ВВЕДЕНИЕ

 

Актуальность проблемы.  Здоровье населения представляет собой интегральный показатель качества окружающей среды  и систем жизнеобеспечения. Состояние здоровья и болезни людей рассматриваются как индикатор экологического риска территории /352/.  Поиск критериев, быстро и адекватно оценивающих состояние здоровья людей – задача первостепенной важности. Вместе с тем, по общему  признанию, проблема критериев оценки здоровья популяций или групп людей еще далека от разрешения /5,6,76,97,98,125,270,296/. Общественное здоровье называют даже «мифом», так как оно не может быть  измерено.

Решение этой проблемы особенно актуально в современных условиях, когда жители нашей страны испытывают на себе последствия социально-экономических изменений, экологического кризиса, войн, катастроф. Не теряет значимости эта проблема и в связи с освоением территорий с неадекватными условиями. Остро стоит вопрос об уровне здоровья населения при оценке эффективности деятельности Вооруженных Сил (сохранение работоспособности личного состава в условиях воздействия неблагоприятных антропогенных и природных факторов) /149,174/.

С точки зрения оценки систем жизнедеятельности человек рассматривается как объект,  подвергающийся внешнему воздействию, среда – как источник влияния на его организм различных факторов (источник адаптационной нагрузки), организм - как  подвижная саморегулирующаяся система, способная перестраиваться на уровень функционирования, адекватный новым условиям среды, испытывающая состояние адаптационного напряжения.   С точки зрения физиологии адаптация – процесс поддержания такого функционального состояния гомеостатических  систем и организма  в целом, которое обеспечивает его сохранение, развитие, работоспособность,  максимальную  продолжительность жизни в неадекватных условиях среды /73,98/.

Разная степень напряжения физиологических функций в ответ на внешнее воздействие, лежащая в границах физиологической нормы, предшествует развитию в организме патологических состояний. Где граница этого перехода в патологию сказать пока невозможно. «Ничейная зона», лежащая между здоровьем и болезнью, нормой и патологией, и по сей день служит поводом для острых дискуссий. Для установления порогов вредного действия факторов (порогов безопасности) необходимо применять интегральные показателей, направленных на всестороннее изучение реакций организма на различных структурно-функциональнных уровнях.

На сегодня практически единственным надежным признаком предболезни является ее переход в клинически очерченную форму. Но этот признак непригоден для практического использования. Патологические изменения в организме наступают медленно, порой неуловимо даже при плановой диспансеризации. Медицина получает в качестве пациентов людей, которые не смогли адаптироваться к условиям среды. Она решает задачи восстановления здоровья и не может быть звеном обратной связи в системе «человек-среда»: слишком велико запаздывание сигнала неблагополучия – он подается не до, а после выхода системы из строя.

Используемые критерии  здоровья населения,  такие,  как заболеваемость,  рождаемость,  смертность слишком инертны и характеризуют лишь последствия неблагополучия, и,  следовательно,  не могут использоваться  для оперативного управления организацией  систем жизнедеятельности.

Адаптация является сущностью здоровья и болезни, физиологического и патологического в жизнедеятельности организма /48/. Призывы различать адаптационные и предпатологические сдвиги сегодня бесплодны, так как не существует надежных методов для этого, поскольку так называемые патологические нарушения – это в значительной степени именно приспособительные изменения.

Вопрос об оценке здоровья здоровых людей сводится к вопросу об оценке степени адаптационного напряжения организма на индивидуальном уровне и групп людей на популяционном уровне. Невозможно «управлять здоровьем» без наличия его критерия, без возможности сравнительной оценки «более здоровых» и «менее здоровых». Если «более здоровый» – это более адаптированный человек (популяция), то необходимо иметь метод сравнения популяций по степени адаптированности к условиям среды. Именно анализ популяционно-экологических аспектов адаптации ведет к пониманию здоровья через состояние адаптационного напряжения и адаптированности.

Разработка методов  оценки здоровья по степени адаптированности к условиям окружающей среды связана с трудностями, обусловленными прежде всего отсутствием в медицине и биологии общепринятой теории адаптации. Несмотря на универсальное использование, понятие «адаптация» до сих пор не имеет общепринятого определения. Существующие подходы к созданию теории адаптации  не имеют сколь-нибудь формализованного описания, базируются, в основном, на физиологическом уровне понятий. Существующие модели адаптации, использующие, как  правило,  методы оценки конкретных физиологических функций, представляют собой разрозненное множество.

Для создания унифицированного  метода необходимо, во-первых, определить  какие показатели позволяют судить об адаптационных возможностях организма, во-вторых, найти способ обработки этих показателей для получения количественной оценки адаптационных возможностей и состояния адаптационного напряжения и построения  модели адаптационного процесса. Математические критерии и методы математической обработки данных разработаны в основном для отдельных видов адаптационной нагрузки и для конкретных физиологических систем, крайне мало информации о математическом моделировании неспецифических реакций на изменение условий существования. В то же время имеется хорошо разработанный математический аппарат теории эволюции  и  математической экологии, который  фактически не применяется для анализа физиологических данных, которые собираются путем проведения  выборочных исследований /300/. Основные закономерности адаптационного процесса удается выявить на уровне статистических показателей. В /27,35,59,65,105,136,164,171,285,304,305/ показано, что наиболее чувствительны к изменению адаптационного напряжения не значения самих показателей, а степень их взаимосвязи. 

Таким образом, проблема популяционной оценки состояния здоровья не может быть решена без решения проблемы измерения степени адаптированности популяций. В настоящее время комплексных критериев адаптационного напряжения популяций нет /49,124,199,200/. Необходимо рассматривать общие механизмы адаптации, отвлекаясь от специфики каждого конкретного адаптогенного фактора /140/. Специфика лишь меняет соотношение и выраженность этих механизмов. Задача – формирование интегральных характеристик, позволяющих по данным тестовых испытаний оценить физиологические резервы организма.

Актуальна проблема распознавания патологических состояний на ранних стадиях. Своевременная информация об адаптационных перестройках, которые могут повлечь за собой срыв адаптации (болезнь) необходима для проведения эффективных профилактических мероприятий /2,24,202,150/.

Таким образом, актуальна  задача  создания количественного  индикатора, отражающего  меру  напряженности адаптивных процессов. Несмотря на применение самых современных  способов измерения физических, химических свойств биологических объектов, найти такой параметр для оценки здоровья не удавалось. Идет поиск комплексных   интегрированных показателей состояния здоровья, позволяющих ранжированно сравнивать состояние здоровья  отдельных коллективов /225,235,241/

Цель и задачи исследования. Целью работы явилась  разработка,  теоретическое обоснование и апробация метода сравнительного анализа популяций и групп людей по степени адаптационного напряжения (корреляционная адаптометрия).

В связи  с  этим поставлены следующие задачи:

1.     Выявление  и доказательство эффекта группового стресса, заключающегося  в  том, что в ходе процесса адаптации степень скоррелированности  между  физиологическими показателями выше, чем в адаптированном состоянии

2.     Теоретическое  объяснение эффекта группового стресса и выявление границ  его существования.

3.     Развитие системы моделей взаимодействия организма со средой «факторы-ресурсы» с учетом различной организации систем факторов.

4.     Построение метода корреляционной адаптометрии  для сравнительной оценки адаптационного напряжения популяций или групп людей.

5.     Построение простейшей модели адаптационного сдвига параметров, не противоречащей имеющимся данным.

6.     Отработка  метода корреляционной  адаптометрии на конкретных медико-биологических  задачах: исследование адаптационного напряжения в экстремальных условиях; исследование патологических процессов разной тяжести.

7.     Количественная оценка степени интеграции функциональных систем, резервных возможностей организма при действии дозированных нагрузок. Выявление точек максимальной интеграции подсистем при нагрузочных тестах.

Научная новизна:

1.     Выделен как эффект рост скоррелированности физиологических параметров при увеличении адаптационной нагрузки на популяцию и группу людей, названный эффектом группового стресса.

2.     Проведен сравнительный  анализ процессов  микроэволюции, сукцесси,  адаптации и на основании их параллелелизма построены теоретические основы моделирования  адаптационных процессов с  помощью моделей «факторы-ресурсы».

3.     Построена  система  моделей «факторы-ресурсы»  для различных способов организации систем факторов.

4.     Показано,  что эффект группового стресса  является адаптационным  аналогом (гомологом) проявлений эколого-эволюционного  принципа полифакториальности.

5.     Разработан метод сравнения популяций (групп людей) по степени адаптированности, названный корреляционной  адаптометрией

6.     В результате изучения кластерной структуры данных исследован и описан возможный механизм повышения корреляций.

7.     С помощью метода корреляционной адаптометрии исследован процесс адаптации к воздействию либиховской и синергичной систем факторов.

8.     Предложена последовательность усложняющихся моделей и показано, что непротиворечивой является модель однофакторного сдвига параметров в результате увеличения адаптационной нагрузки.

9.     Предложен способ количественного исследования интеграции подсистем функциональных систем при выполнении нагрузочных тестов.

10. Рассмотрено влияние заболеваний на структуру факторов и на скоррелированность физиологических параметров. Полученным результатам дано теоретическое объяснение с помощью модификации модели факторы-ресурсы, предложены способы использования результатов в медицинской диагностике и в немедицинских областях.

На защиту выносятся:

1.     Выявление эффекта группового стресса, состоящего в повышении скоррелированности физиологических параметров при росте адаптационной нагрузки.

2.     Теоретическое объяснение эффекта группового стресса при помощи эколого-эволюционного закона о моно- и полифакториальности: адаптация ведет от монофакториальнности, т.е. лимитирования одним фактором или небольшим их числом, к полифакториальности – к выравниванию большого числа факторов.

3.     Система  математических моделей  «факторы-ресурсы» для различных способов организации систем факторов и моделирование на их основе процесса адаптации.

4.     Метод корреляционной адаптометрии  для  оценки адаптационного напряжения, в основе которого лежит  сравнение популяций (групп) по числу действующих факторов.

5.     Модель однофакторного сдвига параметров в результате увеличения адаптационной нагрузки.

6.     Факт отсутствия кластеризации данных при усилении адаптационной нагрузки: увеличение корреляций происходит не за счет образования кластеров, а за счет увеличения эффекта монолимитирования.

7.     Результаты применения   метода корреляционной адаптометрии к конкретным медико-биологическим проблемам.

Практическая значимость. Метод корреляционной адаптометрии позволяет сравнивать популяции или группы, находящиеся в различных условиях существования или производить анализ одной популяции или группы людей при изменении этих условий. С его помощью можно выявлять критические (пороговые) ситуации, которые могут привести к срывам, а значит, улавливать «пороги безопасности» при изменении внешних факторов.

Возможно производить сравнение не только популяций здоровых людей, но и групп людей, находящихся на разных стадиях патологического процесса. Применение метода корреляционной адаптометрии к оценке эффективности лечения различными лекарственными препаратами, к прогнозированию уже в период срочной адаптации сравнительного уровня заболеваемости в период долгосрочной адаптации  может быть рекомендовано к широкому использованию в практических исследованиях.

Эффект группового стресса носит универсальный характер и имеет общенаучное значение, поэтому построенный на его основе метод корреляционной адаптометрии может быть применен и уже начал применяться не только в медицине и физиологии, но также в биологии, психологии, растениеводстве, животноводстве, лесоводстве.

Результаты исследований использованы в комплексе клинико-диагностических мероприятий в лечебных учреждениях г.Красноярска, г.Норильска, Институте медицинских проблем севера СО РАМН, Краевом онкологическом центре, Краевом гарнизонном госпитале. Кроме того, они использованы  при профилактических осмотрах   для оценки состояния здоровья в Сибирском государственном технологическом университете (г.Красноярск), Университете дружбы народов (г.Москва), при оценке степени тренированности сборной Красноярского края по лыжным гонкам. Метод корреляционной адаптометрии используется для исследования сельскохозяйственных животных на кафедре хирургии и патанатомии Красноярского государственного аграрного университета.

Апробация работы  и публикации: Основные результаты работы докладывались на Всесоюзной конференции «Бионика и биомедкибернетика» (Ленинград, 1986); Всесоюзной конференции «Актуальные вопросы развития здоровья и профилактики заболеваний в детском возрасте в условиях Сибири, Крайнего Севера и Дальнего Востока» (Красноярск, 1987); Всесоюзном симпозиуме «Особенности липидного обмена в условиях Сибири и Дальнего Востока с учетом бытовых и пищевых факторов» (Чита, 1987); Всесоюзной школе-семинаре «Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования» (Ростов-на-Дону, 1987); 2-й Всесоюзной школе-семинаре «Экология развития» (Юрмала, 1988); Всесоюзном семинаре «Информатика и медицинские данные» при Всесоюзном обществе информатики и вычислительной техники (Москва, 1990); Всесоюзной школе «Молекулярно-клеточные  механизмы гомеостаза и проблемы математического моделирования» (Шушенское, 1990); Семинарах  теор. отдела Института экспериментальной и клинической медицины СО РАМН (Новосибирск, 1991, 1998); Всесоюзном симпозиуме «Эколого-физиологические проблемы адаптации» (Красноярск,  1991); 1-ой Региональной научно-практической конференции «Человек и среда» (Красноярск, 1992); Международном конгрессе «Окружающая среда для нас и будущих поколений: экология и бизнес в новых условиях» (Красноярск, 1993); Красноярской городской конференции «Проблемы информатизации города» (Красноярск, 1995); VI, VII, VIII, IX Всероссийских симпозиумах «Гомеостаз и окружающая среда» (Красноярск, 1995, 1996, 1997, 1998); Межрегиональной конференции «Проблемы информатизации региона» (Красноярск, 1996);  IV  Международной конференции «Математика, компьютер, образование» (Москва-Пущино, 1997); Первом Всероссийском семинаре  «Моделирование неравновесных систем» (Красноярск,  1998); IV Всероссийской конференции с международным участием «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности» (Санкт-Петербург, 1999); Первом Всесибирском конгрессе женщин-математиков (Красноярск, 2000).

Результаты работы использованы при подготовке диссертаций докторов медицинских наук В.Т.Манчука,  Р.А.Белоусовой, Г.Н.Светличной.

Под руководством автора подготовлены и защищены 3 кандидатские диссертации:

·        Мансуров А.С.  “Адаптация человека к воздействию синергичной  системы факторов (послеоперационная реабилитация онкологических  больных”,  1995г.);

·        Покидышева Л.И.  “Оценка  степени интеграции функциональных систем  при нагрузочных тестах”, 1996г.);

·        Чеусова  Е.П. “Корреляционные  сдвиги при адаптации:  моделирование и кластер-анализ”, 1997г.).

По материалам диссертации опубликована 61 работа.

Структура и объем работы. Диссертационная работа  изложена на 275 страницах машинописного текста и состоит из введения, 6 глав, заключения, выводов и списка литературы (371 источник, в т.ч. 123 -  на иностранных языках), содержит 11 таблиц, иллюстрирована 65 рисунками.

Содержание работы. В первой главе проводится обзор основных результатов по рассматриваемой тематике. описаны общие закономерности адаптации. Особое внимание уделяется общезащитной, неспецифической реакции организма на изменение условий существования. Для понимания направления изменений (здоровье Þ адаптация Þ патология или адаптация Þ здоровье) необходимо иметь данные об уровне функционирования  систем, о физиологических резервах регуляторных механизмов и о степени напряжения  регуляторных систем. Степень адаптационного напряжения характеризует «цену адаптации» организма к условиям окружающей среды. Переход от здоровья к болезни представляет собой процесс постепенного повышения этой  цены. Здоровье населения представляет собой интегральный показатель  качества окружающей среды  и систем жизнеобеспечения, оно является функцией многих переменных. Решение проблем его оценки немыслимо без системных исследований с привлечением методов математического моделирования. Приводятся встречающиеся в литературе подходы и методы количественной оценки влияния различных антропогенных факторов окружающей  среды на человека и животных. Показано, что идет поиск универсальных показателей ранних неблагоприятных последствий экстремальных воздействий. Показателей, изменение которых не зависит от вида, пути, времени воздействия тех или иных факторов. Наличие противоположных мнений по этому вопросу  подчеркивает его нерешенность и актуальность.

Отмечается важность создания комплексных критериев адаптационного напряжения, необходимость создания новых средств  осуществления мониторинга человеческих популяций. Существует большое разнообразие подходов к оценке адаптированности к условиям окружающей  среды. Большей частью в  предлагаемых математических методах используются значения отдельных физиологических  показателей, моделируется реакция организма на конкретный вид воздействия. Вместе с тем, многие  авторы  пишут о  необходимости создания критерия  по совокупности показателей, изменение которого не зависит от вида, пути, времени воздействия тех или иных факторов.

Вторая  глава посвящена описанию эффекта, названного  нами эффектом группового стресса.

Более десяти лет назад был обнаружен поразивший нас эффект, проявляющийся в группах и популяциях, находящихся в тяжелых условиях существования.

Применение корреляционного анализа при сравнительном изучении липидного обмена у новорожденных в средних широтах  Сибири  и на Крайнем Севере (у пришлого населения) позволило выявить следующий эффект, названный нами «эффект группового стресса»: при ухудшении условий существования, их резкой смене, т.е. в ответ на адаптационную нагрузку, в популяциях и группах возрастают корреляции между физиологическими параметрами, одновременно растет и их разброс (дисперсии). В адаптированном же состоянии корреляции ниже и дисперсии меньше. В названии эффекта отражается неспецифический (стресс) и групповой характер этой реакции.

Этот эффект был подтвержден на обширном экспериментальном материале, для разных физиологических параметров (показатели липидного обмена, внешнего дыхания, активности ферментов, транспортной функции крови и т.д.).

 На протяжении длительного времени большой группой исследователей устанавливались границы этого эффекта. Во-первых, была показана его универсальность ‑ он имеет место не только для человека или млекопитающих (проводились лабораторные эксперименты на мышах), но даже и для растений. Во-вторых, были установлены и границы применимости: эффект нарушается тогда, когда основное влияние в процессе адаптации оказывают  факторы, взаимно усиливающие друг друга (так называемые синергичные системы факторов).

Приводятся собственные примеры и примеры из литературы, подтверждающие существование эффекта.

В третьей главе представлено теоретическое объяснение эффекта группового стресса. Объяснение найденному эффекту дается  с помощью эколого-эволюционного принципа полифакториальности: отбор и сукцессия ведут от моно- к полифакториальности, от управления небольшим числом факторов к равнозначности многих факторов. Для доказательства этого утверждения используется идея о лимитирующих факторах (принцип Либиха) и представления о ресурсе или ресурсах особи.

Ресурсы могут распределяться на нейтрализацию воздействия вредных факторов или усиление воздействия полезных. Польза или вред оцениваются, согласно принципу оптимальности Холдейна, по влиянию на коэффициент размножения. В ситуации, когда есть лимитирующий фактор, выгодно (т.е. ведет к увеличению коэффициента размножения) такое перераспределение ресурсов, при котором они отвлекаются от борьбы с действием малозначимых вредных факторов или от усиления малозначимых полезных свойств и направляются на компенсацию лимитирующего фактора. В результате  значимость разных факторов выравнивается. Полученное утверждение использует микроэволюционный принцип оптимальности Холдейна и потому верно для процессов с характерными временем, на протяжении которого произойдет смена нескольких поколений.

Было сделано предположение, что намного более быстрые процессы адаптации тоже ведут к полифакториальности: адаптация сдвигает фенотипы в том же направлении, что и микроэволюция, только на меньшую величину. Описан простейший класс моделей адаптации, иллюстрирующих это утверждение. Адаптация идет в том же направлении, что и отбор, только за эволюционно незначительное время. Приводятся также формализованные варианты таких рассуждений.

Чем выше величина корреляций, тем меньше существенных факторов. В предельном случае, когда модуль всех коэффициентов корреляции стремится к 1, все определяется одним фактором, все параметры являются линейными функциями одной величины.

Полифакториальность тесно связана с принципом лимитирования - принципом Либиха. Противоречия между ними нет, напротив, если в произвольных (случайных) условиях обычно имеет место лимитирование небольшим числом факторов (монофакториальность), то отбор и сукцессионные перестройки приводят к снижению относительной значимости лимитирующих факторов - к полифакториальности.

Адаптация ведет к аналогичным изменениям. При этом монофакториальности (лимитированию) соответствуют высокие корреляции, а в процессе адаптации они понижаются. Однако не всегда коэффициент размножения определяется факторами, в наибольшей степени отстающими от оптимума. Нередко встречаются случаи синергичного действия факторов, их взаимного усиления. Внутри группы взаимно усиливающих факторов принцип Либиха не выполняется, так как эффекты взаимного усиления приводят в общем случае к значимости всех факторов. Мы называем группы взаимно усиливающих факторов синергичными. Адаптация к чисто синергичной  группе факторов приводит к такому распределению ресурсов, при котором часть факторов максимально нейтрализована, а на борьбу с большинством оставшихся ресурсы практически не затрачиваются.

Степень скоррелированности физиологических показателей изменяется и при наличии заболеваний: корреляции увеличиваются при наличии легких стадии заболевания и падают при усилении тяжести патологического процесса. Показано как модель факторы-ресурсы может быть применена для описания этого явления. Рассмотрены способы учета тяжести заболевания в рамках модели факторы-ресурсы.

Во всех рассмотренных моделях человек представляется как самонастраивающаяся система с некоторым функционалом оптимизации, преобразующая вход (факторы) в выход (показатели) с функцией преобразования, меняющейся так, чтобы доставить максимум функционалу оптимизации.

Приведен пример модели, описывающей динамику перераспределения ресурса, и показано как увеличение числа значимых факторов приводит к уменьшению  скоррелированности физиологических параметров.

В четвертой главе  описан метод корреляционной адаптометрии и его модификации.

Сравнение популяций по числу действующих факторов может служить средством для изучения адаптированности. Основанный на этом подход к изучению адаптирующихся популяций и его практическое применение к диспансеризации человеческих популяций названы нами корреляционной адаптометрией.

Степень скоррелированности физиологических параметров можно оценить с помощью веса корреляционного графа, рассчитываемого как сумма весов его ребер (сумма соответствующих коэффициентов корреляции):

,

где rij - коэффициент корреляции между i-м и j-м параметрами.

Можно также использовать функциональные параметры спектра корреляционной матрицы. Наиболее согласованно с качественно-физиологической картиной ведут себя показатели

;    ;  ,

где - l1³ l2³ …³ lk> lk+1= …=0 собственные числа корреляционной матрицы.

Построена последовательность усложняющихся моделей сдвига параметров   при   адаптации.   Анализ   применимости   моделей практических исследованиях показал, что:

·        гипотеза о независимости в первом приближении адаптационного сдвига от значений параметров противоречит имеющимся эмпирическим данным;

·        простейшей не противоречащей данным является модель однофакторного сдвига параметров при усилении адаптационной нагрузки.

Выполнена автоматическая классификация имеющихся данных, проведена проверка кластерного решения. Полученные результат дают снования утверждать, что

• во всех рассмотренных случаях увеличение корреляций при усилении адаптационной нагрузки происходит не путем кластеризации, а за счет выделения некоторого числа факторов, определяющих в пространстве состояний направления преимущественного растяжения облака данных;

• гипотеза о том, что повышение корреляций не связано с кластеризацией (кластеры могли бы соответствовать различным типам реакции   на   адаптационную   нагрузку),   не   противоречит экспериментальным данным.

Предложен способ количественного измерения уровня интеграции подсистем, который может служить способом для выделения точек максимальной ин­теграции функциональных систем при выполнении нагрузочных тестов. Дан­ный способ может быть полезен при выявлении наиболее значимой из подсис­тем, входящих в единую интегрированную систему при внешнем воздействии и интеграции этих подсистем.

В пятой главе приведены примеры применения метода корреляционной адаптометрии к анализу медико-биологических данных.

С помощью этого метода проведено  исследование адаптационного напряжения  в экстремальных условиях Крайнего Севера, при патологических  процессах разной тяжести.

Метод использован также для анализа послеоперационной реабилитации онкологических больных, с его помощью выявлены критические (с точки зрения летальности  исхода) дни.

На примере исследования влияния  физической нагрузки на показатели кардиореспираторной системы показана возможность применения  метода корреляционной адаптометрии для оценки физиологических резервов организма  по результатам анализа данных нагрузочных проб.

Приведен пример использования  метода в оценке эффективности проведенного лечения.

В шестой главе  описаны немедицинские приложения метода корреляционной адаптометрии.

Эффект увеличения корреляций между физиологическими параметрами при адаптационной нагрузке впервые получен для человеческих популяций. Однако, наличие общего эколого-эволюционного объяснения приводит к выводу о его общебиологической значимости.

В заключении представлены  основные результаты работы и выводы.