Введение к работе
^ *
Актуальность проблемы. Установление закономерностей адаптационных возможностей костной системы млекопитающих в условиях измененного внешнего механического и гравитационного полей является одной из актуальных проблем современной медико-биологической науки и сельскохозяйственной практики. В практике пушного звероводства животные в течение многих поколений оказываются в весьма ограниченных условиях подвижности и проявления других поведенческих реакций. Искусственно созданный режим содержания принципиально отличается от природных условий и не может не сказываться на их физиологическом состоянии, физическом развитии, репродуктивных способностях и, в конечном счете, на качественных показателях получаемой пушнины. Изучаемый вопрос тесно примыкает к проблеме адаптации, в частности, здорового организма к экстремальным условиям внешней среды, имеющей большое теоретическое и прикладное значение и вместе с тем далеко еще не получившей четкой разработки (Вайль С.С., 1996; Авцын А.П., 1997; Казначеев В.П., 1999 и др.). Последняя сдерживается не только из-за отсутствия общей количественной теории гомеоста-за, но и отсутствием информативных критериев оценки и прогнозирования состояния организма в конкретных ситуациях. Можно полагать, что при постоянном пребывании зверей в условиях ограниченной двигательной активности в отдельных системах могут проявляться такие адаптации и компенсаторные механизмы, которые в значительной степени нивелируют отклонения, вызываемые гипокинезией (Прохончуков А.А. и др., 1984; Ковешни-ков В.Г., 1994, 1998; Красных ИГ., 1998). В каких масштабах проявляются подобные адаптации и какими средствами и режимами можно помочь организму справиться при минимальных потерях с влиянием неадекватных условий, остается пока не вполне ясным. Открытым остается и основной вопрос - какой ценой осуществляется адаптация к тем или иным воздействиям, -не сопровождается ли она скрытыми патологическими изменениями во внутренних органах, неблагоприятными отдаленными последствиями, снижением продолжительности жизни (Слесаренко НА, Носовский А.М., 1996).
Анализ результатов литературных данных позволяет констатировать, что потеря костной массы у животных после космиче-
Р9С НАЦИОНАЛЬНА* | МММТЕКА I . SFSSSlSOX
ских полетов приводит к снижению прочностных свойств кости (Газенко О.Г., Григорьев А.И., Наточин Ю.В., 1986; Оганов B.C., Шнайдер B.C., 1977; Григорьев А.И., Егоров А.Д., 1988). В динамике полета изменения биомеханики костей выявляются раньше, чем потеря минералов становится достоверной (Оганов B.C., Шнайдер B.C., 1997). Описаны основополагающие представления об адаптивных нормах в медицине и космической биологии (Газенко О.Г., Парфенов Т.П., 1982, Серова Л.В., 1988, 1989; Коваленко Е.А., Кротов В.П., Конвертино В., Корольков ВИ. и др., 1996).
Анализ литературы по этому вопросу показал недостаточную проработку вопроса, связанную с количественными методами сопоставления реакций организма на те или иные воздействия. Существенным тормозом в изучении этой проблемы является отсутствие общей теории, позволяющей количественно описывать основные принципы воздействия на организм экстремальных факторов. Такая теория позволила бы повысить достоверность выводов о направленности структурно-функциональных перестроек в организме. Нами была разработана научная концепция, согласно которой конкретная физиологическая система, обладая- свойством целостности, может быть описана в виде интегральных показателей, отражающих многомерность отношений между ее параметрами. Тогда по степени их изменения представляется возможным количественно судить о гомеостазе организма, его адаптационных возможностях, устойчивости и чувствительности.
Цель исследования - разработать количественные методы оценки адаптационных возможностей костной системы животных в условиях гипокинезии и микрогравитации.
Задачи исследования
В ходе работы необходимо было решить следующие задачи:
-
Выяснить количественные закономерности роста, развития, структурной организации длинных трубчатых костей и адаптивных перестроек в них при различных условиях обитания животных (природные биоценозы и клеточный режим содержания).
-
Установить связь морфологических индексов трубчатых костей с их прочностными характеристиками.
-
Провести сравнительный анализ влияния микрогравитации и гипокинезии на развитие скелета лабораторных животных.
' t> *:*. J'riii. .* tl '.'' , л
', *г «'Оч» 4* . *
.'чу i\> , }
t сі Ч'. „
4. Разработать алгоритмы многомерного шкалирования мор-фометрических показателей как методологическую основу для построения количественных методов сопоставления реакций костной системы на действие гипокинезии и микрогравитации.
Научная новизна
На основании методического подхода, включающего макро- и микроморфологию, биомеханику, многомерную статистику разработаны новые критерии интегрального выражения количественной оценки адаптационных возможностей костной системы животных в условиях гипокинезии и микрогравитации. Показано, что длительная гипокинезия инициирует замедление темпов ос-теопластического процесса и внутренней реконструкции кости.
На основании оценки структурных адаптации скелета у животных одного и того же таксономического ранга, но находящихся в условиях различной биодинамики выявлено, что динамические механические нагрузки являются одним из факторов, определяющих уровень ростовых процессов, протекающих в кости.
Экспозиция системы мать-плод в условиях измененной силы тяжести не сопровождается изменением структурного оформления костной системы у плодов и новорожденных животных, но вызывает изменения в темпах развития структуры различных органов и систем, которые могут быть компенсированы в пост-натальном онтогенезе.
Теоретическая и практическая ценность работы
Разработана концепция инвариантных отношений, которая заключается в том, что отдельно взятые морфометрические показатели меняются (варьируют), но соотношения между ними остаются постоянными на всем периоде постнатального онтогенеза. Этот принцип является одним из свойств костного гомео-стаза.
Подтверждены положения о высокой мобильности костной системы, что служит теоретическим обоснованием практически значимому выводу о принципиальной возможности усиления адаптивных свойств разводимых животных путем целенаправленного воздействия на скелет.
Разработана методология построения многомерного шкалирования морфометрических показателей костей:
получены статистические критерии для интегральной оценки состояния костного гомеостаза;
обоснована целесообразность использования алгоритмов, разработанных на основе полученных критериев;
разработаны подходы, которые могут явиться основой для построения количественной теории гомеостаза, позволяющие дать индивидуальную оценку состояния как отдельных физиологических систем человека и животных, так и организма в целом.
Полученные результаты могут быть использованы для прогнозирования физиологического состояния опорно-двигательного аппарата животных, рационализации режимов содержания в промышленном звероводстве с целью повышения его экономической эффективности. Результаты сравнительного "анализа влияния гипокинезии и микрогравитации на водно-солевой гомеостаз и развитие скелета у плодов крыс могут быть использованы при подготовке перспективных эмбриологических экспериментов в условиях космического полета, а также при решении фундаментальных проблем физиологии стресса, возрастной физиологии, экологии. Предложенные подходы количественной оценки костного гомеостаза, учитывающие особенности структурной организации и адаптивного ремоделирования кости при действии биодинамического фактора, являются существенным вкладом в морфологию опорно-двигательного аппарата животных. Они представляют также интерес для общей физиологии скелета, для теории и практики гравитационной физиологии, спортивной медицины, физиологии труда.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Инвариантные отношения между морфологическими показателями в костной системе отражают пространственно-структурную организацию кости и являются общебиологической закономерностью морфогенеза.
-
Биомеханическая нагрузка на кость и ее динамика распределения в постнатальном онтогенезе определяет характер морфогенетических процессов формирования скелета.
-
Большой объем биомеханических стимулов в процессе жизнедеятельности животных из природных популяций определяет более высокий уровень физиологических перестроек их костей по сравнению с особями, разводимыми в клетках.
4. Сравнительный анализ влияния микрогравитации в условиях реального космического полета и гипокинезии в наземных модельных условиях при одних и тех же сроках экспозиции показывает, что изменения в развитии скелета у плода в условиях гипокинезии больше, чем в реальном космическом полете.
Апробация работы и публикации
Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на VI Всесоюзной конференции по экологической физиологии (1982); IX, X, XI Всесоюзных конференциях по космической биологии и авиакосмической медицине (Москва - Калуга, 1990, 1994, 1998); Международном совещании по патофизиологии (Москва, 1991); Всесоюзной конференции "Физиологические механизмы развития экстремальных состояний" (Санкт-Петербург, 1995); VIII Международном симпозиуме "Эколого-физиологические проблемы адаптации" (Москва, 1998); XII, XIII Международных симпозиумах "Человек в космосе" (Вашингтон, 1997; Санторини, 2000); "Организм и окружающая среда: адаптация к экстремальным условиям: Российская конференция с международным участием» (Москва, 2003); Международной учебно-методической и научно-практической конференции, посвященной 85-летию академии им. К И.Скрябина (Москва, 2004). Диссертационная работа апробирована на межотдельческой научной конференции ГНЦ РФ - "Институт медико-биологических проблем".
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, обзора литературы, материалов и методов, результатов собственных исследований и их обсуждений, заключения, выводов, практических рекомендаций и реализации результатов исследования, библиографии и приложения. Материал изложен на 253 страницах машинописного текста, иллюстрирован 57 рисунками и 18 таблицами. Библиографический указатель включает 393 наименований (270 отечественных и 123 зарубежных).
Похожие диссертации на Сравнительная оценка адаптационных возможностей костной системы животных в условиях гипокинезии и микрогравитации
