2 курс / Нормальная физиология / Загускин_С_Л_Ритмы_клетки_и_здоровье_человека

министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

С. Л. ЗАГУСКИН

РИТМЫ КЛЕТКИ И ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА

Ростов-на-Дону Издательство Южного федерального университета

2010

УДК 61–577. 3+615. 47–616-085+616-07-08– 57. 034 ББК 28.01

З 14

Рецензенты:

главный уролог Южного федерального округа России, Заслуженный деятель науки, зав. кафедрой урологии Ростовского государственного медицинского университета, доктор медицинских наук, профессор М. И. Коган;

заведующий кафедрой медико-биологических дисциплин Коми филиала ГОУ ВПО «Кировская ГМА Росздрава», кандидат медицинских наук, доцент,

чл.-корр. МАНЭБ С. В. Иванов

Монография подготовлена и изданав рамках национального проекта «Образование» по «Программе развития федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования “Южный федеральный университет” на 2007–2010 гг.»

Монография выполнена при финансовой поддержке Российского гуманитарного научного фонда в рамках гранта РГНФ 09-06-94001к/К

по подготовке научно-популярных изданий.

Загускин С. Л.

©Загускин С. Л., 2010

©Оформление. Макет. Издательство Южного федерального университета, 2010

3

5.6.Методы и устройства для биосинхронизации в лазерной хирургии, фотодинамической терапии, в спортивной

4

Предисловие автора

Тот, кто стремится к познанию истины, не должен избирать какую-либо одну науку, – ибо все они находятся во взаимной связи и зависят одна от другой.

Рене Декарт

Мы все больше специализируемся не по наукам, а по проблемам. Наступил момент изучения времени так же, как изучается материя и энергия.

В. И. Вернадский

Живая природа достигает самых разнообразных целей иногда очень простыми вариациями одного и того же мотива.

Н. Е. Введенский

Изучение временной динамики живой природы, включая структуру, обмен веществ и функцию самого человека, интересовало человечество с древних времен. Однако хронобиология как наука оформилась сравнительно недавно. 50 лет назад Ф. Халберг (F. Halberg, университет Миннесоты) организовал в США первый симпозиум по хронобиологии, но до сих пор большинство хронобиологов изучают лишь околосуточные, околомесячные

исезонные ритмы организмов и биоценозов. Халберг впервые обнаружил околонедельный ритм, не связанный с социальными ритмами человека. Материалы этого симпозиума изданы в СССР в 1964 г. в виде книги с названием «Биологические часы». В 1981 г. во главе с академиком Ф. И. Комаровым, который впервые показал, что прием пищи в ночное время может привести

кязве желудка, и академиком Ю. А. Романовым, доказавшим связь временной и пространственной организации ткани, была образована Проблемная комиссия по хронобиологии и хрономедицине при АМН. В настоящее время председателем комиссии является известный ученый проф. С. И. Рапопорт. Также 50 лет назад я познакомился с моим учителем проф. В. Я. Бродским, у которого учился цитоспектрофотометрии и интерферометрии в Институте биологии развития РАН. В. Я. Бродский впервые обнаружил околочасовые ритмы синтеза белка в клетке. Околочасовых ритмов на уровне клетки

иорганизма известно уже больше сотни. Мы и сейчас продолжаем сотрудничество в изучении этих ритмов, которые обеспечивают подстройку фазы суточного ритма при необходимости его коррекции. Однако в наших исследованиях было обнаружено, что в клетке, как и в организме человека, существует большая иерархия периодов биоритмов. С помощью новых методов регистрации ритмов живой клетки исследован весь спектр ритмов клетки – от колебаний участков поверхности клетки и участков кольцевых структур хроматина (геном в неделящемся ядре клетки) с периодом около 100 мкс до годового (сезонного) ритма параметров функциональной активности, разме-

5

ров и формы клетки. Понимание их природы и механизмов взаимозависимости необходимо для диагностики и управления жизнедеятельностью любых биосистем – от клетки и организма до экосистем и биосферы Земли, потому что возникновение жизни связано с самоорганизацией колебательных процессов в минимальном ее элементе – в живой клетке.

В настоящее время хронобиология преподается в основном в медицинских вузах. Из 26 российских членов и 5 иностранных членов Проблемной комиссии по хронобиологии и хрономедицине РАМН только 5 не являются медиками. Однако хронобиология – междисциплинарная наука. Изучение и практическое использование закономерностей временной организации биосистем в медицине, социологии, психологии, экологии, информатике, биокибернетике, биотехнологии, сельском хозяйстве требуют знания разных наук– биологии, химии, физики, медицины, геологии, астрономии, экологии, математики и др. Например, простое перенесение методов математического анализа гармонических колебаний для неживых объектов может дать только упрощенное и искаженное представление о временной организации биосистем. Применение же новых методов анализа нелинейных колебаний с учетом стохастических компонент позволяет анализировать объективно количественно процессы так называемого «детерминированного хаоса» и выявлять специфические особенности взаимодействия и синхронизации колебаний в живых системах.

Хотя законы физики, механики, химии не отменяются для биосистем, однако учет качества информации, особенностей биорезонанса и биологического кодирования, качественной специфики интегративной взаимосвязи всех элементов в биосистеме, ее термодинамической открытости и эволюционного уровня развития совершенно необходим при исследовании живых систем. Об этом часто забывают даже хорошие специалисты по физике, химии, механике, кибернетике, исследующие биосистемы. Системный подход сединой позиции хронобиологии и биологической термодинамики,по нашему мнению, необходим для понимания таких фундаментальных проблем, как природаинформационныхсигналов,адаптация,памятьиобучение,канцерогенез и апоптоз, дифференцировка и развитие, витаукт и старение, мутагенез и эволюция. Практически поставленная задача означает оценку возможности направленного биоуправления жизнедеятельностью и прогнозирования устойчивости биосистем через параметры их временной организации.

За последние 50 лет стало ясно, что вид, характер и степень десинхроноза, т. е. оценка рассогласования процессов в организме во времени, позволяют не только диагностировать, но и прогнозировать развитие различных заболеваний, отражать нарушения функционального состояния, напряженность регуляторных систем. Отсюда возникли задачи хронодиагностики и

6

управления жизнедеятельностью через параметры временной организации биосистем. Как восстановить гармонию биоритмов, как устранить десинхронозы? Как обеспечить профилактику и лечение различных заболеваний? Как обеспечить коррекцию и управление состоянием человека? Каковы общие принципы диагностики и управления процессами жизнедеятельности на всех иерархических уровнях биосистем – от клетки до биосферы? Оказалось, что устойчивость клетки, организма человека, биоценоза, биосферы можно количественно измерять и восстанавливать на основе механизмов взаимодействия (синхронизации) нелинейных колебаний. Нам удалось разработать способы оценки гомеостатической мощности, иначе, резервов саморегуляции, и алгоритмы ранней хронодиагностики и прогнозирования заболеваний уже на доклинической стадии. Удалось обосновать и способ биосинхронизации (биоуправления) для нормализации гармонии биоритмов фазовых золь-гель переходов в клетке, ритмов микроциркуляции крови, ритмов центрального кровотока и других процессов в организме человека. Модель синхронизации ритмов антропогенных загрязнений водной экосистемы с ритмами ее восстановительных процессов показывает, что устойчивость такой экосистемы можно в этом случае повысить на порядок. Водная экосистема сохранит устойчивость в условиях биоуправления при сбросе в 10 раз большего объема загрязнений по сравнению с критическим уровнем при случайных сбросах. Разработка хронобиологической теории устойчивости биосистем позволит в будущем более простыми, дешевыми и эффективными способами диагностировать, прогнозировать, корректировать и управлять жизнедеятельностью клеток, организмов, биоценозов, биосферы Земли.

Особое значение для теории и практики хронобиологии и хрономедицины имеет, по нашему мнению, изучение ритмов золь-гель переходов в живой клетке. Согласование и синхронизация этих ритмов макромолекулярных коллоидных образований явились одним из условий возникновения жизни (живой клетки) и эволюционного развития биосистем. По нашей гипотезе, переход золя в гель сопровождается в живой клетке генерацией сигналов акустических и электромагнитных полей. Физическая природа сигналов этой основной информационной функции биосистем сохраняется в эволюции, лишь дополняясь адресной нервно-гуморальной регуляцией. Переход геля в золь отражает универсальную природу акцепции внешних как космогелиогеофизических воздействий, так и сигналов других биосистем при их интеграции. Параметры ритмов золь-гель переходов определяют все свойства жизнедеятельности клетки и через клеточный уровень – биосистем всех следующих иерархических уровней. Выяснение общих принципов структурно-функциональной временной организации клетки, организма, биоценоза и биосферы необходимо для рационального взаимодействия чело-

7

века и природы, прогнозирования экологических и биосферных процессов. Это нужно для кардинального изменения медицины, превращения ее преимущественно в профилактическую и интегративную с увеличением доли нелекарственных методов профилактики и лечения. Сюда следует отнести и задачи эффективного управления биотехнологическими процессами и функцией генетического аппарата растений, животных и человека. Для решения всех этих практических задач необходимы новые методы хронодиагностики и биоуправления жизнедеятельностью.

Трудности изложения результатов междисциплинарных исследований связаны с использованием терминов разных наук. При изложении новых научных результатов полностью отказаться от терминологии соответствующей науки невозможно. Компромиссом может быть рекомендация читателям пропускать те главы или параграфы монографии, которые далеки от их специальности. Однако те читатели, которым действительно интересна хронобиология, должны осваивать те термины цитологии, физиологии, биофизики, физики, химии, кибернетики, медицины и, конечно, математики, которые необходимы для понимания временной организации любых биосистем – от внутриклеточных ритмов фазовых золь-гель переходов коллоидных структур до биоритмов биосферы Земли. Список терминов, которые могут быть не знакомы врачам, физикам, химикам, биологам, приведен в конце монографии.

Благодарю всех соавторов моих работ, сотрудников 10 институтов РАН, многих медицинских учреждений и вузов. Благодарю мою жену Л. Д. Загускину (Зограбян), канд. биол. наук, соавтора и помощницу с 1963 г., и свою дочь Светлану, канд. мед. наук, консультации которой мне были приятны и полезны не меньше, чем консультации ведущих специалистов разных областей медицины.

С. Л. Загускин

23 ноября 2009 г.

8

Введение

В числе основных законов мира необходимо поставить закон периодичности или ритма.

В. М. Бехтерев

Мир, в котором мы живем, удивительно склонен к колебаниям.

Р. Бишоп

Вхимии имеется много веществ, чувствительных

квоздействию Космоса, и среди них – вода и различные коллоидные системы.

А. Л. Чижевский

Изучение временной динамики процессов в клетке может использоваться для диагностики заболеваний организма человека и их лечения. Механизмы развития болезней связаны с нарушением обмена веществ и микроструктуры клеток. Судить о них и оценивать эффективность используемого метода лечения возможно по виду, степени и характеру изменений биоритмов клетки, т. е. возникающих рассогласований во времени внутриклеточных процессов. Нарушения согласованности биоритмов характеризуются параметрами фазовых, системных и иерархических десинхронозов. Еще в середине прошлого века американский цитолог Л. Гейльбрун [13] утверждал, что «основные проблемы патологии – это проблемы живой клетки». Изучая свойства протоплазмы живой клетки, он отметил, что «если мы сумеем расшифровать тайны жизни и механизмы жизнедеятельности, то только путем изучения протоплазмы». Ученый обратил внимание, что в любой клетке, например, мышечной, при ее сокращении и расслаблении происходит обратимый переход от геля (твердое состояние сократившейся мышцы) к золю (расслабленное состояние мышцы), и показал участие в этих процессах ионов кальция. При этом кальций высвобождается под влиянием внешнего воздействия из его внутриклеточных депо. Для закачивания кальция обратно в его депо требуются затратить энергию АТФ. В быту всем известен подобный процесс. Превратить холодец (студень) в суп (хаш) можно нагреванием, а обратный процесс происходит при охлаждении.

Современные исследования подтвердили ключевую роль кальция и его связь с системой циклических нуклеотидов как вторичных посредников любой клетки, воспринимающих любые внешние физические и химические воздействия и регулирующих функцию и обмен веществ в живой клетке. Свойства клеток, их функция и обмен веществ определяют реакции органов и организма, течение заболеваний и условия устранения возникающих нарушений и выздоровление организма человека. Однако одной клинической практики недостаточно для гарантированного и эффективного лечения всех больныхдажеприодинаковыхсимптомахзаболевания.Необходимопонимание механизма действия физических и медикаментозных факторов с учетом

9

индивидуальных особенностей пациента. Для этого проводятся исследования их действия на клеточном и молекулярном уровнях.

Благодаря методам количественной микроскопии живой клетки нами обнаружены и изучены десятки различных колебательных процессов в протоплазме клетки (рис. 1). Эти ритмы коллоидных переходов от золя (жидкого

Рис. 1. Прижизненная интерференционная микроскопия нервной клетки речного рака. Анализ на компьютере регистрируемых ритмов золь-гель переходов при воздействии на клетку лазером аппарата «АЛТО-БИО» или при электростимуляции (аппарат «Гармония»)

состояния протоплазмы) в гель (студенистое состояние) и обратно лежат в основе всех внутриклеточных движений и регулируют все стороны жизнедеятельности клетки. Гель образуется связыванием молекулами белка или других коллоидных структур больших количеств воды, ее структурированием. Например, медуза состоит на 99,9 % из воды, но кажется твердой. После нагревания медузы под лучами солнца на камне остается лишь тонкая серая пленка. Изменения параметров ритмов золь-гель переходов (период, амплитуда, соотношение фаз преобладания геля или золя и форма этих колебаний) существенным образом влияют на все функции и обмен веществ клетки. Достаточно сказать, что скорость диффузии веществ в золе в 10 млн раз

10