологического состояния человека в данном районе. Подобные исследования в СССР широко проводятся в условиях жаркого климата (Авазбакиева, 1958; Юнусов, 1950; Кафарова, 1967 и др.), малых, средних высот и высокогорья (Миррахимов, 1965, 1966; Сиротинин, 1950; Колчинская, 1965 и мн. др.), в условиях муссонов Дальнего Востока (Матюхин, 1965) и в других районах. Такое изучение идет обычно в условиях определения основного обмена и включает исследование сердца и сосудистой системы, легочного дыхания, картины красной и белой крови, температуры тела, температуры кожи и реакций терморегуляции, основного обмена и других функций.

Специальным аспектом таких исследований является изучение возрастных особенностей физиологии человека в данных условиях среды и жизни. Это особенно важно в связи с проблемой развития детей в условиях субарктики, жаркого климата и т. д. (Юнусов, 1947; Багдасарова, 1965; Кафарова, 1966 и мн. др.).Большое место в исследованиях на человеке занимает изучение суточной и сезонной динамики физиологических функций. По существу, без этих знаний трудно говорить об установлении каких-либо физиологических констант. Ряд исследований посвящен проблеме переездов в широтном и долготном направлениях и применяется для экспериментального изучения сезонного ритма и вопросов акклиматизации (см. гл. IV, V, VI и VII).

Наконец, исследование физиологических изменений при переездах в новые природно-климатические условия представляет большой интерес для климатологии и курортологии.

В настоящее время разработана международная программа исследований (International Biological Programme), которая позволит сопоставить результаты физиологических исследований на человеке в различных районах земного шара.

Важной стороной исследований на человеке является и изучение патологических явлений. Данные этого раздела науки -- географической патологии, также служат для установления" пределов устойчивости человека к крайним природным факторам среды.Совершенно еще мало изученной областью является физиология труда человека в специальных природных условиях. Несмотря на большие возможности создания искусственной среды, оптимальной для работающего человека, полное выключение природных факторов, особенно таких, как температура, барометрическое давление и отчасти световой режим, в горах и в высоких и низких широтах практически невозможно. Кроме того, в этих условиях возникают и специальные формы труда, например дальние зимние переезды, плавание на судах в тропиках, строительные работы, экспедиционные работы и зимовки и т. д. Здесь обычные формы труда человека комбинируются с подчас экстремальными факторами среды, что накладывает глубокий отпечаток на протекание физиологических процессов. Отдельные формы труда всегда отражаются в картине адаптации человека к природным факторам среды.

Изучение поведенческих реакций. Роль телеметрии в эколого-физиологических исследованиях.

В изучении поведения отдельных видов и их популяций важное место приобретает задача выявления специфичности действия раздражителей, происхождения отдельных форм поведения в онто- и филогенезе, внутренней (эндогенной) стимуляции поведения, и наконец, процесса замещения поведенческих реакций изменениями физиологических процессов или наоборот.Наиболее общей характеристикой поведения животного организма является распределение двигательной активности на протяжении суток -- так называемая суточная периодика двигательной активности. Обычно исследование состоит в том, что все движения животного, помещенного в клетку, регистрируются на протяжении суток. Иногда регистрация усложняется путем дополнительной записи на кимографе движений, связанных с кормушкой, с выходом из гнездовой камеры и т. д. Распределение периодов активности и покоя служит важной характеристикой состояния возбуждения и торможения в центральной нервной системе, отражением воздействия внешних условий на эти отношения, выражением уже выработанного на протяжении прошлого индивидуального опыта или врожденного жизненного цикла.Получаемые таким путем графики активности (актограммы) характеризуют распределение активности во времени, но совершенно не отражают интенсивность мышечных движений. Кроме того, до настоящего времени не разрешен окончательно вопрос о регистрации сложных форм мышечной деятельности животных, например роющей деятельности, полета, специальных двигательных актов

Телеметрия, телеизмерение (от др.-греч. ф?ле «далеко» + мЭфсещ - «измеряю») - совокупность технологий, позволяющая производить удалённые измерения и сбор информации для предоставления оператору или пользователю, составная часть телемеханики. Телеметрия используется для изучения дикой природы, в частности для наблюдения за видами, находящимися под угрозой на индивидуальном уровне. Подопытные животные могут быть оснащены инструментарием, начиная от простых бирок и заканчивая камерами, пакетами GPS и передатчиками для обеспечения информацией учёных и управляющих.

Телеметрия используется в гидроакустических оценках рыбы, которые традиционно используются при мобильных обследований с лодок для оценки биомассы рыб и пространственного распределения. И наоборот есть техническое оборудование, размещаемое в стационарных местах, оно использует стационарные преобразователи для контроля прохождения рыбы. Хотя первые серьёзные попытки количественно оценить биомассу рыб были проведены в 1960-х годов, основные достижения в области оборудования и технологий произошли на плотинах гидроэлектростанций в 1980-х. Оценки прохождения рыбы проводятся 24 часа в сутки в течение года, определяется скорость прохождения рыбы, её размер, пространственное и временное распределение.

В 1970 была изобретена двухлучевая техника, позволяющая прямую оценку размера рыбы на месте её нахождения посредством сопротивления цели. Первая переносная расщеплено-лучевая гидроакустическая система была разработана HTI в 1971 и обеспечивала более аккуратные и менее вариабельные оценки сопротивления цели в виде рыбы, чем двухлучевой метод. Система также позволяла отслеживать путь рыбы на 3D, можно было проследить путь движения каждой рыбы и общую направленность движения.

Эта функция оказалась важной для оценки захваченных рыба в воде, утечки, а также для изучения мигрирующих рыб в реках. Эта функция оказалась важной для оценок перемещений рыбы в завихрениях водяного течения, также как и для изучения миграций рыб в реках. В последние 35 лет по всему миру используются десятки тысяч мобильных или стационарных аппаратов гидроакустической оценки.

Размещено на Allbest.ru