Введение

Экологическая физиология — это совокупность знаний о физиологических основах приспособлений к природным факторам среды и к их сложному сочетанию в различных физико-географических условиях.

Предмет экологической физиологии человека состоит в изучении приспособительного изменения функций человеческого организма в зависимости от социальных и природных условий жизни. Иными словами, экологическая физиология человека рассматривает адаптацию человека к изменению окружающей среды через призму социальных условий. Этот сравнительно новый раздел знаний посвящен рассмотрению широкого круга теоретических и практических вопросов, затрагивающих различные сферы человеческого существования.

Во-первых, сюда входит изучение взаимодействия организма со средой обитания. Исследуются закономерности и механизмы адаптации человека к измененным условиям среды, различные уровни адаптации, предел адаптивных возможностей организма и цена адаптации, адаптивные формы поведения. Особое внимание уделяется оценке эффективности адаптационных процессов и методам увеличения эффективности адаптации, экологическим аспектам заболеваний.

Во-вторых, исследуется адаптация человека к различным природным (световое излучение, магнитные поля, воздушная среда, сдвиги температуры и барометрического давления, изменение метео-погодных условий) и климато-географическим условиям. Затрагиваются вопросы адаптации к Арктике и Антарктике, к высокогорью, к аридной зоне (пустыни), к юмидной зоне (тропики), к условиям морского климата и т.п. Уделяется внимание экологическим аспектам хронобиологии (перестройке биоритмов под влиянием климата и сезонных колебаний, пересечения часовых поясов, при сдвинутых режимах труда и отдыха).

В-третьих, рассматривается адаптация человека к экстремальным условиям. Здесь можно отметить физиологические эффекты измененной гравитации, вибраций, длительных и интенсивных звуковых нагрузок, гипоксии и гипероксии, высоких и низких температур, влияние электромагнитных полей и ионизирующего излучения. Изучается деятельность людей в условиях авиационных и космических полетов, подводных погружений. К экстремальным условиям можно отнести влияние катастроф.

Особый интерес представляют аспекты социальной адаптации. Это адаптация к городским и сельским условиям, к различным видам трудовой и профессиональной деятельности. В последнее время особую остроту приобрели вопросы адаптации к антропогенным факторам, включая загрязнение окружающей среды. С практической точки зрения представляет интерес разработка методов повышения умственной и физической работоспособности, профессионального отбора, рациональная организация учебного и трудового процесса.

Таким образом, задачи экологической физиологии человека в теоретическом плане заключаются в познании психофизиологических механизмов адаптации организма человека к новой для него среде, а в прикладном плане направлены на разработку мероприятий, облегчающих его приспособление к жизни в разных климато-географических зонах при миграциях населения, научную организацию и охрану труда, обеспечивающую высокую работоспособность и сохранение здоровья, борьбу с вредными влияниями экстремальных условий, загрязненной среды, помощь при решении вопросов физкультуры и спорта, градостроительства, рекреационных мероприятий.

Итак, основной проблемой экологической физиологии человека является проблема адаптации.

В середине XIX века Клод Бернар сформулировал представление о «внутренней среде» организма и утвердил принцип сохранения постоянства внутренней среды (гомеостаз). Он писал: «Постоянство внутренней среды есть условие свободного существования».

Клод Бернар полагал, что постоянство внутренней среды, то есть химического состава жидких сред организма, является необходимым условием для сохранения нормальной жизнедеятельности высокоорганизованных животных. Впервые в физиологической науке он выдвинул на передний план значение адаптации к изменяющимся условиям «космической среды» как условие существования организма.

Учение о гомеостазе является одним из фундаментальных представлений современной биологии, физиологии и медицины. Однако классические представления Клода Бернара о гомеостазе постепенно уходят в прошлое и заменяются более широкими кибернетическими представлениями о разных формах гомеостатического регулирования жизнедеятельности организма в изменяющихся условиях внешней среды. В эволюции взглядов на гомеостаз можно условно выделить четыре основных этапа.

1. Учение об относительном постоянстве внутренней среды. Клод Бернар понимал под внутренней средой организма кровь, лимфу и межклеточную жидкость, то есть ту жидкую среду, которая необходима для нормального функционирования всех клеток и тканей организма. Наиболее важными факторами внутренней среды он считал температуру, содержание воды, кислорода и питательных веществ. Таким образом, на этом этапе учение об относительном постоянстве внутренней среды экспериментально доказывалось небольшим числом физиологических констант.

2. Гомеостаз физиологических функций, поддерживающих постоянство внутренней среды организма.

Развивая идеи Клода Бернара, У. Кэннон (1929) не только увеличил число физиологических констант, характеризующих состояние внутренней среды, но и ввел понятие гомеостаза как учения об относительном постоянстве физиологических функций, поддерживающих необходимую внутреннюю среду организма (homeo — одинаковый, равный, подобный; statis — удержание состояния). В дальнейшем слово «гомеостазис» подверглось сокращению и стали употреблять слово «гомеостаз».

Для характеристики постоянства внутренней среды организма У. Кэннон предлагал учитывать содержание в биологических жидкостях белков, жиров и углеводов, солей натрия, калия и других неорганических веществ, а также гормонов. Он обращал внимание не только на постоянство температуры и содержания кислорода, но и на постоянство концентрации водородных ионов и осмотического давления.

Понятие гомеостаза на данном этапе стало включать в себя не только константы, свидетельствующие о постоянстве внутренней среды, но и устойчивость параметров жизненно важных функций, необходимых для поддержания постоянства внутренней среды организма. У. Кэннон подчеркивал, что нельзя говорить о физиологических константах, не понимая динамики физиологических функций, поддерживающих их.

Так, например, невозможно понять константы содержания кислорода в артериальной и венозной крови без учета постоянства артериального давления, минутного объема крови, внешнего дыхания, обмена газа в альвеолах, транспорта кровью кислорода и интенсивности тканевого дыхания.

3. Гомеостатирование метаболизма при помощи физиологических констант. У. Кэннон, рассматривая вопрос об «уравновешивании» организма с внешней средой, имел в виду, что физиологические константы являются средством обеспечения обмена веществ, энергии и информации, то есть основного жизненного процесса метаболизма, без которого невозможно сохранение жизни.

Изучая механизмы гомеостаза, У. Эшби (1959, 1964), а позднее Мак Калок и Иберал (1970) ставили вопрос о конечной цели гомеостатирования. Они полагали, что организм гомеостатирует что-то самое главное, чем является метаболизм. При таком подходе приспособительное изменение физиологических констант представлялось необходимым для устойчивого поддержания «метаболического котла» (собирательного понятия, обобщающего совокупность всех метаболических процессов организма).

4. Гомеостатирование организма как системы по отношению к внешней среде, допускающее изменение не только физиологических констант, но и метаболизма.

Освещение данного этапа целесообразно начать с определения адаптации. Согласно Словарю физиологических терминов «Адаптация — процесс приспособления организма к меняющимся условиям среды, международный термин, означающий приспособление организма к общеприродным, производственным и социальным условиям. Адаптацией называют все виды врожденной и приобретенной приспособительной деятельности организмов с процессами на клеточном, органном, системном и организменном уровнях. Адаптация поддерживает постоянство гомеостаза. Важным компонентом адаптивной реакции организма является стресс-синдром — сумма неспецифических реакций, обеспечивающих активацию гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы, увеличение поступления в кровь и ткани адаптивных гормонов, кортик о стероидов и катехоламинов, стимулирующих деятельность гомеостатических систем. Адаптивная роль неспецифических реакций состоит в их способности повышать резистентность организма к другим факторам среды».

Частным случаем адаптации является акклиматизация. «Акклиматизация — приспособление... к новым, непривычным климато-географическим условиям среды. Акклиматизация человека — сложный социально-биологический процесс, в котором кроме развития в организме различных физиологических приспособлений большую роль играет активный процесс создания социально-организованной обстановки труда и быта, приспособленной к климатическим условиям…»

Вернемся к четвертому этапу развития представлений о гомеостазе. На данном этапе стало ясно, что ничто в отдельности не может быть конечной целью гомеостатирования, поскольку выживание организма требует сохранения его как устойчивой сложной динамической системы по отношению к меняющимся условиям внешней среды. В процессе адаптации организм может в большей или меньшей степени изменять все физиологические константы и менять уровень метаболизма, но он обязан в целях самосохранения гомеостатировать себя как систему по отношению к внешней среде.

Таким образом, гомеостаз в широком смысле слова – это гомеостатирование организма как целого, во всем многообразии его жизненных проявлений по отношению к внешней среде. Согласно современным представлениям явление гомеостаза представляет собой эволюционно выработавшееся наследственно закрепленное свойство организма адаптироваться к условиям окружающей среды.

Почти одновременно с трудами Клода Бернара появились фундаментальные исследования И. М. Сеченова, И. П. Павлова, Н. Е. Введенского, Развитая ими рефлекторная теория вскрыла основные механизмы саморегуляции, координации и интеграции функций и определила общие закономерности приспособления человека к условиям существования. В своей работе «Избранные философские и психологические произведения» И.М. Сеченов пишет, что единство организма и среды привело в процессе эволюции к развитию и закреплению огромного количества приспособительных реакций и механизмов, которые не только характеризовались определенными функциональными свойствами, но и находили себе то или иное морфологическое выражение. При этом чем выше организация животных, чем они чувствительнее, тем шире и разнообразнее сфера или среда, которая действует на организм, и тем, следовательно, разнообразнее становятся способы возможных приспособлений организма к этой среде.

Большой вклад в изучение проблемы адаптации, а также механизмов, обеспечивающих уравновешенность организма и постоянство внутренней среды, внесли классические работы Л.А. Орбели (1935) об адаптационно-трофической функции симпатической нервной системы. Им было показано, что эта часть нервной системы играет важную роль в изменении функциональных свойств различных органов и систем, в том числе и центральной нервной системы, в соответствии с потребностью организма в приспособлении к тем или иным воздействиям.

Предпосылкой для современного развития экологической физиологии как самостоятельного направления физиологической науки явилось интенсивное собирание материала о влиянии отдельных факторов внешней среды на состояние различных физиологических функций. Это привело к тому, что в 30-е годы нашего столетия были феноменологически описаны некоторые реакции организма на гипоксию, мышечную деятельность, температуру среды, лучистую энергию. Значительную роль сыграли исследования отечественных ученых Н. Н. Сиротинина (1933), И. П. Разенкова (1945), З. И. Варбашовой (1960) по высокогорной гипоксии, Г. П. Конради (1935) по физиологии мышечной деятельности, М. Е. Маршака (1930), П. Н. Веселкина (1946, 1963), А. Д. Слонима (1962) по терморегуляции.

Большое значение имеют исследования, проведенные в лаборатории Д. А. Бирюкова (1960), где основное внимание уделялось действию экологических факторов на нервную систему организма. Существенным вкладом в развитие экологической физиологии явилось учение о кортикальной регуляции физиологических функций, разработанное К. М. Быковым и его сотрудниками (1954, 1960). Оно открыло большие возможности для анализа взимоотношений сложного поведения и регуляции физиологических функций животных и человека.

Одним из этапных зарубежных трудов по экологической физиологии был обзор Е. Фолька (1969), обобщивший основные положения об адаптации организма К природным факторам в отдельных физико-географических регионах. К настоящему времени s зарубежной литературе накоплен материал по адаптации как отдельных физиологических систем, так и организма в целом.

Существенный вклад в развитие и становление экологической физиологии человека внесла разработка медико-биологических основ жизнедеятельности человека в условиях Крайнего Севера, жаркого климата и пустынь, малых, средних высот и высокогорья, в условиях муссонов Дальнего Востока и т.п. И здесь несомненный приоритет принадлежит отечественным ученым А. П. Авцыну, Н. А. Агаджаняну, Г. И. Данишевскому, Н. Р. Деряпе, В. П. Казначееву, А. Л. Матусову, С. И. Сороко и др. Завершены многолетние исследования по изучению адаптации человека к экстремальным условиям в рамках Международной биологической программы 1964-1974гг.

Решение задач сохранения здоровья и высокой работоспособности летчиков, космонавтов и водолазов При выполнении ими профессиональной деятельности также вносит свою лепту в развитие экологической физиологии человека. В этой области исследований, которая разрабатывалась под руководством В. В. Ларина и О. Г. Газенко, достигнуты существенные успехи.

В последние годы усилия ученых направлены на раскрытие биологических основ взаимодействия человека и окружающей среды на основе комплексного эколого-физиологического подхода, включающего анализ экологической значимости природных, социальных и технических факторов для организма, степени их изолированного и сочетанного воздействия, структуры антропоэкологических связей, особенностей индивидуальных реакций.

Разработаны оригинальные методики оценки пластичности и устойчивости нейро-динамических процессов, выделены основные типы центральных механизмов регуляции, установлена их связь с адаптационными возможностями человека и индивидуальной стратегией адаптации. Большое значение имеют результаты работ по изучению медико-географических и социальных аспектов экологии человека.

Проблемы экологической физиологии человека неоднократно обсуждались на отечественных и зарубежных симпозиумах и конференциях.

В становление и развитие экологической физиологии большой вклад внесли академические институты Санкт-Петербурга, Новосибирска, Сыктывкара, Магадана, Владивостока, Ашхабада, Бишкека, Ташкента, Душанбе и др.

Экологическая физиология человека является специальным и очень важным разделом экологической физиологии. В свою очередь экологическая физиология представляет собой ветвь эволюционной физиологии и как самостоятельное направление физиологической науки сформировалась в 30-х годах XX столетия.

Для экологической физиологии особое значение имеют сведения о влиянии природных факторов среды на видовые особенности физиологических функций и поведения животных и на популяции в связи с условиями их существования.

Экологическая физиология тесно связана с проблемами экологии. Экология – это комплексное междисциплинарное научное направление, предмет которого изучение, прогнозирование и управление факторами внешней среды в процессе их взаимодействия с живыми организмами на всех уровнях организации.

Особенно тесны связи экологической физиологии человека с экологией человека. Экология человека – ассоциация медико-биологических, географических, исторических и общественных наук, которые в рамках этой дисциплины изучают взаимодействие групп населения с окружающей средой и ее географическими подразделениями. При этом исследуются морфологические особенности, потенциальная и актуальная патология, численность, бытовые и хозяйственные навыки населения, обусловленные влиянием среды. Таким образом, экологию человека можно рассматривать как «своеобразную методологическую основу, которая объединяет различных специалистов, изучающих взаимодействие внешней среды и населения». Экология человека занимается вопросами развития народонаселения, сохранения здоровья, совершенствования физических и психических возможностей человека. Важной задачей экологии человека является раскрытие закономерностей производственно-экономического, целевого освоения регионов Земли в процессе их преобразования социальной деятельностью человека, изучение естественных законов сохранения здоровья людей в ходе такого освоения.

Развитию экологической физиологии человека способствуют исследования по медицинской географии и географической патологии. Медицинская география изучает географическую среду в тесной связи со здоровьем населения конкретных территории. Итак, разработками проблем экологической физиологии человека в разной степени занимаются специалисты различных областей знания. В этой работе участвуют не только физиологи, но и врачи, психологи, генетики, социологи, педагоги, гигиенисты, инженеры-проектировщики, и нженеры-эргономисты, специалисты по вопросам охраны и научной организации труда, физкультуры и спорта и т.п.

В экологической физиологии человека используются физиологические методы исследования и физиологический эксперимент. Как правило, в ходе эксперимента запись физиологических функций осуществляют до, во время и после воздействия на организм одного или комплекса факторов. При этом широко применяется телеметрическая регистрация функций. Особенно велико ее значение в экстремальных условиях.

Эксперименты могут быть модельными, либо проводиться в природных условиях. Так, например, влияние высотной гипоксии изучается в барокамере или в высокогорье. В последнем случае мы имеем дело с воздействием на организм комплекса природных факторов среды, основным из которых является гипоксический фактор.

Распространенным приемом исследований является физиологическая характеристика аборигенного и приезжего населения определенного климатического района.

С этой целью устанавливают «должные» показатели физиологического состояния человека в данном районе. Наиболее информативными параметрами при этом считают температуру кожи и тела, показатели деятельности сердечно-сосудистой системы, легочного дыхания, красной и белой крови, реакций терморегуляции, основного обмена и других функций.

Большое значение для развития экологической физиологии человека во всем мире имела Международная Биологическая программа. В рамках деятельности этой интернациональной научной организации в 1965 г. в Японии (г. Киото) прошел между народный симпозиум. На нем обсуждались вопросы комплексного подхода к изучению здоровья и деятельности человека в различных природно-климатических районах земного шара. В результате программа стала предусматривать проведение исследований по единой методике, с тем, чтобы результаты, полученные в разных странах, могли быть сопоставимы. Внедрение современных стандартных методов в экологическую физиологию человека способствовало решению некоторых нормативных вопросов, которые касались способов регистрации двигательного поведения, способов разложения суточной деятельности человека на отдельные элементы, определения энергетических затрат, температуры разных областей тела, определения потоотделения, водного баланса и т.п.

Необходимость хозяйственного освоения новых территорий, подводных глубин и космического пространства привела к тому, что множество людей вынуждено жить и работать в новых, зачастую экстремальных условиях среды. Возможность этого определяется успешностью адаптации. Последняя в свою очередь зависит от познания механизмов приспособления к новым факторам и умения использовать это знание на практике. Именно этим и занимается экологическая физиология человека.

Такие проблемы, как физиолого-гигиеническое обеспечение жизни человека в условиях Крайнего Севера, жаркого и пустынного климата, в условиях высокогорья и т.п., имеют в своей основе глубокое изучение общебиологических закономерностей влияния среды на организм.

Сведения о воздействии климата и различных сезонов на людей, влиянии переездов из одних климатических и временных зон в другие являются основой для разработки мер сохранения здоровья, гигиенических мероприятий.

Без данных об умственной и физической работоспособности людей невозможна рациональная организация учебного и трудового процесса, профессиональный отбор. Особые проблемы возникают при специальной подготовке человека к деятельности в экстремальных условиях, например, в космосе.

Все более актуальным аспектом экологической физиологии человека становится изучение адаптации к антропогенным факторам среды. Вопрос выживаемости важен не только в космосе или под водой. Он важен в повседневной жизни вследствие глобального загрязнения окружающей среды. Следовательно, социальные аспекты экологической физиологии человека не менее важны, чем природные. Возможно, в будущем они послужат основой для создания искусственной среды обитания человечества. Особого внимания заслуживают возрастные аспекты адаптации.

Таким образом, экологическая физиология человека необходима для решения вопросов сохранения здоровья людей, развития народонаселения, решения демографических проблем, планировки и строительства новых поселений, совершенствования физических и психических возможностей человека.