Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Изменение, некоторых электрохимическихи биоэлектрических показателей тканей при гипоксии

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Автореферат диссертации по теме "Изменение, некоторых электрохимическихи биоэлектрических показателей тканей при гипоксии"

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ СССР ИНСТИТУТ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ

На правах рукописи

. :) У

ШАОВ Мухамед Талибовнч

УДК 612.822,612.26

Изменение некоторых электрохимических и биоэлектрических показателей тканей при гипоксии

03.00.13 — физиология человека и животных

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Нальчик - 1990 года

Работа выполнена в Кабардино-Балкарском ордена Дружб народов госунивёрсктете.

Официальные оппоненты: академик АМН СССР О. С. Адрнано

доктор медицинских наук, профессс И. Н. Черняков, доктор медицински наук В. Б. Малкин.

Ведущая организация: Институт нормальной физиолог» им. П. К. Анохина АМН СССР.

Защита диссертации состоится « > _199

в_ часов на заседании специализированного Ученого Сове1

Д 074.31.01 по защите докторских диссертаций при ИМБП ДО СССР ао адресу:- 123007, г. Москва, Хорошевское шоссе, 76-е.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИМБП-Автореферат разослан « >«__199 г.

Ученый секретарь специализированного Совета кандидат медицинских наук

КАТУНЦЕВ В.

К: :

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Гипоксия является одной из ведущих проблем современной биологии и медицины. Жизнь и работа в горных районах, полеты в стратосферу и космос, сложнейшие операции па сердце или лечение различных видов патологии в клиниках в той или иной мере имеют или могут иметь прямое отношение к недостаточному снабжению организма кислородом и изысканию способов защить: от гипоксии. Первые, основополагающие сведения о влиянии высотной гипокспи на организм животных и человека содержатся в работах Поля Бера (1878) и великого русского физиолога И. М. Сеченова (1880).

Наиболее чувствительным органом к недостатку кислорода является головной мозг (Н. Н. Сиротинин, 1954; И. Р. Петров, 1957; О. С. Адрианов, 1987), в связи с чем изучение функции мозга при кислородной недостаточности было и остается центральным вопросом этой проблемы. Одним из важнейших параметров, характеризующих первичный механизм нарушений функций любого органа, в том числе и мозга, при изменении кислорода в среде обитания, является напряжение кислорода в тканях (Р А. Коваленко и др., 1961, 1986). Именно это обстоятельство юслужило одной из причин быстрого развития нового научного вправления — изучения кислородного режима тканей при гипок-:ии. Крайне важным и до настоящего времени наиболее трудным 1Спектом этого направления исследования, способствующим рас-;рытию глубг 1ных механизмов адаптации к гипоксии, является зучение динамики кислорода непосредственно в клетках голового мозга при одновременном изучении биоэлектрической актив-ости (ЙЭА) отдельных нейронов мозга и сопоставлении этих по-азателей с параметрами основных жизненных функций.

Кроме того, известно, что нервные клетки обладают способ-остыо концентрировать тнреондные гормоны в лнпидах клеточ-ых мембран с образованием высокоактивных катионов ианио-эв йода (П. А. Пашаев, Л. М. Цофина, 1968, И. Тасаки, 1971; . О. Мохнач, 1974; Р. Р. Рачев, Н. Д. Ещенко, 1975; М. Бред-?рп 1983), оказывающих значительное влияние на биоэлектри-;ские и биоэнергетические функции нейронов мозга. Поэтому »учение динамики катионов и анионов йода на клеточном уров-

не, наряду с напряжением кислорода, импульсной электрической активностью и показателями жизненных функций, также очень важно для понимания глубинных механизмов адаптации нейронов мозга к гипоксии.

Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы — комплексное изучение адаптационных реакций нейронов коры мозга и основных жизненных функций .животных при недостатке кислорода в окружающей среде. Для этого необходимо было разработать адекватные методы регистрации сигналов и анализа информации и решить следующие задачи:

1. Разработать комплексный метод одновременного определения напряжения кислорода, содержания ионов йода и импульсной, электрической активности на нейронах коры мозга.

2. Провести сравнительное исследование динамики напряжения кислорода, ионов йода и электрических потенциалов нейронов коры мозга в норме и при гипоксии и сопоставить эти показатели с изменениями основных жизненных функций у контрольных и адаптированных животных.

3. Провести информационно-термодинамический анализ полученных результатов изменения напряжения кислорода и температуры тела при создании гипоксии : адаптации к ней.

Основные положения, выносимые на защиту. Установлены определенные зависимости между динамикой Рог на нейронах и их биоэлектрической активностью. ПОд влиянием сеансов гипоксии в организме происходит формнрог шие адаптационных процессов, охватывающих различные уровни биологической интеграции, способствую! ,их экономии энерготрат. Важными элементами этой адаптационной перестройки организма являются:

1. Возрастание напряжения кислорода и снижение импульсной электрической активности нейронов коры мозга.

2. Снижение высокочастотных флуктуаций напряжения кислорода и скорости потребления Ог нейронами мозГа.

3. Возрастание содержания йодид-йодат ибнои на нейронах коры мозга.

4. Уменьшение энтропии и возрастание избыточности информации Ро2 отдельных нейронов моз,а.

К важным изменениям этой перестройки, обнаруженным на уровне основных жизненных функций адаптированных к гипоксии животных, можно также отнести следующие:

1. Возрастание частоты сердечных сокращений при умеренных и средних степенях гипоксии и .значительное снижение энергии активации сердца. -

2. Возрастание концентрации анионов при снижеййш концепт-: рации катионов йода в ^каии щитовидной железы на фоне уменьшения веса и роста индекса Брауна.

3. Существенное снижение температуры тела и большей сте-1енн выраженное у адаптированных к гипоксии крыс.

Научная новизна. В работе впервые проведено изучение ди-!амики напряжения кислорода и биоэлектрических потенциалов [ейронов коры мозга в условиях нарастающей гипоксии, включая :ранние ее степени при «подъемах» в барокамере, адаптированных [ контрольных животных. Для этого был разработан комплексный 1етод изучения кислородного режима нейронов н их биоэлектри-[ескон активности.

Кроме того, впервые осуществлено исследование динамики ка-ионоу и анионов йода, имеющих важное влияние на обменные роцессы, в нейронах коры мозга в норме и при дефиците кисло-'ода.

При этом установлена закономерная зависимость между Ро2, он а ми йода и ИЭА нейронов коры мозга контрольных и адапти-ованных животных в нормальных условиях и при развитии ост-, ой гипоксии. Впервые показано снижение энергии активации ердца и стандартного отклонения электрокортнкограмм мозга у даптнрованных к гипоксии животных.

Сопоставление изменений изучаемых показателен, обнаружен-ых на различных уровнях биологической интеграции (от мито-оидрий до целого организма), позволило предположить, что од-им из физиологических механизмов универсального принципа кономин энергетических ресурсов организма при гипоксии явля-гся снижение энергетики генераторно-электрических и энерго-рансформирующих процессов в нейронах мозга. Следует отме-ять, что в исследовании впервые в физиологии применен метод мфференциальном осциллографической полярографии на твердом еталлическом ультрамикроэлетроде (1—2: микрона) в сочетании современными методами электрофизиологии, позволивший од-эвременно осуществить регистрацию напряжения кислорода, энов йода и электрической активности нейронов коры мозга, ля воспроиз гдения гипокснческих состояний использован но->1Й «импульсный» режим барокамерных подъемов. Оригиналь-ым является также феноменологический анализ результатов следований с позиций основных принципов теории информации, шетикн и термодинамики.

Практическая значимость и пути реализации результатов ис-1едовання. Полученные новые данные существенно расширяют углубляют современные представления о развитии клеточно-саневон адаптации к острой гипоксии. Они могут быть исполь-1ваны при анализе механизмов надежности и работоспособности ивьтх систем в неблагоприятных условиях среды. Результаты (стоящей работы включены в цикл лекций и практических за-1тий студентов-биологов КБГУ. Они нашли применение также медицинской практике Груз. ССР и КБАССР при определении

эффективности нейрохирургических операций и оценке качества консервации трансплантируемой ткани. Результаты настоящей работы используются также при выполнении хоздоговорных работ, с промышленными предприятиями: определение ПДК пестицидов и качества пищевых продуктов на консервном заводе г. Нальчика; оптимизация условии содержания рыб в водоемах КБАССР по динамике Рог и энергии активации сердца; повышение работоспособности горнорабочих высотных карьеров и рудников Тырныаузского вольфрамо-молибденового комбината.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на кафедральных и факультетских семинарах КБГУ и РГУ (Нальчик, 1975—1986; Ростов-на-Дону, 1979); Всесоюзном симпозиуме «Полярографическое определение кислорода в биологических объектах» (Киев, 1972); Приэльбрусских беседах по проблеме «Транспорт и утилизация кислорода при гипотермии» (Терскол, 1977); XIX научной конференции физиологов Юга РСФСР (Нальчик, 1977); Всесоюзной конференции «Кислородный режим организма и механизмы его обеспечения» (Барнаул, 1978); Всесоюзной конференции по биологической и медицинской кибернетике (Москва, 1978); IV СевероКавказской биохимической конференции (Нальчик, 1979); Всесоюзной конференции «Специальная и клиническая физиология гипоксических со -оянни» (Киев, 1979); VII Всесоюзной конференции по космической биологии и авнакос: ической медицине (Калуга, 1982); расширенном заседании бюро научного совета АН СССР по аналитической химии (Нальчик, 1982); Всесоюзной школе «Надежность и гомеостаз биологических систем» (Чернигов, 1985); Северо-Кавказск й научно-практической конференции «Гигиенические аспекты охраны, окружающей среды» (Ростов-на-Дону, 1986); Всесоюзном совещании «Транспорт газов в тканях при гипоксии» (Нальчик, 1986); VIII Всесоюзной конференции по космической биологи^ и авиакосмической медицине (Калуга, 1986); X Всесоюзном съезде анатомов, гистологов и эмбриологов (Винница, 1986); Всесоюзном совещании «Транспорт газов в системе микроциркуляции» (Гродно, 1987); Всесоюзном совещании «Способы коррекции гипоксии в тканях» (Нальчик, 1988). По материалам диссертации опубликовано 30 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, ' обзора литературы (глава I), результатов работы и их обсуждения (главы II—VI), выводов, практических рекомендаций и списка литературы (479 названий, из них 104 — на иностранном языке). Работа изложена па 220 страницах машинописного текста, включает 25 таблиц и 29 рисунков. Общин объем диссертации — 325 стр.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Регистрация напряжения кислорода, ионов (Л4- и Л") на нейронах коры мозга и показателей основных физиологических функций осуществлялась с помощью биоэлектрополярографиче-ского метода, разработанного с применением осциллографичесхой полярографии, микроэлектродной электрофизиологической техники, электрокардиографии, электроэнцефалографии и термографии.

Изготовление электродов. Индикаторный (рабочий) электрод изготавливался нами из платиновой проволоки высокой чистоты (99,99то). Вначале один из концов ее затачивался механическим путем до 50 мкм в диаметре, а затем электрохимическим — в насыщенном растворе хлорида кальция до диаметра 1—2 мкм. Обезжиренный в четыреххлористом углероде и очищенный в разбавленной азотной кислоте (1:1" заточенный конец платиновой проволоки покрывался изоляционным лаком. При.этом сам кончик за счет поверхностного натяжения оставался не изолированным. Для работы отбирались только те микроэлектроды, которые прошли проверку качества и надежности изоляции по Я. Бурешу с соавт. (1962), чувствительности к кислороду и воспроизводимости вольт-амперных волн по В. А. Березовскому (1975), имеющие постоянную рабочую поверхность (диаметр, равный 1—2 мкм, и длину, равную 4—5 мкм).

В качестве индиферентного электрода применялась платиновая проволока длиной около 2 см и диаметром 0,5 мм. Изготовленные электроды имели необходимое для обеспечения устойчивого пеполяризовапного состояния соотношение площадей, равное для нлигнны по В. Л. Березовскому не менее '/80о. Принципиальным отличием во всей нашей работе была важнейшая особенность, заключающаяся в том, что мы не нарушали целостность клеточной мембраны, а всегда снимали параметры ультрамикроэлек-тродом с поверхности мембраны неповрежденного нейрона. Точным и надежным ориентиром расположения коцчика микроэлектрода нам служило наличие четкой и выраженной биоэлектрической спанковой активности данного нейрона, которая мгновенно исчезгет, если электрод находится не на нейроне.

Рабочий микроэлектрод служил общим индикатором напряжения кислорода, концентрации ионов йода на нейронах и им? пульсной электрической активности нервных клеток..

Определение напряжения кислорода и концентрации ионов йода на нейронах коры мозга. Регистрация этих показателей осуществлялась с помощью полярографического метода, сущность которого заключается в получений и анализе вольт-амперных кривых, характеризующих, зависимость силы тока от потенциала поляризации (Я. Гейровский, 1922). Все преимущества этого ме-.

ТОда наилучшим образом реализуются при использовании осцнЛ-лографической полярографии с линейно-меняющимся потенциалом. По этому принципу создан отечественный осциллографнче-скнй полярограф ПО-5122 модели 02А, который имеет высокую чувствительность, до 10~8 моль/л, хорошую разрешающую способность в пределах 1:5000, а также обладает большой скоростью поляризации—16 вольт/сек.

Учитывая достоинства этого метода и прибора, а также важность получения быстрой информации, нами разработаны диф-ференциалыю-осциллополярографические методы определения напряжения кислорода и концентрации ионов йода на нейронах коры мозга с использованием полярографа ПО-5122 модели 02А (М. Т. Шаов, 1968, 1973, 1981).

Регистрация полярографических волн, характерных для кислорода, иодид- и йодат-ионов (рис. 1) осуществлялась после настройки прибора на рабочие режимы, установленные опытным путем. Идентификация соответствующих волн осуществлялась по пс енцналам полуволн (Б,), равным для кислорода—0,6в, йодид-иона (.1~) —0,86 в, а йодат-нона (.1+) 0,25 в.

Количественное определение напряжения кислорода с использованием обычной калибровки в сульфате и физрастворе и концентрации ионов йода производили с помощью калибровочных гргфиков, пострс иных в координатах: высота волны (см)—содержание вещества (для кислорода мм рт. ст., а для ионов йода — мкг%).

Регистрация импульсной электрической активности нейрона

(ИЭА). Для внеклеточного отведения импульсной электрической активности использовали микроэлектрод из платины.

■ Регистрирующая аппаратура состояла из усилителя биопотенциалов (УБП1-02 с катодным повторителем) и блока регистрации (восьмиканальный осциллографический индикатор ИМ-789, фоторегистратор, счетчик импульсов ПП-16).

Электрохимические (полярограф и его блоки) и электрофнзно-логпческие приборы работали синхронно, регистрируя напряжение кислорода, концентрацию ионов иода и ИЭА с помощью рабочего микроэлектрода из платины. «Развязка» регистрируемых электрических сигналоь обеспечивалась блоком синхронизации полярографа ПО-5122.

3 опытах преимущественно регистрировались положительно-отрицательные импульсы ^рис. 2), которые дают основание считать, что кончик микроэлектрода предельно близок к клеточной мембране и, строго говоря, находится на е£, поверхности (В. М. Сторожук, 1974). Вместе с тем нарушения целостности мембраны мы не производили, как это всегда имеет место при введении ультрамнкроэлектрода внутрь клетки.

Рис. 1. Дифференциальные осциллографнческие полярограммы ионов йода (сверху) I! кислорода (снизу).

Рис. '¿. Положителыю-огрицательные импульсы нейрона, зарегистрированные С помощью ппатинового электрода.

Регистрация биоэлектрических потенциалов осуществлялась не только для определения активности нейронов, но и для контроля функционального состояния седалищного нерва лягушки и пресноводной водоросли нителлы. В этих опытах были получены дополнительные данные о природе связи биоэлектрической активности и кислородного метаболизма.

Регистрация показателей основных жизненных функций. Изучались следующие основные показатели жизнедеятельности: ЭКГ, ЭКоГ, частота и глубина дыхания, ректалыгая и поверхностная температуры тела животного, ЭКГ регистрировалась игольчатыми электродами с передних конечностей. Электрокортикограммы (ЭКоГ) регистрировались с помощью игольчатых электродов из платины на глубине около 1 мм. Динамика ЭКоГ определялась по амплитуде биоэлектрических потенциалов с помощью методики вычисления стандартного (т) отклонения (А1. Жадин, 1984). Регистрация частоты и глубины дыхания производилась с помощью льезодатчика, фиксированного на груди подопытного животного. Температура тела измерялась тсрмистором. Данные термометрии служили для определения и расчетов ряда термодинамических ш.02метроз, в том числе приращения энтропии организма животного, а также энергии активации различных его органов.

Запись основных показателен жизнедеятельности осуществлялась синхронно с другими параметрами, т. е. с напряжением кислорода, ионов йода и ИЭА нейронов головного мозга.

В некоторых сериях опытов определялось содержание кислорода н углекислого газа в выдыхаемом воздухе. Наряду с этим эпрсделялось дыхание выделенных митохондрий печени по общепринятой методике у контрольных и адаптированных к гипоксии крыс. Кроне того, исследовалось содержание гликогена в тканях мозге и печени и определялся индекс Брауна щитовидной желе-!ь: — отношение диаметра фолликула к высоте тиреоидного эпителия.

Опыты ставились на взрослых крысах-самцах 7—8-месячного ;сзраста. Напряжение кислорода и концентрация ионов йода >пределялись на нейронах двигательной зоны коры мозга на глубине до 800—900 мкм а условиях электрофизиологического конт->оля функционального состояния нейронов и места локализации юнчика микроэлектрода по характеру регистрируемых положи-елыю-отрицательных электрических импульсов (спайковая ак-т.вность).

Оперативная подготовка ж ивотного —фиксация, трепанация ерепа и введение микроэлектрода в ткань мозга — осуществлять в соответствии с общепринятыми нормами, описанными в известных руководствах (П. Г. Костюк, 1960; А. Б. Коган, \. С. Щитов, 1969; Я. Буреш и др., 1962),

Условия гипоксии создавались искусственно с помощью раз ряжения в барокамере (скорость подъема- всегда составлял; 20 м/сек). Опыты ставились в следующей последовательности все изучаемые параметры регистрировались у контрольной груп пы крыс, потом — на таком же количестве адаптированных к гипоксии животных.

Животных трени-ровали к гипоксии в предложенном нами варианте импульсного режима адаптации с пятикратными ежедневными подъемами на высоту 7 км на 10 минут в течение 10 дней. Кроме того, с целью лучшей интерпретации природы биоэлектрической роли молекул кислорода поставлена специальная серия опытов на выделенном седалищном нерве лягушки и изолированной клетке пресноводной водоросли ннтеллы.

Информационно-термодинамические и вероятностно-статистические методы. Для более углубленного обсуждения результатов по динамике напряжения кислорода на нейронах мозга и темпе-рат ры тела, а также для получения ряда новых производных показателен использовано определение некоторых информационных н термодинамических функций: энтропии (Н) и избыточности (И) информации, свободной энергии (потенциал Гиббса, й) и энтропии (Б).

Для информац,.лшо-термодинамического анализа, как отмечено выше, были взяты концентрационные (ДРи2) и температурные сдвиги (ДТ) на уровне нейронов мозга н основных жизненных функгчй.

Энтропию и избыточность информации определяли по известным методам (В. Г. Колб, 19/4; О. Г. Чораян, 1975; А. Б. Коган, 1979). Показатели свободной САП) и деградированной (ДБ) энергкй определяли в соответствии с методами, применяемыми в биотермодинамике (И. Клотц, 1964; В. Уильяме, X. Уильяме, 1976; Л. Певзиер, 1978^ А. Б. Рубин, 1984).

Полуденные в опытах цифровые данные обрабатывались методами вариационной статистики в соответствии с общепринятыми способами (А. Б. Коган, С. И. 'Цптов, 1965; П. Ф. Рокицкий, 1968; Н. А. Плохннский, 1970; Н. А. Масальгин, 1974).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Адаптационно-гомеостатические сдвиги клеток мозга в норме и при гипоксии. Анализ результатов определения величин напряжении кислорода над поверхностью клеток мозга показал, что у адаптированных к гипоксии животных в условиях нормы до «подъема» напряжение кислорода в примембранном нространст-

ве нервных клеток головного мозга достоверно выше, чем у контрольных животных (табл. 1). Следовательно, можно считать, что величина диффузионного напора молекул О2 к митохондриям у адаптированных крыс выше.

Если проследить за изменениями напряжения кислорода над поверхностью нейрона, то видно, что с возрастанием гипоксии при подъеме на высоту происходит закономерное снижение напряжения кислорода как у контрольных, так и у адаптированных животных. Однако у адаптированных животных напряжение кислорода на поверхности клеток мозга снижается все же в меньшей сте енн, чем у контрольных, и, особенно отчетливо это прослеживается при подъемах до высот 8 к даже 10 км.

Так, у адаптированных животных «на земле» напряжение кислорода в среднем рпвлялссь 33,4±2,20 мм рт. ст., л на высоте 8 км — 29,6±2,10 мм рт. ст., т. е. снизилось на 11,4%, з то время как у контрольных животных величина напряжения кислорода в этих условиях уменьшилась на 37,5%.

Таблица 5

Динамика напряжения кислорода на клеточной поверхности коры мозга контрольных и адаптированных к гипоксии животных

Статистические параметры напряжения кислорода в мм рт. ст._

Высота подъема п барокамере, км контрольная группа, п = 40 адаптированная группа, П —40 надежность различения

Ма гп (±) Ма III

24,0 1,40 33,4 2,20 3,62

22,0 1,00 ,41,6 2,10 4.91

18,0 1,20 30,0 1,30 6,82

17,3 1,10 30,4 2,40 4,86

15,0 1,40 29,6 2,10 5,79

¡2,0 1,20 22,0 2,05 4,22

7,60 1,25 15,2 2,60 2,6',

2,00 0,88 6,00 1,60 2,19

На высоте 10 км величина напряжения кислорода у адапти-шванных животных снижается до 22,0±2,05 мм рт. ст., т. е. на »4,1%, в то время как у контрольных до 12,0±1,20 мм рт. ст., т. е. !а 50%. На высоте более. 12 км напряжение кислорода на нейро-¡е в контроле составило 2,00±0,88 мм рт. ст., а у адаптированных

животных этот показатель хотя и резко,, снижается-, однако все еще составляет 17% от исходного уровни, достигая в среднем 6,00±1,60мм рт. ст. Это свидетельствует о больших резервных возможностях снабжения мозга кислородом в условиях больших «высот».

Таким образом, при адаптации к гипоксии на поверхности нерзной клетки может сохраняться больший уровень напряжения кислорода даже в условиях глубокой гипоксии. У неадаптированных крыс нервная клетка мозга такой возможностью не обладает.

Механизм образования приращения напряжения кислорода на адаптированных клетках мозга связан, по-видимому, прежде всего со всей системой транспорта кислорода, однако он, вероятно, зависит и от функционального состояния самих клеток за счет снижения потребления ими кислорода. В этом проявляется общая тенденция сохранения и удержания важнейшего звена кислородного гомеостаза, которая заключается в поддержании ра- новесия между доставкой Ог и потребностью тканей в нем.

О функциональных сдвигах в нейронах мозга, ожидаемых в условиях гипоксии, мы судили также по динамике их импульсной электрической активности (табл. 2). Полученные данные показывают, что в состоянии покоя при дыхании воздухом импульсная активность г рвных клеток мозга, адаптированных к гипоксии животных как,до подъема, так и после развития гипоксии существенно ниже по сравнению с контролем. Поскольку восстановление электрохимического потенциала на клеточной мембране, как известно, сопровождается значительными энерготратамн, то уменьшение электрическо- активности клеток в данном случае свидетельствует о снижении этерготрат, или более экономном расходе энергии в нейронах, адаптированных к условиям гипоксии, что выражается в меньшем расходе кислорода в норме, и, следовательно, в повышении его уровня на поверхности нейрона.

Приращение напряжения кислорода на клеточной поверхности в условиях нормы, вероятно, связано с этими явлениями. Прямой ответ на этот вопрос можно получить, определяя потребление кислорода мозгом и отдельной живой клеткой в условиях изоляции.

Интересно, что нарастание гипоксии вызывает фазные изменения импульсной активности нейронов у адаптированных и контрольных животных, что соответствует известным в литературе данным (О^еШ, 1957; Е. Н. Соколов, 1975).

В обеих группах по мере приближения к критической высоте, соответствующей 9—10 км но Е. А. Коваленко (1978), наблюдается четкое возрастание импульсной электрической активности нервных клеток. На высоте 10 км этот показатель увеличивается почти в 2,5 раза как у контрольных, так и у адаптированных жи-

Таблица 2

Динамика импульсной электрической активности нейронов коры головного мозга контрольных и адаптированных к гипоксии животных

Статистические параметры, имп/сек

Высота надеж-

«подъема» контрольная группа, адаптированная группа, ность

в барока- п =40 п = 40 разли-

мере, К.\1 чения

»< 1 П1 Ма 1 (±) Ма т Ц

0 7,50

2 5,90

4 7,40

6 8,10

8 7,20

10 18,6

12 0,00

более

12 0,00

0,92 5,29

0,39 3,90

1,01 2,35

0,66 4,06

0,91 4,48

1,52 13,7

— 0,30

— 0,00

0,44 2,17

0,12' 4,73

0,11 4,95

1,47 2.51

1,С2 1,46

1,58 2,21

0,23 0,00

0,60 0,00

потных.

Продолжение «подъема» животных сопровождается резким падением биоэлектрической активности вплоть до ее полного нс-чпновения. Так, на 12 км мозг жииотных контрольной группы имеет либо очень небольшую электрическою активность, либо она отсутствует вообще. У адаптированных животных в этих условиях клетки мозга все же еще сохраняют некоторое время резко сниженный уровень электрических разрядов — только при приближении к 14 км г 'ектрическая активность мозга практически исчезает полностью.

Итак, динамика напряжения кислорода и импульсной биоэлектрической активности нейронов мозга контрольных и адаптированных к гипоксии животных, находящихся как в условиях нормы, так и в условиях острой гипоксии, свидетельствует о четкой зависимости между уровнем напряжения кислорода на поверхности клеток и ее биоэлектрической активностью. Это находит отражение и в физиологическом состоянии организма в целом, в появлении вначале небольшого - возбуждения, затем судорог, и, наконец, общего оазкого угнетения.

Следует отметить, что менее' интенсивное снижение уровня напряжения кислорода по мере нарастания острой гипоксии у адаптированных животных находит отражение и в особенностях активности отдельных нейронов, и общем поведении животных.

В пользу этого говорят не'только данные, полученные нами на отдельных неГфонах, но и результаты измерения напряжения кислорода в «бесклеточной» части мозговой ткани (в глин мозга), спустя некоторое время после отведения микроэлектрода от самой клетки и снятия величины' Рог в глии или по сути дела в межклеточном пространстве на удалении от нейрона. Среднее значение напряжения '-кислорода, зарегистрированное в состоянии нормы в этих «бесклеточных частях» мозговой ткани контрольных животных составило 32,4±1,2 мм рт. ст., а в группе адаптированных животных — 49±2,6 мм рт. ст. Таким образом, в «бесклеточной части» мозговой ткани, по сути дела в глии мозга, адаптированных животных четко обнаружено еще более значительное,' чем непосредственно на клеточной поверхности, приращение напряжения кислорода. Интересно, что по мере подъема на высоту убыль Ро2 в мозговой ткани, где нет нейронов, происходит гораздо быстрее, чем на поверхности нервных клеток. Так, Ро2 на высоте 10 км в «бесклеточной части» мозговой ткани снижается до 0,8 мм рт. ст., а на поверхности клеток — до 10 мм рт. ст. Это можно объяснить особенностями микроциркуляции крови, перераспределением ее с преимущественным снабжением кислородом нейронов, сохранение которых важно для жизнеобеспечения. Можно полагать, что степень развития гипоксии ь «бесклс-точной части» мс^га гораздо выше, чем над нейронами. Данное явление, по-видимому, свидетельствует о вли^чии функционального состояния клетки на систему ее местного, регионарного снабжения кровотоком на уровне ультрамикроциркуляцин (В. Я. Клосовский, 1951; К. П. Иванов, 10. Я. Кнсляков, 1976; Ю. Я. Кисляков, 1986). Эти факты важны, они показывают сколь совершенны адаптационные механизмы микроциркуляцин для обеспечения нейронов мозга Ог даже при глубоких степенях гипоксии.

В этой связи большой интерес представляет вопрос и о динамике «зон кислородного молчания» в ткани мозга, наблюдаемых не только нами, но и другими исследователями (Е. А. Коваленко, 1966, 1968; В. А. Березог.ский, 1975; К. П. Иванов, 10. Я. Кнсляков, 1979).

Измерение напряжения кислорода в различных структурах головного мозга белых крыс, кроликов и собак показало наличие, с одной стороны, зон с относительно высоким значением кислорода (40 мм рт. ст, и больше), а с другой,— «зон кислородного молчания», т. е. участков мозга с крайне низким напряжением кислорода, иногда даже близким к нулю. Эти «зоны.кислородного молчания» с очень низкими величинами Ро2 по аутн дела отражают ни что иное, как фундаментальную особенность кислородного гомеостаза' тканей и клеток в виде периодического резкого снижения Р02 в данной области ткани, иногда до нулевого

Значения, а затем, через 5—20 секунд, внопь повышения ее кислородного обеспечения. На этот феномен ранее обращали внимание ряд исследователей (Кипке и др., 1972; Р. Фрей и др., 1975; Д. Любберс, 1980).

Интересно, что в самых поверхностных слоях мозга, в месте трепанации черепа, значение напряжения кислорода близко к таковому в физиологическом растворе, контактирующем с воздухом. Однако, после даже небольшого углубления мнкроэлектро-да в ткань мозга па 500—600 мкм и ниже уже встречаются бескислородные зоны, т. е. «зоны кислородного молчания». В 30%, измерений над нейронами у контрольных животных зарегистрированы очень низкие значения напряжения кислорода, близкие к критическим, — 5—8 мм рт. ст. В опытах с адаптированными к гипоксии животными количество нейронов с таким низким значением напряжения кислорода уменьшалось на 43% по сравнению с контрольными.

По-видимому головной мозг (особенно его кора) в зависимости от функционального состояния нервных клеток обеспечивается так кровотоком, что в одних структурах возникает значительный диффузионный напор кислорода (Ро2=24 мм рт. ст.), а в других— более слабый напор (Ро2=10 мм рт. ст.), или же вовсе транспорт кислорода (Ро2 = 0) к нейронам прекращается на строго определенный кратковременный период. Вероятно, это и есть реальное отражение своеобразной ритмики колебаний Ро2 в тканях (Е. А. Коваленко, 1984, 1987).

В результате этого складывается сложная динамичная окси-генотопография мозга, зависящая от функционального состояния его различных структур, п связи с чем в тканях мозга формируются зоны как со значительным напряжением Ро2, так и с небольшим его уровнем, а также «зоны кислородного молчания», что и было нами обнаружено. Следовательно, «зоны кислородного молчания» нельзя считать артефактом, или чем-нибудь в этом роде, а, наоборот, их нужно причислить к факторам, обеспечивающим своеобразие кислородного режима мозга. В пользу этого говорят также результаты, полученные нами в серии опытов на адаптированных к гипоксии животных. В мозгу адаптированных крыс количество «зон кислородного молчания» и число нейронов с низким уровнем Ро2 было меньшим, чем у контрольных животных. При этом отмечалось большее число нейронов со сниженной электрической активностью. Это было отчетливо видно по мере погружения микроэлсктродз в ткань мозга. Несомненно, эта новая и важная фундаментальная проблема кислородного гомсо-сгаза нуждается в детальном изучении в ближайшие годы. •

Разумеется, природа «зон кислородного молчания.» мозга не может быть полностью раскрыта в этом исследовании, однако.

данные, полученные нами, могут свидетельствовать в пользу того, что «зоны кислородного молчания»—это необходимый элемент в конструкции кислородного снабжения головного мозга, обеспечивающий ритмику колебаний Ро2, высокую надежность в его работе и большую выживаемость в экстремальных условиях. Вполне возможно, что обнаруженная в настоящем исследовании динамика «зон кислородного молчания» связана с энергетическим обеспечением клетбк мозга, рабочие режимы которых формируются, согласно А. Б. Когану (1964, 1979), по вероятпостно-статис-тическим механизмам.

На значительные адаптационные сдвиги в межклеточном пространстве ткани коры головного мозга указывает также анализ флуктуации и типов снижения кислорода, характерных для контрольных и адаптированных к гипоксии животных. Было обнаружено три типа снижения напряжения кислорода, сопровождающихся характерными флуктуациями. Частота и амплитуда этих флуктуации свидетельствуют о сложности их природы. Так, например, в наших опытах зарегистрированы флуктуации с часто-тоГ 0,03—0,4 Гц и амплитудой колебаний до 60% всего диффузионного тока. Таким образом, имеется явная ритмика колебаний Ро2 в тканях мозга.

Распределение снятых полярограмм (Ро2) по типам флуктуации (А — снижающийся, Б—возрастающий, В — колеблющийся) у неадаптирована 1х к гипоксии животных было следующим: А — 55%, Б — 30%, В—г 15%. У адаптированных животных было также обнаружено три характерных типа изменения напряжения кислорода, а распределение полярограмм по типам флуктуации оказалось следующим: А — 30%,- Б~30%, В — 40%.

Сопоставление типов флу..туаций при гипоксии у контрольных и адаптированных животных показывает, что тип А уменьшается у адаптированных на 25%, тип Б — не изменяется, а тип В — увеличивается па 25%.

Обнаружение характерных типов флуктуации кислорода в моз1е крыс в состоянии гипоксии говорит в пользу того, что эти процессы играют определенную роль в механизмах адаптации нервных клеток к условиям гипоксии. Так, например, уменьшение типа А и значительное возрастание типа В свидетельствуют о снижении потребления кислорода клетками мозга у адаптированных к гипоксии животных. В пользу этого,, как уже отмечено, говорят и данные сравнения биоэлектрической активности, напряжения .кислорода и оксигенотопографии клеток мозга в норме и при гипоксии.

Имеющиеся в литературе данные о флуктуациях кислорода, но ке в зоне отдельных нейронов, а при измерении крупным микроэлектродом (диаметр 0,3—0,5 мм), показывают, что в тканях мозга также имеется ритмика Ро2, т. е. это явление носит уии-

версальный характер — оно обнаруживается на больших участках в головном мозге у человека и почти.всех животных и зависит от течения метаболических реакций в тканях (А. Д. Снежко, 1956; Е. А. Коваленко, 1963, 1972; 10. Е. Москаленко и др., 1969; В. В. Гречин, 1972; В. А. Березовский, 1968, 1975).

Обнаруженные нами флуктуации кислорода в тканях коры мозга белых лабораторных крыс свидетельствуют о связи изменения напряжения кислорода с обменными процессами в клетках мозга. В первую очередь, следует особо отметить снижение флуктуаций типа «А» у адаптированных к гипоксии крыс с одновременным возрастанием типа «В». Частотная характеристика флуктуаций напряжения кислорода, по-видимому, обусловлена тем, что тип «А» отражает более быстрые колебания уревня кислорода, а тип «В», наоборот, более медленные. У адаптированных к гипоксии животных в пргмембраниой области клеток мозга высокочастотные флуктуации уступают место низкочастотным, т. е., как отмечено и в литературе, в этом случае происходит уменьшение ритма метаболических процессов в нейронах. Следовательно, динамика спонтанной ритмики напряжения кислорода в мозге контрольных и адаптированных животных в норме и при гипоксии, по нашему мнению, может быть определенным показателем функционального состояния мозга, с помощью которого можно исследовать адаптационные сдвиги в клетках животных. Полученные нами результаты подтверждают известные в литературе данные о связи флуктуации кислорода в мозге животных с метаболическими процессами в клетках этого органа. Признаком адаптации является снижение высокочастотных колебании уровни кг лорода и возрастание низкочастотных колебаний, что может свидетельствовать об адаптационном «подавлении» метаболических процессов в клетках мозга адаптированных к гипоксии животных.

Снижение частоты электрической активности отдельных клеток, возрастание напряжения кислорода на мембране этих же клеток, снижение высокочастотных колебаний напряжения кислорода на фоне возрастания низкочастотных флуктуации кислорода может свидетельствовать о глубоких изменениях, в первую эчередь, в системе внутриклеточного синтеза энергии (П. Мит-1елл, 1979; Б. Чане, 1977; А. Ленинджер, 1985).

Сложившиеся к настоящему времени мнения об энергетике каневых адаптивных реакций сводятся в основном к тому, что ;рн адаптации к гипоксии происходит не только усиление глико-нтических процессов, по н определенные изменения самих про-ессо'з биологического окисления (3. И. Барбашова, 1960, 1963, 974; Е. А. Коваленко и соавт., 1972; К- П. Иванов, 10. Я. Кис-яков, 1979 и др.).

К причинам, определяющим высокую резистентность адапти-

рованных животных к гипоксии, относят-не только "активизацию систем, ответственных за доставку кислорода к тканям, но и повышение энергетической эффективности дыхания в мозге в условиях недостатка кислорода (Э. С. Маилян, Л. Б. Буравкова, Е. А. Коваленко, 1983).

Данные, полученные б нашей работе также прямо свидетельствуют о возрастании эффективности энергетических процессов в клетках адаптированных к гипоксии животных, однако мы считаем, что это может происходить в значительной степени и за счет изменений физического характера, как, например, повышения диффузионного напора кислорода или сохранения ионных градиентов на мембранах, а не только биохимического.

Подтверждением такой точки зрения является то, что адаптация к гипоксии не приводит к резким изменениям содержания энергетических веществ в мозге. «Подъем» животных на высоту 7 км приводит к некоторым отклонениям от нормы содержания гликогена в печени, в то время как содержание макроэргов и глысогена в мозге остается без изменений.

С другой стороны, в настоящее время известно, что процесс синтеза свободной энергии АТФ является «весьма неэкономичным» (К. П. Иванов, 1972)—до 50% ожидаемой в результате окисления глюкозы энергии «расходуется» в виде энтропии в процессе окислеь..я. Следовательно, как говорят, «умной природе» нет смысла выходить из затруднительного положения исключительно путем переключения одного механизма «сгорания топлива» на яругой, или же путем усиления эффективности кислородного пути «сгорания топлива», гак как при этом автоматически должны возрастать энергозатраты. Поэтому, видимо, возможны и другие механизмы тканевой Адаптации. На это в определенной мере указывают результаты наших исследований, а точнее их биофизический аспект.

Лучше всего это можно увидеть нз результатов феноменологического анализа динамики напряжения кислорода в примембран-ной области нейронов контрольных и адаптированных к гипоксии животных. Феноменологическим анализом мы называем применение теории информации, термодинамики и кинетики при интерпретации полученных в эксперименте данных.

Результаты информационного анализа напряжения кислорода в нримембранной области нервных клеток свидетельствуют о значительных изменениях в молекулярной системе кислорода у адаптированных к гипоксии животных (табл. 3). Так, например, энтропия информации напряжения кислорода у контрольных животных б условиях нормы равна 4,21, а ее избыточность — 0,19. У адаптированных животных энтропия информации равна 3,67, т. е. ниже, чем в контроле, а избыточность — 0,30, т. е. выше, чем у неадаптированных. Далее, по мере развития гипоксии во время

подъема в барокамере до высоты 6 км, у контрольных животных энтропия информации постепенно снижается, а избыточность возрастает. В это же время у адаптированных животных наблюдается обратная зависимость: избыточность информации снижается, а энтропия возрастает. Затем при углублении гипоксии (па 8— 12 км) избыточность информации возрастает, а энтропия снижается как у контрольных, та'к и у адаптированных животных, причем у последних в большей мере. Так, у контрольных животных на 8 км избыточность информации равна 0,26, энтропия — 3,85, а на 12 км они становятся равными, соответственно, — 0,44 и 2,94. В случае адаптированных животных при гипоксии, соответствующей высотам 8—12 км, избыточность информации возрастает от 0,23 до 0,73, а энтропия снижается от 4,03 до 1,43.

Подобное изменение информационных показателей говорит о том, что надежность и работоспособность клеток мозга адаптированных к гипоксии животных еще до действия гипоксии значительно увеличиваются, по-видимому, за счет простой переориентации расположения (упаковки) молекул кислорода на прото-нлазматической мембране нервных клеток.

Таблица 3

Динамика энтропии (Н) и избыточности (/?) информации напряжения кислорода в примембранном слое нейронов коры головного мозга контрольных и адаптированных животных в норме и при гипоксии

Показатели информации

Высота < одъема> в барокамере, км до адаптации после адаптации

К Н И Н

0 0,19 4,21 0,30 3,67

2 0,25 3,94 0,31 3,61

4 0,37 3,29 0,27 3,81

6 0,41 3,06 0,20 4,17

8 0,26 3,85 0,23 4,03

¡0 0,34 3,41 0,40 3,13

12 0,44 2,94 0,73 1,43

В условиях острейшей гипоксии, соответствующей !2 км высоты, адаптационная роль системы транспорта кислорода практически резко ослабевает, но борьба клеток за жизнь некоторый период продолжается, и нет никакого сомнения в том, что в этом им помогает обнаруженная нами при помощи информационного анализа способность коры мозга создавать некоторые новые эероятностные отношения молекул кислорода со структурами

нейрона в качестве ответа на быстро нарастающую острую гипоксию. С точки зрения информационного анализа понятен и другой факт — увеличение содержания молекул кислорода в при-мембрэнной области нейронов, именно у адаптированных к гипоксии животных.

Как известно, в физико-химической среде, особенно к технических системах, с -ростом числа компонентов надежность и работоспособность уменьшаются. В биологических системах, все наоборот: увеличение числа компонентов приводит к возрастанию надежности и работоспособности живой системы. При этом с ростом количества компонентов флуктуации и всякие нежелательные колебательные процессы резко уменьшаются. Этим и объясняется, почему природа «сконструировала» столь сложную в химическом отношении протоплазму клеток (Л. Певзнер, 1977), уже само по себе «простое» возрастание уровня напряжения кислорода должно помочь клетке лучше сопротивляться гипоксии и другим экстремальным факторам, т. к. при этом сглаживаются его флуктуации, создаются более организованные потоки молекул кислорода, возрастают коэффициенты сродства, улучшается сама стехиометрия процесса транспорта кислорода в клетку и, в конечном итоге, значительно расширяются границы клеточного гомео-стаза. Все это должно способствовать облегчению синтеза внутренней (свободной> энергии клетки и без переключения одного энергетического режима на другой. В пользу этого говорят и данные по динамике свободной энергии, рассчитанной через константу равновесия (И. Клотц, 1964; Л. Певзнер, 1977).

Особенно наглядно новые энергетические возможности нейронов можно увидеть в крити- зских ситуациях. Так, например, у контрольных животных половина- всего кислорода в иримембран-ной области расходуется на высоте 10 км. Вычисленная ожидаемая в этих условиях трата нейронами свободной энергии оказалась равной 326,6 ккал/мин. У адаптированных к гипоксии животных этот показатель претерпел значительные изменения и оказался равным 138 кка,./мин. Сопоставление результатов определения свободной энергии в условиях глубокой и острой гипоксии показывает, что возможности энерготрат нейронов в виде свободной энергии у адаптированных к гипоксии животных почти в 3 раза выше, чем у контрольных. Следовательно, сдвиги электрических показателей протоплазматической мембраны, возрастание напряжения и снижение флуктуаций кислорода, изменение оксн-генотопографии способствуют значительному расширению резервных возможностей нейронов мозга и создают необходимые условия для повышения, энергетической эффективности дыхания.

К числу высокоактивных химических элементов, влияющих на физико-химические показатели нейронов и их структурно-морфологические компоненты относится йод, так как его ионы облада-

ют значительным сродством к различным компонентам прото-плазматической мембраны (Р. Р. Рачеа, Н. Д. Ещенко, 1975). Изменение содержания йода может оказать существенное влияние на функциональное состояние нервной клетки. К тому же имеются сведения о тесной связи ионов йода с процессами био-электрогенеза и с синтезом энергии в митохондриях (В. О. Мохнач, 1974; Р. Р. Рачев, Н.,Д. Ещенко, 1975; М. Бредбери, 1983). Речь идет о положительном (J+) и отрицательном (J~) ионах, на которые распадается молекулярный йод в водных растворах и биологических жидкостях (В. О. Мохнач, 1968, 1974). Источником положительного иона йода в организме являются также тиреоидине гормоны щитовидной железы (Я. X. Туракулов, 1963; Galton and, 1965).

Для объяснения механизмов химической трансформации ионов йода, а также оценки биологической роли атомов йода в структуре гормона большую роль сыграло открытие фермента йодпероксндазы (Keston, 1944), локализованного в апикальной части тиреоцита (Hosoya, 1963).

В нормальных условиях у контрольных животных внеклеточное содержание ионов J+ и над поверхностью нейронов мозга равнялось, соответственно, 2,30±0,15 и 53,3±0,68 мкг %, а у адаптированных к гипоксии— 10,0±0,56 и 62,6±0,66 мкг% (табл.4, 5).

Обработка полученных результатов методом вариационной статистики показала, что в примембранном слое нервных клеток адаптированных крыс происходит достоверное возрастание содержания ионов йода, что создает определенную разность концентрации: AJ+ — 7,70, a AJ- — 9,80 мкг %.

«Подъем» неадаптированных к гипоксии животных на высоты 2,4 и 6 км приводит в целом к снижению концентрации ионов J+ до 1,50±0,11; 1,70 + 0,10 и 1,20±0,09 мкг %.

В дальнейшем при углублении гипоксии происходит возрастание концентрации катионов йода. Та'к, на высоте 8 км содержа ие ионов J+ в примембранной области нейронов увеличивается и становится даже больше исходного значения — 3,00±0,15 мкг %. Затем при еще большей степени гипоксии концентрация катионов йода снижается и достигает значения 1,40±0,06 мкг % на высоте 12 км.

Изменение содержания анионов пода в примембранной области нейронов головного' мозга контрольных крыс в условиях гипоксии происходит в такой же последовательности.

На высотах 2 и 6 км концентрация анионов , йода снижается до 51,0±.0,83 и 50,0±0,88 мкг%. Дальнейшее углубление гипоксии сопровождается некоторым возрастанием концентрации ионов J~, и на высоте 8 км она составляет 52,0±0,95 мкг%. Высокая степень гипоксии (12 км и выше) вызывает уменьшение содержа-

ния анионов пода в ткани мозга до величины 25,0±0,77 мкг%, которую Р. Р. Рачев (1969, 1975) считает критической.

У адаптированных животных, как и у контрольных, в результате действия гипоксии в целом имеет место снижение концентрации ионов йода в прнмембранной области нервных клеток. Однако даже в условиях крайних степеней гипоксии (12 км и выше) у них сохраняется достаточно высокий уровень концентрации катионов и анионов йода — 4,00±0,25 и 42,6±0,83 мкг%.

Таблица 4

Динамика отрицательных ионов йода (/"") на поверхности коры головного мозга контрольных и адаптированных к гипоксии животных

Высота подъема в барокамере, км

Статистические параметры ионов йода, мкг%

контрольная адаптированная

группа. группа,

п=30 п = 30

Ма, т Ма2 | ^

Сравнительные величины Ма1 и Л1а2

Надеж- Досто

ность, верность,

и р<0,05

0 0,68 62,6 0,66 9,80 <0,05

2 51,0 0,83 59,0 0,62 7,69 0,05

4 47,5 0,82 57,5 0,63 9,71 0,05

6 50,0 0,88 61,5 0,38 11.9 0,05

8 52,0 0,95 59,8 0,77 6,39 0,05

10 48,0 0,96 53,3 0,76 4,34 0,05

12 45,0 0,95 52,0 0,82 5,60 0,05

более

12 25,0 0,77 42,6 0,83 15,6 0,05

Если проследить за изменением АЛ4* и ЛЛ~ в зависимости от степени гипоксии, то видно, что на высотах от 2 до 4 км имеет место нарушение синхронности в динамике АЛ- и ДЛ+: АЛ" — возрастает до 10 мкг%, примерно, в 1,2 раза, а ДЛ+, наоборот, снижается в 1,2 раза, достигая величины 5,4 мкг%. На высотах от 4 до 12 км эти изменения синхронны и носят колебательный характер.

Значительное увеличение ДЛ~ в условиях крайних степенен гипоксии на 12 км (17,6 мкг%) может свидетельствовать в пользу замедления процесса превращения анионов йода в катионы. Это, в свою очередь, может говорить о приспособительном подавлении функции щитовидной железы в организме адаптированных к гипоксии животных, гак как именно щитовидная железа осуществляет трансформацию анионов йода в катионы. В пользу «угнетенного» состояния щитовидно]"! железы свидетельствует

Таблица 5

Динамика положительных ионов йода (/+ ) на поверхности корм головного мозга контрольных и адаптированных к гипоксии животных

Высота «подъема» в барокамере, км Статистические параметры ионов иода, мкг% Сравнительные величины

контрольная группа, п=30 адаптированная группа, п = 30 надежность досто- верн. р<0,05

Ма ш (±) Ма т (±) & и <0,05

0 2,30 ■ 0,15 10,0 0,56 13,3 0,05 *

2 1,50 0,11 8,00 0,31 20,3 0,05

4 1,70 0,10 7,10 0,38 13,8 0,05

6 1,20 0,09 7,50 0,39 15,7 0,05

8 3,00 0,15 8,10 0,35 13,4 0,05

10 1,90 0,14 6,10 0,33 8.90 0,05

12 1,40 0,06 5,50 0,32 12,4 0,05

более

12 0,60 0,09 4,00 0,25 12,6 0,05

также и факт снижения Д.1+ до 4,10 мкг % у адаптированных

животных. Видимо, из-за приспособи.ельных изменении в шито-видной железе в организме крыс прекращается поток новых порций гормонов — носителей катионов йода в примембранную область нейронов мозга. Кроме того, в динамике ионов определенную роль, вероятно, может играть нарушение депортирующей способности ткани мозга, возможное в условиях острой гипоксии, ибо известно, что нервные клетки обладают способностью концентрировать тиреоидные гормоны в лнпцдах клеточных мембран с образованием катионов и анионов йода (П. А. Пашаев, Л. М Цо-фина, 1968; И. Тасаки, 1971).

В пользу возможности значительных изменений адаптационного характера в эндокринном органе свидетельствуют результаты определения ионов йода непосредственно в живой ткани щитовидной железы. Так, например, в условиях нормы в ? анях щитовидной железы контрольных животных концентрация катионов йода равна 7,50±1,Л0 мкг%, а анионов—146±1,00 мкг%. В щитовидной же железе адаптированных к гипоксии крыс найдена концентрация катионов йода в 8,3 раза меньшая (0,90± 0,40 мкг%), а анионов—в 1,2 раза большая (182±1,40 мкг%).

Причиной такого изменения концентрации ионов йода в щитовидной железе адаптированных животных может быть нигнбй рование под влиянием сеансов острой гипоксии активности фермента нодп'ерокендазы, осуществляющего трансформацию йодидоп

в йодаты в тканя^с щитовидной железы. Следовательно, факты возрастания концентрации анионов и резкого уменьшения содержания катионов йода говорят в пользу обратимого ингибирования фермент-субстратных процессов в структурах щитовидной железы адаптированных к гипоксии крыс, находящихся в условиях нормы.

Сделанные нами, на основании изменения концентрации ионов иода выводы о подавлении функции щитозидной железы у адаптированных животных хорошо подтверждаются и данными морфологических исследований (табл. 6).

Так, взвешивание щитовидной железы показало, что у адаптированных животных вес ее достоверно и резко уменьшается с 42,09±3,69 до 28,41 ±1,95 мг, т. е., примерно, в 1,5 раза. О подавлении функционального состояния щитовидной железы свидетельствует также изменение индекса Брауна, который у контрольных животных был равен 8,47±0,01, а у адаптированных — 9,96± 0,01. Возрастание индекса Брзуна, как известно, является признаком угнетения функциональной активности щитовидной железы.

Таблица 6

Изменение индекса Брауна и веса щитовидной железы у контрольных и адаптированных крыс

Вариацион-но-статистн- Индекс Брауна, - п—• 100 Вес щитовидной железы, мг, п= 12

ческ. показатели конгрольн. адаптиров. контрольн. адаптирован.

Ма

гп

а

{л

8,47 0.01 0,30

9,96 0,01 0,15 28,0

42,09 3.69 12,42

28,41

6,78 3,28

Среди различных форм биопотенциалов мозга наиболее полно его функции отражают суммарные медленные потенциалы, т. е. фактически электрокортикограмма. Некоторые исследователи считают, что основной вклад в суммарную электрограмму млекопитающих и человека вносят пирамидные клетки коры (Л. А. Новикова, 1978; М. Н. Жадин, 1984). Следовательно, регистрация медленной ритмической электрической активности коры дает возможность надежно контролировать функциональное состояние мозга и суммарно его нейронов — пирамидных клеток. Поэтому в одной из серии опытов для изучения реакции коры головного мозга на гипоксию йы воспользовались медленной ритмической электрической активностью мозга.

Влияние острой гнноксПи на электрическую активность мозга, особенно иа медленную ритмическую активность, исследовали ряд авторов. Особенно детально этот вопрос рассмотрен в работе Е. А. Коваленко и В. Б. Малкина (1962), в которой ими показано изменение типов электрической активности мозга интактных животных в условиях острой гипоксии. Однако действие гипоксии иа ЭКоГ контрольных и адаптированных -животных с учетом количественных характеристик биопотенциалов изучено недостаточно.

Проведенная нами серия опытов показала, что у контрольных крыс в условиях нормы стандартное отклонение (т) электрических потенциалов ЭКоГ равно 120 мкв, и на электрокортикограм-ме доминируют электрические ритмы, похожие иа бета и тета, аналогично с классическими ЭЭГ человека.

В условиях острой гипоксии у контрольных крыс имело место следующее изменение электрокортикограммы. На высоте 4 км значение т заметно увеличивалось и достигало 0,20 мв, а на ЭКоГ доминировали тета-ритмы. Установившиеся высокие значения т и тета-рнтмы сохранялись до высоты 8 км, затем происходило снижение т до значения 164 мкв, которое все еще. примерно, в 1,5 раза оставалось больше такового в условиях нормы. На высоте 10 км у контрольной группы животных значение т опять увеличивалось до 281 мкв, при этом наблюдалось резкое изменение в ритмике ЭКоГ крыс, доминировали дельта-ритмы, в некоторых случаях появлялись сверхмедлепиые волны синусовидной формы. При углублении тяжести гипоксии, соответствующей высоте 12 км, значение т становилось равным пулю. Полное и абсолютное угасание электрических волн коры мозга имело место на высоте 12— ГЗ км.

У адаптированных к гипоксии животных наблюдался совершенно другой ¡характер изменения ЭКоГ, чем у контрольных. В услопнях нормы у этом группы животных наблюдалось снижение величины т до 61 мкв. На электрокортнкограмме преобладали тега- и бета-ритмы. Начиная с высоты 2 км, на ЭКоГ домшг'ро-эали тета-рнтмы, а бета-ритмы совсем исчезали. Значение т по 1<ере нарастания тяжести гипоксии постепенно увеличивалось и Исходило до 165 мкв на высотах 5—6 км. При достижении гипок-нп, характерной для высоты 6 км, абсолютное значение т резко [адало до 13,3 мкв. При этом опять появлялись бета- и тет. рит-1ы, которые устойчиво регистрировались па протяжении всего альпейшего «подъема», т. е. до 14 км. Интересно отметить, что а высотах от 6 до 12 км на электрокортнкограмме мозга адап-фованных к гипоксии крыс не происходило изменения величины и типа ритмов. Только при крайне тяжелой гипоксии,' соответст-,нощей • высоте 14 км, значение т. адаптированных крыс резко шжалось. Итак, только очень глубокая--степень гипоксии, соот-тствующая высоте 14 км, вызывала стадию немых электриче-

С.ких волн, а затем быстро наступало полное биоэлектрическое молчание.

Динамика биоэлектрических потенциалов коры мозга контрольных и адаптированных к гипоксии крыс свидетельствует о возрастании степени синхронизации и стабилизации рабочих механизмов мозга адаптированных к гипоксии крыс, что в конечном итоге обеспечивает этим жнвотиым более высокую надежность и работоспособность даже в самых экстремальных условиях окружающей среды.

Значительное снижение стандартного отклонения ЭКоГ адаптированных крыс и последующее изменение их электрокортико-грамм в условиях острой гипоксии говорят о глубоких сдвигах в физико-химических свойствах нервных клеток, прежде всего проницаемости и сопротивления плазматических мембран. Резкое уменьшение амплитуды биоэлектрических потенциалов возможно лишь при снижении проницаемости н возрастании сопротивления мембраны клетки. Одним из механизмов этих изменений может быть возрастание дейодпрующен способности плазматической мембраны клетки. В результате этого структуры мембраны будут освобождаться от йодных радикалов, а уровень последних в межклеточном пространстве будет возрастать. Видимо, поэтому происходит значительное и достоверное возрастание йодид-йодат ионов в пркмембранной области нервных клеток адаптированных к гипоксии животных.

Итак, полученные нами результаты комплексного исследования свидетельствуют о том, что содержание йода в ткани мозга, возможно, регулируется двумя механизмами: йодпероксидазиой системой щитовидной железы и декодирующей способностью клеточных структур мозга.

Признаками адаптации животных к гипоксии, в условиях наших опытов, можно считать снижение активности йодпероксидазиой системы щитовидной железы и возрастание дейоднрующей способности ткани мозга.

Из литературы известно, что йод и его положительные ионы оказывают четкое разобщающее влияние на процессы окислительного фосфорилирования и дыхания (В. Петков, 1963; О. Димитров и др., 1973). Добавление молекулярного и положительного иона йода к инкубационной среде быстро приводит к набуханию митохондрий и разобщению окислительного фосфорилиропання и дыхания. Отрицательный же ион йода такого эффекта не дает.

■Различие в действии анионов и катионов йода объясняется тем, что на поверхности митохондрий преобладают отрицательные заряды, которые активнее взаимодействуют с катионами, чем с анионами. С другой стороны, Тасаки (1965) обнаружил быстрое исчезновение возбудимости мембраны аксона при перфузии гигантского аксона ка'льмара раствором йодистого калия.

Учитывая влияния катионов пода на набухание митохондрии и анионов пода на возбудимость мембраны, полученное в наших опытах возрастание содержания обеих форм йода в околомембранной области нейронов адаптированных к гипоксии животных приобретает адаптационно-гомеостатическин смысл. Так, возрастание содержания катионов над поверх-постыо клеток, возможно, предохраняет митохондрии от набухания и устраняет разобщающее влияние йода на окислительное фосфорилирование и дыхание. Возрастание же анионов может стабилизировать функциональное состояние целой клетки и тем самым способствовать снижению уровня энергоэнтропин нейронов. Конечно, окончательное решение этого вопроса требует внутриклеточного определения ионов йода в нейронах, по уже сейчас, исходя из динамики ионов йода в примембранной области нейронов адаптированных к гипоксии животных, видно, что она имеет адаптационное значение.

Итак, к числу обнаруженных на клеточном уровне факторов, можно отнести следующие:

1. Возрастание напряжения кислорода над клеточной поверх-юстыо в ткани мозга адаптированных к гипоксии животных при одновременном снижении высокочастотной флуктуации напряже-Н1Я кислорода на фоне возрастания ее низкочастотной фазы.

2. Общая стабилизация функционального состояния коры го-швпого мозга, признаками чего являются снижение частоты шнульсных разрядов отдельных нейронов и уменьшение стан-(артного отклонения электрокортикограммы на фоне преобладает тета-ритмов.

3. "Возрастание содержания катионов и анионов йода над кле-. очной поверхностью нейронов.

4. Качественные сдвиги в характере расположения молекул нслорода на клеточной поверхности, о чем свидетельствует ди-амнка избыточности и энтропии информации напряжения кисло-ода.

5. Улучшение общей оксигенотопографии клеток, о чем сви-етельствует заметное уменьшение «зон кислородного молчания» нервной ткани.

6. Увеличение свободной, энергии нейронов при одновремен-эм возрастании энтропии в окружающей клетку физнко-хи'шче-(ой среде.

Адаптационно-гомеоста,тические сдвиги отдельных органов в >рме и при гипоксии. Об адаптационно-гомеостатическом хана-ере явлений, обнаруженных на клеточно-тканевом уровне, зжно судить по изменению функциональных показателей отдель-.IX органов адаптированных к гипоксии животных. В этой связи 'льшон интерес представляют полученные нами результаты га-метрическнх исследований, т. е. изучение изменения концентра-и 02 и СОо в выдыхаемом воздухе в замкнутой емкости.

Пребывание и дыхиние крыс в замкнутой емкости в течение 45 минут, после предварительного привыкания к этим условиям в течение 15 минут, показало, что контрольные животные снижают концентрацию кислорода в этой емкости на 2,51% и повышают концентрацию СОг на 1,80%. У адаптированных к гипоксии крыс, за этот же период времени содержание 02 в замкнутой емкости снижается па 2,18%, а содержание С02 увеличивается на 1,87%.

Как видно, в случае адаптированных животных имело место более экономное расходование кислорода при пребывании и дыхании в замкнутой емкости в течение 45 минут. Это, в свою очередь, может свидетельствовать об уменьшении внутриклеточного потребления кислорода адаптированными к гипоксии животными. Результаты определения содержания кислорода в структурах нервных гканен, как отмечено выше, также говорят о замедлении транспорта кислорода в нейроны адаптированных к барокамер-иой гипоксии животных.

В связи с этим, представляло интерес сопоставить результаты общей газометрии, полярографического анализа и функционального сос ояния митохондрий.

Для этого нами были изучены изменения показателен дыхания выделенных митохондрий печени обеих групп животных. Известно, что именно митохондрии печени обладают очень высокой чувствительностью к неблагоприятным условиям среды (Н. К. Мази на, 1984).

Об окислительной и фосфорилирующей способности дыхательной цепи мы судили по скорости дыхания митохондрий в различных условиях. При изучении эндогенного дыхания митохондрий контрольных и адаптированных к гипоксии животных установили, что скорость поглощения кислорода митохондриями у контрольных животных выше, чем у адаптированных к гипоксиь, т. е. скорость дыхания митохондрий адаптированных животных снижается. Об этом говорит и удлинение времени жизнедеятельности митохондрий адаптированных к гипоксии животных в различных условиях среды.

Сопоставление результатов полярографических исследований, определения общего газообмена и дыхания митохондрий говорит о замедлении биологического окисления, что является отражением нового энергетического режима, установившегося в ответ на действие острой гипоксии и обеспечивающего функциональное состояние нейронов мозга адаптированных к гипоксии животных.

Особый интерес представляют изменения параметров сердца в условиях гипоксии. Объективным показателем функционального состояния сердечно-сосудистой системы, и в первую очередь миокарда, как известно, являются электрические параметры сердечной деятельности, которыми мы и воспользовались при изучении

динамики функционального состояния этого органа под влиянием гипоксии. Нам не удалось обнаружить достоверного различия между средними статистическими значениями частоты сердечных сокращений исследуемых групп животных на высотах от 0 до 12 км. У адаптированных к гипоксии животных отмечалась по мере подъема на высоты 2, 4, б н 8 км несколько большая частота сердечных сокращении. Это говорит о возможности более интенсивной работы сердца при гипоксии.

По мере барокамерного «подъема» на высоту 12 км частота сердечных сокращений постепенно снижалась у обеих групп животных. ¿днако у адаптированных животных на высотах 12 км и выше сохранялась более высокая частота сердечных сокращений, и они продолжались дольше (табл. 7).

Через 3—5 минут после «достижения» высоты 12 км, лз 30 животных сердечные сокращения регистрировались у 9 неадаптированных и у 19 адаптированных к гипоксии животных, что заслуживает очень серьезного внимания, т. х. четко показывает, что у адаптированных животных даже при крайних степенях гипоксии сердцебиение сохраняется дольше.

Таблица 7

Динамика сердечных сокращений по данным ЭКГ у крыс в корме и при гипоксии., п = 30

Высота Вероятностно-статистические параметры

«под-ье-ма> в барокамере, хм Контрольные жизотние Адаптированные'животные

Ма ш СУ * 1Д Ма т (±) су | 1д

0 291 17,4 32,6 299 18,2

2 290 17,3 — — 297 17,3

4 ' 258 17,9 38,0 1,32 280 22,3

6 257 17,7. — 261 18,5

8 194" 21,6. 60,8 3,50 201 . 22,4

10 187 20,2 — — 179 22,5

12 46,7 8,70 102 12,5 67,4 10,0

более «

12 14,0 3,70 142 15,6 47,8 8,50

33.2 31.8 43,4

38.6

60.7

68.8

81.3

0,09 0,66 1,48 3,40 4,10 ИД

97,3 12,5

Итак, анализ полученных нами данных показывает, что серд-,е обладает определенной устойчивостью по отношению к зна-нтельному снижению парциального давления кислорода во вды-аемом воздухе, которое на высоте 6 км становится равным, при-ерио, половине первоначального значения (159 мм рт. ст. я

74 ..г.м рт. ст.). Особо следует отметить, что основные изменения электрокардиограмм крыс начинают регистрироваться, начиная с высоты 6 км, и становятся все более выраженными по мере увеличения степени разрежения газовой среды, т. е. на начальных этапах гипоксии электрофизиологические показатели сердца находятся в состоянии, близком к норме, и только при очень глубокой гипоксии появляются признаки ухудшения функционального состояния данного органа. Таким образом, между явлениями, обнаруженными нами на клетке, и функциональной динамикой сердца контрольных и адаптированных животных существует определенная корреляционная связь, по крайней мере, в начальной и завершающей фазе гипоксии. Однако нельзя увязать прямо возрастание напряжения кислорода в межклеточном пространстве в условиях нормы с усилением функции сердца. Адаптационные сдвиги сердца, отраженные в показателях ЭКГ, вступают и дело несколько позже, когда организм животного попадает в условия глубокой гипоксии. В этой связи хочется еще раз отметить, что из всех показателей ЭКГ в наших опытах наибольшее значение, как нам кажется, имеет амплитуда ОЩБ, расстояние НБ-Т и особенно амплитуда зубца Т. Они являются носителями инфор -ации об адаптационных сдвигах в ткани сердца и его нарушениях при гипоксии. Очень важно, как нам кажется, обнаруженное нами у адаптированных к гипоксии животных укорочение НБ-'!, проявляющееся уже на высотах 3,5—4 км и меньшее повышение зубца Т на больших высотах. Данное явление, возможно, имеет приспособительное значение.

Подтверждением этого являются результаты регистрации ЭКГ диких млекопитающих Северного Кавказа, например, полёвок. Снежная полёвка практически не имеет границ высотного распространения в горах Кавказа. Об этом свидетельствуют наши опыты по изучению высотной выносливости снежной полёвки в условиях барокамеры на высотах до 7 км.

Сопоста1 :енне ЭКГ крыс и диких животных показывает, что у последних (ЗЯБ в 2—3 раза выше и короче по длительности, а КБ-Т почти слито. Это еще раз подтверждает, что именно увеличение амплитуды и укорочение ИБ-Т, возможно, являются признаками адаптационных сдвигов сердца животных.

О природе этих сдвигов говорит динамика энергии активации сердца в норме и при гипоксии (Тарусов Б. Н., 1968; Уильяме В., Уильяме X., 1976). Энергия активации «живых молекул» есть энергия, необходимая для преодоления сил отталкивания электронных оболочек при сближении реагирующих химических компонентов, т. е. представляет энергетический барьер для частиц, вступающих в химическую реакцию. В связи с этим определение энергии активации биологических процессов приобретает исключительно важное значение для изучения механизмов внут-

риклеточных и внутритканевых сдвигов, наступающих в живом организме в ответ на различные воздействия абиотических и биотических факторов окружающей среды.

В наших опытах энергия активации сердца контрольных животных в условиях нормы оказалась равной—1482 кал/моль, а у адаптированных — 446 кал/моль. Это» может свидетельствовать о том, что в ткани сердца адаптированных животных энергетический барьер реагирующих молекул стал в 3 раза меньше, чем у контрольных. Об адаптационном значении этого снижения говорит изменение энергии активации в условиях глубокой гипоксии. Так, на оЬ1соте более 12 км энергия активации сердц контрольных животных возрастала до 7382 кал/моль, а у адаптированных—768 кал/моль. Эти данные свидетельствуют о том, что в ткани сердца адаптированных к гипоксии животных даже в условиях острого дефицита кислорода энергетический барьер компонентов биохимических реакций удерживается на довольно низком уровне.

Сравнительный статистический анализ результатов частоты дыхания говорит о достоверных изменениях этого показателя в сторону снижения'у адаптированных животных в условиях нормы и его возрастания в условиях умеренной гипоксии у обеих групп животных, что в принципе совпадает с данными, имеющимися в литературе по изучению легочной вентиляции в условиях острой гипоксии (Г. А. Вакслейгер, 1978; И. С. Бреслав, В. Д. Глебовский, 1981 и др.). Возрастание легочной вентиляции животных в условиях гипоксии может иметь приспособительное значение, благодаря которому происходит некоторое увеличение поступления кислорода з легкие, но при этом имеет место снижение Рсо2 в альвеолах (В. Б. Малкин, Е. Б. Гиппенрейтер, 1977). Таким образом, возрастание частоты дыхательных движений способствует увеличению напряжения кислорода в системе транспорта и, в конечном счете, в межклеточном пространстве, что и подтверждают результаты определения кислорода в тканях.

Итак, полученные нами и имеющиеся в литературе данные говорят о том, что в органах кровообращения и дыхания в условиях острой гипоксии происходят разнообразные сдвиги адаптационно-гомеостатического характера..

Так как расход энергии, связанный с работой сердца и ле^ .»нх, у. ■ превышает 10—15% всего энергетического баланса организма (К. П. Иванов, 1972), то общий вклад этих органоз в совершенствование адаптационного потенциала организма, выраженный в энергетических единицах, будет недостаточным для обеспечения энергозатрат даже у адаптированных животных в условиях острой гипоксии или основного обмена.

Одним ;1з целесообразных способов снижения энергетических потребностей организма, видимо, является понижение температуры тела (К- П. Иванов, 1972). Так, у адаптированных к гипоксии

животных происходит достоверное снижение ректальной и подкожной температур на 4—6°С, т. е. характерной особенностью реакции животных на сеансы острой гипоксии является понижение температурных параметров отдельных органов.

У контрольных животных под влиянием гипоксии происходит в целом снижение ректальной температуры, а у адаптированных в условиях гипоксии ректальная температура еще больше снижается. Подкожная температура снижается в условиях гипоксии у обеих групп животных примерно одинаково: от 35,4±0,65°С до 30,0±0,39°С у адаптированных и от 3^,5±1,03 до 31,9±0,64°С у контрольных. В такой динамике температурных параметров есть определенный адаптационный смысл.

Так, например, при температуре 63°С время полураспада белка коллагена, по данным Sinex (по К. П. Иванову, 1972), равно 4,32 минутам, а при температуре 38° С устанавливается другое время полураспада — 215 лет! Из этого примера ясно, что тепловое возбуждение является причиной нестабильности живых объектов. В этой связи становится понятным, что понижение температуры может быть использовано организмом в качестве защиты от термодинамической нестабильности своей структуры в результате действия гипоксии. Именно это и проявляется у адаптированных к гипоксии животных —они в большей степени снижают температур тела под влиянием гипоксии. Контрольные животные снижают температуру тела медленнее, чем адаптированные. Видимо, это экстренная защитная реакция, обеспечивающая быстрый отвод тепла от внутренних органов, что очень важно в условиях крайней степени гипоксии, соответствующей 12 км высоты. Адаптационный смысл этих реакций подтверждается данными, имеющимися в современной биотермодинамике (В. Н. Гурин, 1980).

Полученные нами результаты показали, что приспособительные изменения обеспечиваются путем снижения теплообразования и повышения .еплоотдачи. Видимо, эта реакция, распространенная у крыс (В. Б. Малкин и др., 1982), имеет более общее значение и является характерной для многих животных. В пользу этого говорят результаты наших опытов на диких полёвках Северного Кавказа. Так, например, кустарниковая полёвка включает реакцию «сброса температуры», как правило, на высоте 8—10 км. Снежная же полёвка, не имеющая практически ограничения высотного распространения, способна, как показали опыты, включать реакцию «сброса температуры» уже на высотах 4—5 км.

Таким образом, результаты комплексного исследования говорят о том, что у контрольных и адаптированных к гипоксии животных в норме и при острой гипоксии происходят значительные изменения адаптационно-гомеостатического характера, затрагивающие все уровни биологической интеграции. Характерной осо-

енностыо всех этих изменепий| является выбор таких адаптаци-нных механизмов, которые в процессе функционирования не тре-уют больших затрат энергии. Это обеспечивается снижением или ыключением энергоемких процессов и прежде всего повышением иффузионного напора кислорода в ткани мозга и далее очень очным регулированием процесса синтеза свободной энергии. В аком случае динамика напряжения киблорода, обнаруженная в аших опытах, приобретает весьма существенное значение и опре-еленное физическое содержание.

Напомним тот факт, что молекула кислорода обладает явны-[и магнитными свойствами, и при генерации мембранного потен-,иала в клетках ее участие в этом процессе может быть и в ка-естве непосредственного накопителя заряда на участках струк-уры липиднЫх диэлектриков.

В специальной серии экспериментов производилась регистра-ия напряжения кислорода в различных фазах потенциала дейст-ия ннзкоомных нервных волокон седалищного нерва лягушки и дноклеточной пресноводной водоросли нителла флексилнс.

В опытах на изолированных нервных волокнах седалищного ерва лягушки полярографические волны кислорода снимались в остоянии покоя, во время потенциала действия и в период постановления исходного состояния нерва.

Вероятностно-статистический анализ динамики полррографи-ескнх волн кислорода, снятых во время покоя и при возбужде-ин нервных волокон, т. е. в условиях точного электрофизнологи-cckofo контроля функционального состояния объекта исследова-ия, показал значительное (в 1,6 раз) и достоверное уменьшено высоты иолярограммы кислорода во время потенциала дейст-ия нерва (табл. 8).

В другой серии опытов, где потенциал действия с нервных олокои подавлялся в самом начале, снижения Ро2 не наблюца-ось, наоборот, имело место некоторое его возрастание (табл. 8). входные данные получены нами на одиночной, изолированной летке нителлы при внутриклеточном положении микроэлектро-а. Все это вместе с данными по динамике Рог и ИЭА нейронов мозге при гипоксии говорит об очень тесной временной связи ежду электрическими потенциалами клеточной мембраны и наряжением кислорода. Аналогичную. точку зрения высказал еще 1960 году Конвей в. своей гипотезе, связывающей работу нат-иевого насоса с окислительно-восстановительным механизмом П. Conweay, 1960). Более того, в некоторых ранних работах есть анные о.количестве натрия, переносимого одной молекулой кисло-ода (A. Hodqkin, R. Keynes, 1954;'К. Zerahn, 1956). По данным тих авторов, через биологические мембраны перемещаются от до 18 ионов натрия на одну молекулу кислорода.

Таблица й

Изменение высоты полярографических волн кислорода при прохождении волны возбуждения по нерву, п = 21

Высота волны, см

Вероятностно- статнстнческие параметры В состоянии покоя При потенциале действия

Импульс При подавлении

Ма з ш Ь Р

5,69 1,64 0,35

3,64 1,16 0,23 5,10 '0,05

5,70 1,65 0,36 0,43 >0,05

Данные, полученные в этой серии экспериментов, способствуют лучшему пониманию природы наблюдаемых на нейронах адаптированных к гипоксии животных изменении напряжения кислорода и биоэлектрической активности. Действительно, по мере возрастания напряжения кислорода доля захваченных в «кислородной .ловушке» ионов натрия увеличивается на наружной поверхности нейронов. Следствием этого может быть снижение частоты импульсных разрядов, возрастание сопротивления клеточной мембраны и порога возбуждения клетки. Все это видим мы в наших исследованиях и частично содержится в работах других авторов (К. ОЫагопШь, 1961; В. И. Богомолец, 1978). Самое главное — в этих условиях возможно сокращение очень важной статьи расхода внутриклеточной энергии, идущей на поддержание ионного градиента, благодаря возможному облегчению нагрузки на биоэнергетические механизмы «натриевого насоса».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Одним из важнейших этапов исследования гипоксии является изучение ее особенностей на тканевом уровне. В этом направлении в последние десятилетия уже сделано достаточно много, и получены важнейшие результаты в самых различных областях биологии и медицины (Д. Любберс, 1969, 1980; Г. Тевс, 1962; В. Грюнвальд, 1966; Е. А. Коваленко, 1961, 1*987; В. А. Березовский, 1976; И. М. Эпштейн, 1972; К. Г1. Иванов, 1978; Ю. Я. Кис-ляков, 1979 и др.).

Вместе с тем возникла необходимость начать принципиально новый этап исследований в этом направлении, а именно, начать уже не эпизодическое, а систематическое изучение особенностей динамики кислорода непосредственно в отдельных клетках организма. По сути дела это важнейший конечный показатель кислородного снабжения организма, т. к. он зависит от всего комплекса средств доставки кислорода в организм, с одной стороны, а с другой — от интенсивности потребления кислорода клеткой.

Следовательно, для понимания интимных механизмов гипок-сических явлений в организме необходимо детальное изучение динамики функций в целом как интактных клеток, так и их отдельных компонентов в условиях нормы, гипоксии и при адаптации к дефициту 02.

Познание явлении живой природь, как известно, начинается с получения о них возможно более полной информации, которая служит исходным материалом для научных обобщений. Получение -такой информации позможно в основном- путем регистрации определенной системы сигналов в условиях эксперимента. В физиологических исследованиях прежде всего должен бить выбран способ регистрации сигналов, который давал бы требуемую информацию об изучаемом явлении.

Каждая система сигналов информирует лишь о какой-то одной стороне изучаемого явления. Сопоставление таких систем дает возможность обнаружить более общие свойства явления. Например, электрические потенциалы действия информируют о факте проведения нервного импульса по нерву, а их сопоставление с величинами' потребления нервом кислорода приводит к представлению об обменно-химической основе этого процесса.

Сопоставления функциональных и электрофнзиологических проявлений деятельности' клеток и тканей с обменно-химическимн процессами, если они зарегистрированы в отрыве друг от друга, недостаточно для понимания взаимосвязи функции, химизма н структуры исследуемых объектов. Поэтому с целью одномоментного учета функциональных, электрофнзиологических и структурно-химических процессов в нервных элементах А. Б. Коганом (1960, 1962), Л. -М. Гоголевой. (1'963), С. Л. Загуекнным (1963)

предложен комплексный метод, основанный на быстрой фиксации объекта в известном функциональном состоянии, контролируемом по электрическим показателям, и последующем его цитохимическом исследовании.

Однако цитохимические, сдвиги в нейронах могут сходить на нет, если их скорость больше скорости фиксации объекта. Поэтому дополнение комплексного электрофизиологоцитохнмического метода современным скоростным полярографическим анализом с высокой чувствительностью и разрешающей способностью придает принципиально новое качество всему направлению. В результате имеет место новый комплексный биоэлектрополярографиче-ский метод исследования, в котором сочетаются современные микроэлектродные электрофизиологические и скоростные полярографические способы определения кислорода, йода и других химических элементов.

Выполнение настоящей работы с помощью комплексного бно-электрополярографического метода позволило одновременно определить напряжение кислорода и содержание ионов йода над клеточной поверхностью нейронов мозга, а также контролировать функциональное состояние клетки мозга, регистрируя ее электрическую активность наряду с регистрацией общефнзиоло-гнческнх показателей организма.

Это дал нам возможность раскрыть некоторые конкретные и интимные механизмы адаптации нервных клеток к гипоксии.

Вопрос о том, за счет какого конкретного механизма неадаптированный организм и его клеточные структуры превращаются в адаптированные является в настоящее время главным, но и до конца неясным.

Как известно, при гипоксии происходит значительное усиление работы дыхательной мускулатуры и миокарда, делающее эту реакцию организма на дефицит кислорода весьма энергоемкой. Поэтому важным механизмом в приспособлении к гипоксии является достижение оптимального уровня затрат энергии (В. В. Хаскин, 1976). Для этого в животном организме в условиях гипоксии включается целый каскад приспособительных реакций: увеличение кровенаполнения и диффузионной поверхности легких, снижение сопротивления сосудистого русла (А. Хуртадо, 1963; Ван Лир, Стикней, 1967); усиление эритропоэза и кислородной емкости крови (3. И. Барбашова, 1963; В. И. Войткевнч, 1973; В. А. Исабаева, 1975); качественные сдвиги в биоэнергетических системах (3. И. Барбашова, 1970; Ф. 3. Меерсон и др., 1979); значительное снижение энергетики мышечного сокращения (Ю. И. Баженов, 198С) и др.

Результаты проведенных нами исследовании позволяют высказать предположение, что одним из физиологических механизмов универсального принципа экономии энергетических ресурсов ор-

г.чнизма при гипоксии является снижение энергетики генераторно-электрических функции плазматических мембран клеток, в частности нейронов коры мозга, конкретными исполнительными механизмами которого могут быть факты, полученные в настоящем исследовании на различных уровнях биологической интеграции.

ВЫВОДЫ

1. На основе дифференциальной осцнллографической полярографии .и микроэлектродной электрофизиологнческой техники разработан и предложен комплексный бноэлектрополярографнче-скнй метод синхронной регистрации импульсной электрической активности, напряжения кислорода и содержания ионов иода на поверхности нейронов коры головного мозга.

2. Признаками адаптации к гипоксии нейронов коры мозга являются возрастание напряжения кислорода и концентрации ионов йода на поверхности нейронов, снижение высокочастотных и розрастание низкочастотных флуктуаций Ро2 в примембранной области нейронов.

3. Установлена закономерная зависимость между Ро2 и ИЭА нейронов у контрольных и адаптированных животных в нормальных условиях и при развитии острой гипоксии: возрастание Ро2 сопровождается снижением ИЭА и, наоборот, снижение Ро2 сопровождается. повышением ИЭА.

4. Особенности динамики напряжения кислорода и импульсной электрической активности нейронов в условиях гипоксии, а также потенциала действия нервных волокон и растительных клеток нителлы в норме н при возбуждении свидетельствуют о прямом участии молекул кислорода в осуществлении генератор-но-электрических функций плазматических мембран живых клеток.

5. При тренировке животных к гипоксии происходит закономерная адаптационная перестройка оксигенотопографии: уменьшение зон с низким напряжением кислорода как в нейронных структурах, так и в глии коры головного мозга.

6. Признаками адаптации к острой гипоксической гипок т у крыс являются снижение концентрации катионов и возрастание концентрации анионов йода в ткани щитовидной железы, а также возрастание индекса Брауна и снижение веса щитовидной железы адаптированных животных.

7. Результаты полярографического исследования Рог, определения общего газообмена и снижения скорости дыхания мито-

(

хондрий при гипоксии говорят о возможности сохранения и повышения диффузионного напора молекул кислорода в межклеточном пространстве у адаптированных к гипоксии животных.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Разработанный и апробированный нами комплексный био-электрополярографический метод, позволяющий одновременно регистрировать напряжение кислорода, импульсную электрическую активность и концентрацию ионов йода на поверхности отдельных нейронов может быть основой при серийном выпуске принципиально новых приборов для фундаментального изучения биоэлектрических и биоэнергетических функций клеток.

2. Широкое использование комплексного биоэлектрополяро-графического метода в медико-биологических исследованиях позволит получить значительный экономический эффект в результате сокращения при проведении научно-исследовательских работ числа подопытных животных, ценных материалов и рабочего времени экспериментаторов.

3. На основе' разработанной нами технологии изготовления металлических микроэлектродов из платины возможно решение вопроса о лромышленном производстве стандартных микроэлектродов для исследовательской работы с использованием клеточной полярографии.

4. Принцип импульсного режима адаптации к гипоксии может быть рекомендован для применения в медицине, животноводстве, спорте в качестве эффективного способа ускоренного повышения адаптационного потенциала человека и животных.

5. Результаты и методы настоящей работы могут быть использованы для эффективного исследования механизмов влияния физических, химических и климато-географических факторов на живые объекты любого уровня биологической интеграции.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Шаов М. Г. Динамика напряжения внутриклеточного кислорода при возбуждении клетки пнтеллы.— Биологические науки, М., 1968, № II, с. 129— 131.

2. Шаов М. Т. К изучению динамики напряжения кислорода при различных фазах потенциала действия в клетке нителлы методом мнкрополярогра-фпи. — В хн.: Географическая среда и здоровье населения. — Нальчик, 1970, с. 97—98.

3. Шаов М. Т. Внутриклеточная и внеклеточная микрополярография кислорода в пнтелле при разном уровне дыхания. — Тезисы докладов 2-го Все-союзн. .с'нмпоз.— Киев, 1972, с. 123—124.

4. Шауцукова Л. К-, Урусова С. X., Шаов М. Т. Исследование всасывания йода через кожу методом осциллографической полярографии. — Материалы научной конференции, поев. 50-летню образ. СССР. — Нальчик, 1973, с. 12—15. . .

5. Шауцукова Л. К., Шаов Л\. Т., Урусова С. X. Определение катодно-анодных волн брома методом осциллографической полярографии. — Материалы научной конференции, поев. 50-летию образ. СССР. — Нальчик, 1973, с. 16—17.

6. Шаов Л\. Т. Микрополярографнческая регистрация динамики напряжения кислорода в клетке. —/Материалы научной конференции, поев. 50-летию образ. СССР.— Нальчик, 1973, с. 18—19.

7. Габараев Г. Г., Шаов М. Т. Изменение содержания брома в крови и цереброспинальной жидкости при острой черепно-мозговой травме. — Сб. ст. «Актуальные вопросы нейрохирургии и неврологии». — Ростов-на-Дону, 1975, с. 176—178.

8. Габараев Г. Г., Шаов М. Т. Изменение содержания пода в крови и цереброспинальной жидкости при острой чер. лно-мозговой травме. — Сб. ст. «Актуальные вопросы нейрохирургии и неврологии». — Ростон-на-Дону, 1975, с. 178—180.

9. Габараев Г. Г., Шаов М. Т. Динамика напряжения кислорода в .крови и цереброспинальной жидкости при острой черепно-мозговой травме. Сб. ст. «Актуальные вопросы нейрохирургии и неврологии». — Ростов-на-Дору,

1975, с. 180—182.

10. Шауцукова Л. К., Урусова С. X., Шаов М. Т. Исследование всасывания йода через кожу у больных ревматоидным артритом методом осциллографической полярографии. — Сб. ст. «Исследование механизма влияния бальнеологических факторов на регулирующие системы организма». — Нал* -ик,

1976, с. 49—53.

11. Шауцукова Л. К-, Шаев М. Т., Урусова С. X. Исследование всасывания брома через кожу у больных ревматоидным артритом методом осциллографической полярографии.—Сб. ст. «Исследование механизма влияния бальнеологических фактороз на'регулирующие системы организма». — Нальчик, 1976, с. 54—57.

12. Шауцукова Л. К., Шаов М. Т., Урусова С. X. Исследование динамики напряжения кислорода в upoBji у болышх ревматоидным артритом методом осциллографической полярографии. — Сб. ст. «Исследование механизма влияния бальнеологических факторов на регулирующие системы организма». — Нальчик, 1976, с. 58—60. ' '•'.•,>•'

!3. Шаов М. Т. Исследование содержания йода в гомогензте щитовидной железы под влиянием минеральной воды «Долинск-1», Сб. ст «Исследование мехг.иизма влияния бальнеологических фгктороь на регулирующие .системы организма». — Нальчик, 1976, с. 69—71.,

14. Шаов М. Т. Динамика напряжения кислорода при различных фазах воз- ,

буг<денчи нерва. — Тез. док. XIX научной конференции физиологов Юга РСФСР.— Нальчик, 1977, т. I, с. 68—69.

15. Шаов М. Т. Динамика информационных показателей напряжения кислорода п примембранном слое нейронов головного мозга. — Тез. док. Всесоюзн. конферен. по биологической и мед. кибернетике, М., 1978, т. 11, с. 328— 332.

16. Шаов М. Т. Исследование напряжения кислорода на мембране нейрона методом дифференциальной осциллографической полярографии. — Тез. док. к Всесоюзн. конф. но проблеме взаимодействии дыхания, кровообращения и эритрона...— Барнаул, 1973, ч. 111, с. 59.

17. Шаов М. Т., Воронова Л. Г. О динамике кислорода в клетках головного мозга при адаптации к гипоксии. — Сб. «Цитохимические и биохимические исследования в эксперименте и клинике». — Нальчик, 1979, с. 79.

18. Шаов М. Т., Воронова Л. Г, О функциональном значении флуктуацнй кислорода клеток мозга при гипоксии. — Тез. док. «Спец. и клинич. физиология гипокснческих состояний». — Киев, 1979, с. 172—174.

19. Шаов М. Т., Воронова Л. Г. Исследование реакции нервных клеток на гипоксию с помощью осциллополнрографии и ннформационио-термодннами-ческого анализа. — Сб. «Фауна, экология и охрана животных Северного Кавказа». — Нальчик, 1979, с' 178—187.

20. Шаов М. Т. Влияние гипоксии на электрофизиологические свойства сердца.— Сб. «Фауна, экология и охрана животных Северного Кавказа».— Нальчик, 1980, с. 82—100.

21. Шаова Л. Г., Шаов М. Т., Дзуева Т. А. Изменение энергетических показателен ;.<1'пого организма под влиянием пестицидов. — Сб. «Фаун.1, экология и охрана животных Северного Кавказа». — Нальчик, 1980, с. 177—178^

22. Шаова Л. Г., Шаов М. Т., Дзуева Т. А. Энергетические показатели организма микромаммалия как индикатор химического загрязнения окружающей среды. — *"б. «Грызуны». М., 1980, с. 461—462.

23. Шаов М. Т. Динамика напряжения кислорода и электрической активности клеток мозга в норме и ири гипоксии. — Патологическая физиология и экспериментальная терапия. А^., 1981, с. 22—26.

24. Шаов М. Т. Особенности кислородного режима и биоэлектрической активности клеток .мозга крысы при адаптации к гипоксии. — Тез. док. VII Всес. конф. по косм, медицине. — М., Калуга, 1982, с. 150—151.

25. Шаов М. Т., Шаова Л. Г., Кушхов А. М. Реакция биоэлектрических потенциален нерва на содержание пестицидов в окружающей среде. Сб. «Проблемы горной экологии». — Нальчик, 1982. с. 102—105.

26. Шаов М. Т. Некоторые приспособительные изменения клеток мозга при гиг.оксин,— VIII Всес. конф. по коемнч. биологин и медицине. — "алуга, 1985, с. 302- 403.

27. Ненашев А. А., Тхазаплижев X. X., Шаов М. Т., Тнщенко И. М. Исследование воздействие значительаых и частых перепадов барометрического давления на работниц. — Гшиеничсские аспекты охраны окружающей среди.— Ростов-па-Дону, 1986, с. 20.

Шерхов X К., Шаов М. Т., Шерхова X. И. Комплексное изучение влияния гипоксии на щитовидную железу.—X Всесоюзн. съезд лнатомов, гистологов и эмбриологов.— Винница, 1986, с. 390—391.

29. Шаов М. Т. О биоэнергетических механизмах гомеостаза клеток мозга при гипоксии,—Сб. «Гомеосгая и надежность бноснстем».— Киев, 1987, с. 80—84.

30. Шаов М. Т. Изменение содержания ионов пода в ткани мозга крыс п .норме и при гипоксии.— Физиологический журнал СССР. — Ленншрад, 1987

(в печати)

31. Шаое М. 1., Альботов А. X. К. проблеме изучения мш;роэзхиоцин и адаптации мелких млекопитающих биофизическими методами. — Экология и охрана горных видок млекопитающих.— М.. \Н СССР, 1987, с. 196—197.