Регулирование метаболической активности в организме

Стоит прочесть очередную статью о том, как работают тело и мозг, невозможно не восхититься тем, насколько совершенно человеческое тело, даже несмотря на периоды болезни, когда в его работе периодически происходит сбой. Одна из самых интересных вещей в организме — это то, как четко регулируются различные органы, системы и метаболическая активность, поддерживая синхронную деятельность всего тела практически в любых ситуациях. Даже в состоянии покоя огромное количество анатомических и физиологических функций действуют и постоянно взаимодействуют друг с другом, чтобы поддерживать жизнь, какой мы ее знаем и ощущаем. Когда человек двигается или выполняет какую-либо активную деятельность, все эти переменные и взаимодействия изменяются как в количественной, так и во временной областях, при этом метаболическая активность увеличивается, а взаимодействия между различными органами и физиологическими системами происходят с большей скоростью. Учитывая огромное количество физиологических процессов и активностей, происходящих в организме одновременно, мы вправе ожидать большой вариабельности значения любого отдельного субстрата, метаболита или регуляторного фактора, действующего на клеточном, тканевом, органном или системном уровне в организме разных людей. Более того, можно было бы ожидать, что межиндивидуальная изменчивость физиологических функций будет постоянно меняться со временем. И вот удивительный факт – диапазон значений любой метаболической переменной или ее активности, а также базовые уровни активности большинства физиологических переменных относительно схожи у разных здоровых людей. Например, у всех здоровых людей концентрация глюкозы в крови обычно поддерживается на уровне 4–6 ммоль/л, а частота дыхания – от 12 до 16 вдохов в минуту. Вполне возможно, что у всех людей имеется один и тот же метаболический регулятор, хотя мы пока не понимаем, что определяет подобные метаболические диапазоны у всех людей.

Первым потенциальным регулятором наших метаболических и физиологических систем может быть механизм управления, находящийся в мозге или центральной нервной системе. Если это так, то в мозгу "присутствуют" значения каждого метаболита и требования к каждой отдельной физиологической системе на каждом уровне тела, а также механические ограничения организма и клеточная организация. Гипоталамус – небольшая область, находящаяся в основании мозга. Она регулирует гормональную функцию и имеет сигнальные связи с телом, считается ключевой областью мозга, где происходит метаболическая регуляция. Гипоталамус тесно связан с множеством других областей мозга. Было высказано предположение, что эти области мозга формируют нейронную сеть, которая содержит регистр заданных значений для каждой метаболической и физиологической составляющей тела. Два исследователя, Джозеф Парвизи и Антонио Дамасио, в начале 2000-х годов предположили, что существует некая "прото-самость" (proto-self). Она представляет собой совокупность нейронных сетей, которые "картируют" физическое и физиологическое состояние тела. В их теории, "прото-самость" представляет собой "главную карту", описывающую состояние каждой физиологической переменной в организме, и когда происходят изменения во внутренней физиологической среде, например, во время движения или тренировки, эти изменения отражаются в других нейронных сетях. Когда значения "прото-самости" в одной нейронной сети сравниваются с изменениями в другой сети, мозг видит эту разницу, и использует ее для активизации некоего регулятора в мозге, запускающего изменения либо на психологическом, либо на физиологическом, либо на клеточном уровне. Итог – мозг посылает эфферентные сигналы, идущие к мышцам или органам тела, либо гуморальные сигналы, передаваемые с кровью. Каков бы ни был тип сигнала, он приводит к гормональным изменениям, которые будут пытаться восстановить измененные метаболические параметры до их базовых значений. Это может быть реализовано путем снижения темпа во время физической активности или даже полного прекращения физической активности, либо "позыва" принять гель или выпить изотоник, чтобы поддержать требуемый уровень энергии, или же "переключиться" на другой источник топлива (чаще всего на жировой обмен) по ходу дистанции.

Это очень привлекательная идея, но, как и во всем, что связано с мозгом, не было найдено реальных механизмов или областей мозга, которые были бы ответственны за хранение таких "метаболических карт" и регистрацию всех физиологических и метаболических процессов. Двумя явными недостатками концепции "прото-самости" являются, во-первых, уровень требований к "месту для хранения", учитывая огромное количество переменных, которые должны быть сохранены, и интеллектуальная активность мозга, которая должна происходить непрерывно для интеграции и управления всеми переменными одновременно. Во-вторых, если бы все значения хранились в нейронных сетях мозга, можно было бы ожидать, что на протяжении поколений в этих значениях будут происходить медленные, но существенные изменения, являющиеся частью нормальных генетических вариаций, развивающихся с течением времени. Подобные процессы привели бы к созданию разнообразных анатомических изменений в мозге у разных людей. Следовательно, за сходство метаболических установок у разных людей ответственен какой-то другой механизм.

Этим другим механизмом, ответственным за метаболические установки, может быть внешний агент или сила, а не внутренний механизм мозга. Подобный агент/сила может воздействовать либо напрямую, либо путем предотвращения изменений в головном мозге, неизбежно развивающихся со временем. Каждому человеку необходимо будет реагировать на внешний агент или силу одинаково, и эта схожая реакция приведет к одинаковому внутреннему физиологическому и метаболическому состоянию у всех людей. Для того, чтобы подобный тип внешней регуляции был эффективен, постоянно должна присутствовать внешняя энергетическая сила, обеспечивающая возможность непрерывного физиологического ответа у всех людей. Предполагаемая энергетическая сила, которая будет соответствовать этим критериям — это сила гравитации. Гравитация действует по всей поверхности Земли, и всем людям постоянно требуется энергия для противодействия воздействию гравитации на структуры тела. Например, простое нахождение в вертикальном положении требует постоянного использования силы и мышечной активности, что потребует постоянной метаболической активности. Эксперименты, проведенные в условиях невесомости, показывают, что уровень физиологической активности значимо изменяется из-за отсутствия силы гравитации. Таким образом, существует большая вероятность того, что гравитация или другие электромагнитные силы, такие как сила Кориолиса, несут, по крайней мере частичную, ответственность за поддержание поддержания постоянства внутренней среды организма у всех здоровых людей.

Конечно, бывают моменты и условия, когда метаболические значения можно изменить. После длительного периода тренировок базовый уровень значений метаболитов смещается, что связано с улучшением физической формы на фоне регулярных тренировок. Например, частота сердечных сокращений в состоянии покоя снижается, как и профиль липидов и холестерина в крови, а исходные уровни мышечных ферментов и митохондрий также претерпевают положительные изменения. Однако, эти изменения сохраняются только до тех пор, пока продолжаются тренировки. После устранения тренировочного стимула уровни метаболитов различных физиологических систем возвращаются к исходным "нетренированным" значениям. Самое интересное, что эта реверсия происходит с большей скоростью, чем изменения, связанные с тренировками, а это говорит о том, что Конечно, бывают моменты и условия, когда переменные метаболических заданных значений изменяются, и их можно изменить. После длительной физической тренировки ряд заданных уровней изменяются, что связано с повышением «физической формы», вызванным тренировкой. Например, частота сердечных сокращений в состоянии покоя снижается, профиль липидов и холестерина в крови снижается, а заданные функции мышечных ферментов и митохондрий изменяются. Эти изменения, вероятно, обусловлены адаптацией регуляторной функции белков на генетическом и молекулярном уровне, которая изменяет физические и нервные структуры, связанные с физиологической активностью, путем изменения их размера, количества и эффективности функции. Но эти изменения сохраняются только до тех пор, пока продолжаются тренировочные поединки. После устранения тренировочного стимула уровни метаболических установок в различных физиологических системах возвращаются к исходным значениям, связанным с «нетренированным» состоянием, и эти реверсии происходят с большей скоростью, чем изменения, связанные с тренировкой. Это говорит о том, что организму легче вернуть значения метаболитов к их нетренированным значениям, чем изменить значения в сторону большей эффективности на фоне тренировок.

Хронические заболевания также могут изменить метаболические показатели покоя, причем навсегда, если заболевание является постоянным и связано с гибелью клеток. Например, когда человек перенес сердечный приступ, происходит необратимая потеря сердечной ткани в пораженной области, что приводит к изменению сократительности сердца и к ряду других изменений, таких как увеличение (или уменьшение) ) частота сердечных сокращений или ударного объема и изменения артериального давления. Если организм может перенести эти изменения, то человек будет жить с этими повреждениями (и измененными показателями метаболизма) в течение значительного периода времени, пока не наступит смерть от какой-либо другой патологии/болезни. Это "искусственное" состояние, связанное с болезнью, при котором человек функционирует не в оптимальном состоянии, а в состоянии хронической компенсации. При таких заболеваниях, как сахарный диабет, наблюдаются заметные изменения концентрации глюкозы в крови: уровни, измеренные в разное время суток, либо выше, либо ниже, чем концентрации глюкозы у здоровых людей. Однако эти изменения, по-видимому, вызваны увеличением колебаний концентрации глюкозы в крови, связанным с изменениями способности системы возвращаться к исходному уровню у людей с диабетом, а не изменениями значений самих метаболитов (в данном случае глюкозы).

Метаболические настройки также могут измениться в ответ на острую инфекцию, часто сопровождающуюся повышением исходного уровня температуры, частоты сердечных сокращений и сердечного выброса. Интересно, что во время приступа лихорадки происходят изменения, которые не являются корректирующими, возвращающими внутреннюю температуру к предыдущим нормальным значениям, а наоборот, создаются условия, которые могут привести к к дальнейшему повышению температуры или поддержанию повышенной температуры на уровне, превышающем обычные значения. К таким условиям относятся поиск теплой окружающей среды, усиление спазма сосудов и дрожь — все это увеличивает скорость метаболизма и увеличивает выработку тепла, несмотря на то, что у человека уже повышена внутренняя температура. Обычной реакцией на повышение внутренней температуры тела (гипертермии) в ситуациях, когда человек находится в жаркой среде или когда внутренняя температура тела повышается из-за физического напряжения (например, во время тренировки), является поиск более холодной среды, уменьшение двигательной активности, расширение сосудов и снижение метаболизма. Таким образом, реакции на гипертермию и лихорадку – состояния, вызывающие повышение внутренней температуры выше базового уровня, будут прямо противоположны. В случае гипертермии эти реакции приводят к снижению внутренней температуры, а при лихорадке поддерживают повышение внутренней температуры. Смысл реакции на лихорадку заключается в том, чтобы обеспечить оптимальное функционирование организма для поддержания воспалительного и иммунного ответа, устраняющего угрозу от микроорганизма или процесса (например, вирусом гриппа), вызвавшего эту самую лихорадку. Смысл реакции на гипертермию заключается в предотвращении катастрофического перегрева физиологических систем. Каким образом мозг и тело принимают решение о том, что надо инициировать какую-то из этих стратегий, направленных на поддержание постоянства метаболизма в ответ на повышение внутренней температуры, в настоящее время неизвестно.

Таким образом, одним из самых интересных аспектов нашего чрезвычайно сложного тела является то, что, несмотря на всю сложность, заданные значения для каждой метаболической или физиологической функции очень похожи у всех людей, если только нет выраженных различий в уровне физической подготовки или здоровья. В мире, где наши внешние различия часто используются в политическом и социальном плане для дифференциации, можно с уверенностью сказать, что глубоко внутри мы все во многом одинаковы и все реагируем на одни и те же вызовы и силы, с которыми сталкиваемся, и из-за этого мы все так похожи во всех аспектах строения тела и физических функций.