Ритмы клетки и здоровье человека. Хронобиология и хрономедицина

Выдержки из книги учёного С.Л. Загускина «Ритмы клетки и здоровье человека»

Клетка – это система взаимосвязанных нелинейных осцилляторов. Это означает, что ритмы ее функции, энергетики и биосинтеза постоянно координируются и поддерживают друг друга. Жизнедеятельность клетки можно сравнить с пирамидой волчков, когда на большом волчке расположено много меньших волчков, на которых находятся еще меньшие волчки. Все эти волчки
непрерывно крутятся, пока сохраняется жизнь. Устойчивость нижнего волчка определяется устойчивостью вращения верхних волчков. Все волчки
крутятся благодаря притоку внешней энергии. В клетке – это поступление энергии из внешней для клетки среды (в организме человека это кровь и лимфа)
за счет диффузии в клетку кислорода и субстратов энергетического метаболизма. Поэтому биоритмы неотъемлемое свойство живого. Если какой-то волчок начинает крутиться неправильно, или перестает крутиться, то для сохранения устойчивости живая система либо подправляет ритмы его вращения, либо устраняет сам волчок, заменяя его новым. В дальнейшем мы рассмотрим две
противоположных стратегии поддержания устойчивости биосистемы – активную, которая преобладает в периоды достаточной внешней энергии, и пассивную стратегию экономичности при дефиците внешней энергии.

 

Наиболее важным механизмом лечебного эффекта физиотерапии или лекарств является условие преобладания биосинтеза белка и других восстановительных процессов над также происходящими непрерывно в клетках деструктивными процессами — распада белков, разрушения микроструктур и даже самих клеток, которые перестают нормально функционировать.

Весь эволюционный прогресс, увеличение видов клеток, организмов, биоценозов, их прогрессивное усложнение можно представить в свете данного постулата как совершенствование
способа аккумуляции и освобождения энергии в «нужном» месте и в «нужный» момент времени в достаточном количестве для осуществления эволюционно новых более энергоемких или кинетически совершенных рабочих процессов.

Алгоритмическая модель клетки реализует такие свойства живой клетки как адаптивная классификация сигналов внешних воздействий, обучение, память и
адаптация (рис.23). Эта модель разработана нами совместно с проф. С.Н. Гринченко на основании наших экспериментальных данных изучения ритмов живой клетки с использованием элементов автоматического регулирования, методов поисковой оптимизации и теории случайного поиска проф. Л.А. Растригина. Подробно с этой моделью можно ознакомиться в монографии [16].
Каждый из 15 блоков этой модели представляет собой модель конкретных функциональных подсистем клетки: рецепторных зон нервной клетки, биосинтеза, генома, основного обмена, распределения потоков энергии, биологических часов, экстремального регулятора, многоканального оптимизатора, целевой функции, информационного преобразования, эфферентной
функции и др.

Целевой функцией оптимизации всех внутриклеточных процессов (функциональных, биосинтетических и энергетических) является приведенный выше энергетический критерий направленности биологических процессов. В приложении к адаптации, обучению и хранению информации в нервной клетке он достигается при изменении спектра ритмов золь-гель переходов в компартментах
клетки и согласовании их параметров между собой. В частности восприятие информации происходит за счет сдвигов концентрации кальция в постсинаптических зонах нейрона. Её сохранение в кратковременной памяти происходит с учетом изменений исходной и средней концентрации кальция в теле нейрона. Обучение происходит путем оценки вызванных сдвигов локальной
концентрации кальция, АТФ и исходных факторов, определяющих структуру воды, специфику макромолекул и морфологию мицелл. Поисковая оптимизация нового спектра и соотношений параметров ритмов золь-гель переходов осуществляется путем оценки всех факторов изменений агрегации митохондрий. Переход в долговременную память основан на поисковой оптимизации агрегации ретикулюма и биосинтезе новых или замене исходных белковых макромолекул. Хранение биологически значимой информации обеспечивают новые параметры
ритмов золь-гель переходов в соответствующем компартменте клетки. Учитывая кодирование информации в живой клетке путем изменения спектра ритмов зольгель переходов и их параметров, а также многочастотный характер биологических кодов, объем памяти живой клетки, скорость ее считывания и поиск связей и логических ассоциаций несопоставимо больше, чем в существующих
компьютерных искусственных системах. Большая тактовая частота технических компьютеров не компенсирует недостатки формальной логики. Использование бионических принципов обработки информации в живой клетке может кардинально увеличить эвристические возможности технических компьютерных систем.
Гидродинамическая модель энергетической взаимосвязи ритмов клетки (рис.24) математически не реализована. В случае ее реализации с подбором коэффициентов дифференциальных уравнений в частных производных планируемые исследования позволят ответить на ряд фундаментальных проблем, в том числе: 1) происхождение футильных циклов обмена веществ как одного из
критериев живого, важного для понимания происхождения жизни вообще и памяти и обучения в частности, 2) значение соотношения гликолиза и дыхания, что важно также для понимания эволюции обмена веществ и эволюции жизни, 3) условия и способы биоуправления митозом (делением клетки), механизмы канцерогенеза, морфогенеза, регуляции внутриклеточной регенерации и тканевой
пролиферации, 4) прогнозирование развития десинхронозов как основы любых заболеваний и оценка эффективности лечебных воздействий, 5) оптимальные условия и параметры биоуправления жизнедеятельностью на клеточном уровне, 6) обоснование биоуправления жизнедеятельностью любых биосистем, 7) бионические механизмы синхронизации нелинейных колебаний, 8) причины
дискретности спектра биоритмов, 9) обоснование универсального энергетического критерия направленности любых биологических процессов., 10) условия и параметры индукции апоптоза и элиминирования внутриклеточных структур и макромолекул, 11) проверка хронобиологической концепции старения биосистем, 12) механизмы памяти и адаптации, адаптивной классификации
сигналов, фиксации истории входных воздействий, 13) различения помех и биологически значимой информации.

Хронобиология и хрономедицина

Многие болезни на самом деле являются скорее болезнями адаптации, т.е. отклонениями общего адаптационного синдрома, чем результатом прямого повреждающего действия патогенных агентов
Г. Селье

Несмотря на явный прогресс медицины в исследовании и в понимании механизмов различных заболеваний, в разработке новых методов диагностики и лечения, более эффективных лекарственных форм общая заболеваемость населения в мире не только не уменьшается, но по ряду болезней даже увеличивается. Резко возросло число людей с аллергическими реакциями. Увеличиваются онкологические, психические заболевания. Растет число людей с метаболическим синдромом (с избыточным весом), синдромом хронической усталости (зимняя депрессия) и др. С каждым годом увеличивается зависимость человека от биологически непривычных искусственных факторов внешней среды – телевизоров, мобильных телефонов, компьютеров и Интернета, городского
транспорта. Все это не может не влиять на естественные биологические ритмы. Без их коррекции возможны устойчивые десинхронозы и, следовательно, различные заболевания. Наша «свобода» от естественных факторов внешней природной среды становится главной причиной роста заболеваний. Хронобиология способна объяснить и выработать рекомендации, как устранить
этот разлад с природой, т.е. устранить десинхронозы как причину развития заболеваний.

Золь-гель переход

В ходе этой химической реакции образуется «золь» (коллоидный раствор), который затем постепенно превращается в гелеобразную двухфазную систему, содержащую как жидкую фазу, так и твёрдую фазу, морфология которой варьируется от дискретных частиц до непрерывных полимерных сетей. Это Химия. А в живой клетке происходит следующее: иерархия периодов биоритмов золь-гель колебаний в клетке имеет дискретный характер в диапазоне от около 100мкс до года. При переходе от геля в золь потребляется внешняя энергия, а при переходе золя в гель – выделяется.

Внутриклеточные микроструктуры упорядоченно чередуются, создавая идеальные условия для обмена колебательными энергиями. Поскольку свободная энергия реакции фосфорилирования равна +7,3 ккал, образование АТФ с высокой скоростью возможно лишь при полном удалении образующейся воды. Связывание свободной воды при образовании геля во внешней для митохондрии
среде при связывании кальция в ретикулюме и митохондриях обеспечивается сопряженным синтезом АТФ. При значительном снижении концентрации кальция часть геля вновь переходит в золь, и цикл повторяется. Интегральная концентрация кальция в цитозоле клетки постоянно колеблется. При локальной концентрации в области 1 мкМ меняется знак регуляции, благодаря чему кальций, сохраняя сигнальную функцию вторичного посредника клетки в системе кальций — кальцийсвязывающие белки — циклические нуклеотиды [35], обеспечивает клеточный гомеостаз. От недостатка или избытка энергообеспечения зависит знак влияния на функцию и биосинтез в клетке.

Цитоплазму клетки можно рассматривать как систему отрицательных кристаллов, в каждом из которых «жидкая» часть (золь) окружена со всех сторон «твердой» часть (гель). В отличие от обычных кристаллов с присущей им устойчивостью отрицательный кристалл (нормаль направлена внутрь в золь) легко меняет форму и чрезвычайно чувствителен к изменениям градиента температуры (на 0,01-0,1 градуса С), например, к внешнему инфракрасному излучению, к изменению электрического тока и гравитации. Свойства отрицательных кристаллов объясняют механизм опреснения морского льда. Поскольку скорость диффузии в жидкой части на 6-8 порядков выше скорости диффузии в твердой части, капли рассола движутся по градиенту температуры, возникающему благодаря слабому нагреву поверхности льда солнечным светом, к поверхности лед-вода, и старый лед опресняется. Для понимания условий возникновения живой клетки и ее эволюции свойства золь-гель структур в аккумуляции внешней тепловой энергии и использование этой энергии на процессы самоорганизации чрезвычайно важны и являются необходимым, хотя и не достаточным условием появления живой клетки.

Схема связи ритмов золь–гель переходов с кластерной структурой воды (Н2О), продукцией синглетного кислорода (`О2), системой циклических нуклеотидов (ЦН), концентрацией кальция в цитозоле (Саi), кальциевыми депо, проницаемостью плазматической мембраны (Pm), мембранным потенциалом клетки (МП), энергетическим обменом, функцией и биосинтезом белка в клетке. Пунктирной стрелкой со знаком ? обозначен возможный генерируемый при золь– гель переходах физический сигнал синхронизации ритмов синтеза белка в соседних клетках.

Образование холестериновых бляшек в сосудах способствует переходу ламинарного движения крови в турбулентное и механическому воздействию на эритроциты, благодаря которому увеличение в них золя относительно геля способствует деформации эритроцитов в элипсоиды. Разжижение цитоплазмы эритроцитов способствует изменению их формы, прохождению через капилляры и устранению гипоксии. С этих порзиций атеросклероз – это не заболевание, а способ противодествия гипоксии. Вместо снижения холестерина (липопротеинов низкой плотности) статинами или другими дорогостоящими лекарствами нужно устранять гипоксию двигательной активностью или биоуправляемой лазерной терапией. Турбулентность кровотока может быть полезна для образования АФК как источник механических колебаний, способствующих переходу геля в золь в эритроцитах. Переход части геля в золь усиливает метаболизм и функции также
лейкоцитов и других клеток. Увеличение геля относительно золя благоприятно в фазах снижения (дефицита) внешней и внутренней энергии и дает приоритет более экономичным клеткам. В фазах избыточной внешней энергии переход части геля в золь дает приоритет клеткам, способным полезно использовать добавочную энергию на повышение организации, на биосинтез и размножение. Избыточное разжижение цитоплазмы ведет к высвобождению связанного кальция и вновь к переходу в сторону геля. Цикл повторяется. Приоритет получают клетки, способные
чередовать пассивную стратегию экономичности и стратегию активности в соответствии с ритмами потоков энергии из внешней среды. Чередование пассивной и активной стратегий поддержания устойчивости возможно только при согласовании иерархии внутренних ритмов золь-гель переходов с внешними ритмами энергетики (иерархией внешних космогелиофизических ритмов). Однако
для сохранения устойчивости протоклеток уже на первом этапе их возникновения последние должны селективно повышать чувствительность к одним ритмам внешней среды и снижать к другим. Это возможно только при объединении (интеграции) отдельных золь-гель структур в общую систему на основе энергетического взаимосодействия и возникновения иерархии золь-гель структур, отличающихся разными размерами и периодами колебаний. Иначе, возникновение живой клетки требует согласования иерархии собственных ритмов золь-гель переходов с определенными ритмами внешней среды путем отбора определенных морфологических форм и кинетики связывания и высвобождения кальция.
Экспериментально нами зарегистрированы ритмы фазовых золь-гель переходов в клетках речного рака и организма человека в диапазоне периодов от 100мкс до сезонных (годовых), которые соответствуют иерархии современных электромагнитных и гравитационных ритмов внешней среды [13]. Все эти ритмы имеют варьирующие периоды, являются нелинейными колебаниями. Спектр этих ритмов имеет дискретный характер. Средние периоды отличаются на порядок. Наиболее быстрые колебания участков мембраны и стенок диссипативных кольцевых структур хроматина в интерфазном ядре клетки имеют средние 87 периоды порядка 100мкс, 10мс, 100мс. Ритмы со средними периодами от 1с. до 30с. характерны для отдельных участков (компартментов) клетки около 2-8мкм диаметром, а ритмы золь-гель переходов со средними периодами несколько минут и околочасовые могут синхронно проявляться на больших частях или в клетке в целом. Также целиком в клетке меняется соотношение золя и геля с околосуточным ритмом и в разные сезоны года.

Десинхронозы

Десинхронозы появляются уже на доклинической, т.е. на ранней стадии заболевания, когда еще нет самих симптомов болезни. Поэтому хронодиагностика важна не только для прогноза течения заболевания и оценки эффективности выбранного метода его лечения, но и для профилактики любых болезней. Что же такое десинхроноз? Десинхронозы как рассогласование биоритмов организма или других биосистем (рис. 13,14) бывают фазовые, системные и иерархические. Фазовые десинхронозы характеризуются сдвигом фазы ритмов одинаковых периодов и одинакового иерархического уровня за счет разных постоянных времени обратных связей во время переходных процессов. Например, при трансмеридианных перелетах согласование фаз околосуточных ритмов
артериального давления, температуры, частоты пульса и других биоритмов относительно друг друга нарушается и восстанавливается с разной скоростью. Для нормализации сдвигов акрофаз разных околосуточных биоритмов относительно друг друга требуется адаптация от одного дня до трех месяцев. Фазовые десинхронозы биоритмов других периодов могут нарушаться по различным патологическим и функциональным причинам. Системные десинхронозы – это рассогласование биоритмов с разными периодами, но одного иерархического уровня. Например, рассогласования
соотношения частоты сокращений сердца и частоты дыхания. Это один органный уровень иерархии биосистем, но разные периоды. Такой десинхроноз может быть функциональным и указывать на адаптивную перестройку функциональных систем организма, если он длится не более длительности переходного процесса на данном уровне (рис.13,14)), или патологическим, характеризующим определенное заболевание, если соотношение частоты сокращений сердца к частоте дыхания выходит из нормального диапазона этого отношения от 3 до 5 и превышает по
сроку длительность переходного процесса. Иерархические десинхронозы – это рассогласование биоритмов разных периодов и разных иерархических уровней, но одинаковой принадлежности к
функциональным, структурным или энергетическим процессам в иерархии биосистемы. Например, рассогласование (отклонение от дискретности средних значений с шагом π2 околочасовых ритмов потребления кислорода, агрегации митохондрий в клетках, кровотока в тканях и органах, с околосуточным биоритмом футильных циклов энергетического обмена, теплопродукции, содержания сахара в крови, с 10 дневными биоритмами акклимации (уровень основного обмена, гормонов энергетического обмена) и сезонными биоритмами тех же энергетических показателей. По длительности и степени рассогласования биоритмов энергетики разных иерархических уровней можно не только диагностировать, но и прогнозировать направленность реакций клетки на внешнее воздействие, начальную доклиническую стадию заболевания организма, начало климаксовой стадии развития биоценоза, снижение устойчивости и буферной емкости саморегуляции биосферы

Фазовые, системные и иерархические десинхронозы, как снижение устойчивости биосистем, обнаруживаются уже при ухудшении функционального состояния и метаболизма клетки, на доклинической стадии заболевания организма, при снижении гомеостатической мощности биоценоза и биосферы. На основании медицинской практики существует мнение, что здоровье
человека в меньшей степени зависит от его генетики и существующей в настоящее время медицины и здравоохранения, но в большей степени от внешней среды и образа жизни. Главные из них — неестественная по химическим и физическим параметрам экология жизни и работы. “Болезни цивилизации”, малоподвижный образ жизни, нерациональное питание, плохое качество пищевых
продуктов, воды, загрязнение атмосферы – все это сопровождается возрастанием стрессовых нагрузок, вызванных социальными и бытовыми причинами.

По теории остеопатии любой подвижности предшествует “первичное дыхание”. Все виды движения в клетке это золь-гель переходы. Увеличению объема клеток и ткани при переходе части золя в гель соответствует положение остеопатии, что “жидкость внутри желатинизированной массы мозга расширяется внутренне, когда впитывает дыхание жизни”. Усиление энергетическогометаболизма и биосинтеза при увеличении золя относительно геля соответствуют положения остеопатии, что “терапевтические силы возникают на фазе вдоха, кости изменяют плотность при дыхании и силы эмбриогенеза становятся силами исцеления”. Средний размер золь-гель структур в клетке соответствует представлению остеопатии, что “размер 0,001 дюйма имеет жизненно важное значение”. “Приливы у умирающего человека” соответствуют тотальному переходу геля в золь (разжижение) и затем в гель (окоченение трупа). Хронодиагностика десинхронозов ритмов золь-гель переходов аналогична выявлению в остеопатии несинхронных движений, которые предшествуют заболеванию. В терминах остеопатии “восстановление подвижности сбалансировано с дыханием жизни” означает в терминах хронобиологии устранение десинхронозов, восстановление спектра ритмов микроциркуляции крови и ритмов золь-гель переходов в клетках. “Динамическое спокойствие”
означает отсутствие десинхронозов ритмов золь-гель переходов. “Паузы между нотами” можно понимать как относительно горизонтальные участки гистерезиса золь-гель переходов от концентрации кальция в цитозоле клеток, а “центры дыхания и 3-х мерная волна прилива” соответствуют источникам солитонов. Приливной потенциал это переходный процесс синхронизации ритмов золь-гель
переходов. По остеопатии “в здоровом уме качество внимания перемещается и дышит так же, как наше внимание”. Хронобиология оперирует понятиями перемежающейся активности нейронных популяций с увеличением чувствительности клеток и возбудимости нейронов при увеличении золя относительно геля, явлением доминанты и активации соответствующих зон коры
мозга со стороны ретикулярной формации, коррелирующими с повышением  чувствительности нервных структур, с ритмами микроциркуляции крови и с ритмами золь-гель переходов.

Что такое болезнь с позиции хронобиологии?

Целью будущей медицины и здравоохранения должна стать интегративная медицина. Идеалом будущей медицины должны быть превентивные профилактические методы поддержания и повышения резервов гомеостазиса и саморегуляции организма в целом. Методы профилактики и коррекции гомеостазиса должны применяться на основе оперативного автоматического контроля функционального состояния человека и доклинических проявлений его заболеваний. Следовательно, необходима разработка и внедрение принципиально новых интерактивных методов одновременной диагностики, контроля и автоматической индивидуальной оптимизации режимов лечения. Эти методы должны обеспечить сохранение здоровья здорового человека, мониторинг и
коррекцию любых нарушений гомеостазиса организма человека, высокое качество и устойчивость жизнедеятельности человека, начиная с пренатального периода развития и до глубокой старости. Это не означает отказа от существующих методов диагностики и лечения, но их дополнение принципиально новыми методами с индивидуальной автоматизацией и компьютеризацией
очевидно. Для достижения этих целей необходимо принципиально изменить требования к методам диагностики и лечения. Теоретический анализ, экспериментальные исследования и накопленный нами практический опыт в разных областях медицины позволяет утверждать, что такими методами интегративной медицины могут быть интерактивные системы хронодиагностики
и биоуправляемой хронофизиотерапии (глава 5). Диагностика не должна быть отделена по времени от лечебного воздействия. Это можно считать первым и главным требованием к методам интегративной медицины.  Увеличение профилактической направленности медицины возможно только при внедрении интерактивных методов одновременной диагностики и лечения. Коррекция функционального состояния, нормализация параметров гомеостазиса, структуры и функции всех органов и систем организма конкретного человека должна оперативно управляться регистрируемыми параметрами состояния и реакций органов и систем его организма. Существующие же методы диагностики и лечения в основном только позволяют сравнивать, что было до лечения и после
лечения, никак не корректируя сам процесс лечебного воздействия индивидуально в нужном направлении. В этих случаях не возможно прогнозировать и гарантировать исключительно положительный лечебный эффект для всех без исключения пациентов. Профилактические воздействия лечебного и корригирующего действия должны осуществляться уже на этапе
первых предвестников опасных отклонений гомеостазиса организма человека. По сути, такие воздействия являются аналогом собственных регуляторных систем организма и лишь усиливают естественную саморегуляцию в организме. Отсюда следуют другие конкретные требования, которым должны отвечать такие искусственные системы усиления собственных возможностей организма
человека.

Второе требование к использованию профилактических искусственных систем саморегуляции организма – это коррекция функции не только отдельной системы или органа, а всего организма. Современная специализация врачей по органам и системам организма не позволяет лечить организм в целом. Устранение устойчивого патологически измененного гомеостазиса в больном органе не
гарантирует автоматического устранения компенсаторных изменений в других органах и системах, вызванных патологическим гомеостазисом в больном органе. Без перестройки гомеостазиса всего организма лечение избирательно только больного органа, как правило, дает лишь ремиссию или болезнь переходит в хроническую стадию. Избирательное воздействие на один орган на любой стадии заболевания, в том числе доклинической, не может не вызывать компенсаторных изменений в других органах и системах организма.

Вся книга: С.Л. Загускина «Ритмы клетки и здоровье человека»