Гострий і хронічний впливи теплового стресу на здоров’я планети
Підготувала канд. біол. наук Олександра Демецька
Збільшення викидів парникових газів через посилення людської діяльності (спалювання викопного палива, сучасні методи сільського господарства, вирубка лісів тощо) призвело до зміни клімату та глобального потепління [1]. Теплові хвилі зростають за інтенсивністю, частотою та тривалістю, зумовлюючи значний тепловий стрес у всіх живих організмів. Натомість адаптивні механізми, які мають пом’якшувати деякі з біологічних наслідків теплового стресу, можуть виявитися неадекватними з подальшим підвищенням глобальної температури. Глобальне потепління негативно відбивається на здоров’ї людей, особливо тих, хто страждає на хронічні захворювання, й алергія не є винятком.
Глобальне потепління, спричинене діяльністю людини, нині приблизно на 1 °C вище, ніж у доіндустріальний час, і очікується, що воно зростатиме як у середньорічних температурах, так і в інтенсивності, частоті та тривалості теплових хвиль [3]. Всесвітня метеорологічна організація визначає події теплового стресу як епізоди ≥5 безперервних днів із температурою повітря понад 5 °C вище добових максимальних температур [4].
Хвилі спеки в усьому світі стають дедалі частішими й інтенсивнішими. Прогнозується, що кількість спекотних днів зросте в більшості сухопутних регіонів, причому найбільше зростання відбудеться в тропіках [1]. Європа також стала гарячою точкою хвиль спеки, демонструючи висхідні тенденції, які є в 3-4 рази швидшими порівняно з рештою північних середніх широт за останні 42 роки. У період із 2000 по 2016 рік кількість людей, які зазнали впливу хвиль спеки, зросла приблизно на 125 мільйонів [7].
Підвищення глобальної температури негативно впливає на здоров’я планети, яке охоплює здоров’я всіх рослин, тварин і людей на Землі. Зокрема, це призвело до збільшення інтенсивності та масштабності лісових пожеж і посух, втрати біорізноманіття, змін у географічному розподілі рослин і тварин, зниження врожайності сільського господарства та негативного впливу на здоров’я тварин. Окрім підвищення температури довкілля, інші кліматичні чинники, як-от відносна вологість повітря, сонячна радіація та швидкість вітру, збільшують ризик теплового стресу в рослин і тварин [8].
Ступінь майбутнього зростання глобального потепління та впливу на здоров’я планети залежить від того, як ми рухаємося вперед як глобальна екосистема [9]. Вчені змоделювали майбутні сценарії зміни клімату й визначили соціально-економічні шляхи, кожен з яких представляє різне майбутнє соціально-економічне прогнозне та політичне середовище (зростання населення, нерівність усередині й між країнами, соціально-економічний розвиток, використання енергії, технологічні зміни та стан довкілля).
У кращому разі підвищення глобальної температури оцінюється близько 1,4 °C до 2100 року. Це найоптимістичніший сценарій, який відповідає меті Паризької угоди щодо утримання глобального потепління приблизно на 1,5 °C вище доіндустріальних температур до кінця століття. У цьому сценарії глобальні викиди вуглекислого газу (CO2) скоротяться до нуля приблизно до 2050 року. У гіршому разі, зі швидким і необмеженим економічним виробництвом, використанням енергії та глобальною нерівністю, глобальна температура зросте приблизно на 4,4 °C [13]. У цьому сценарії, якого вкрай важливо уникнути, поточний рівень викидів CO2 подвоїться до 2050 року.
Наслідки теплового стресу в рослин
Тепловий стрес загрожує сільському господарству та тропічним лісам у всьому світі. Дослідження вологих тропічних лісів Австралії показало, що щорічний ризик загибелі дерев приблизно подвоївся за останні 35 років через глобальне потепління [17]. Тепловий стрес має численні негативні наслідки для рослин, впливаючи на фотосинтез, дихання, ріст, розвиток і розмноження, а також призводить до змін екосистеми через втрату біорізноманіття [18]. Він може підвищити сприйнятливість рослин до зараження патогенами та знизити харчову цінність зерна злаків [21-23]. Підвищення температури на 1 °C «коштує» 6% зниження врожайності пшениці [25].
Рослини, які зазнають впливу високих температур, мають низку механізмів для уникнення теплового стресу (рис. 1). Проте, коли ці адаптаційні засоби є неадекватними й терморегуляційні можливості рослини перевищені, виникає тепловий стрес, що призводить до зниження фотосинтезу, нестабільності мембрани та збільшення вироблення активних форм кисню (АФК).
Наслідки теплового стресу у тварин
Тепловий стрес впливає на всіх тварин, від дрібних комах до великих ссавців. У багатьох комах глобальне потепління сприяло розширенню ареалу існування та створенню й поширенню інвазивних чужорідних видів [29].
Наслідки теплового стресу включають зниження швидкості росту та репродуктивної продуктивності свійської птиці й худоби. Імунні реакції пригнічуються, і тварини вразливіші до інфекцій або стають переносниками захворювань. У птахів-бройлерів після теплового стресу спостерігалася вища поширеність сальмонельозу [41].
Тепловий стрес також впливає на поведінку, фізіологію, клітинні та молекулярні механізми тварин (рис. 2). Смерть настає після того, як механізм терморегуляції тварини не в змозі впоратися з підвищеним тепловим стресом. За оцінками, хвиля спеки 2003 року спричинила відносну надмірну смертність великої рогатої худоби на 24% [31].
Молекулярні механізми боротьби з тепловим стресом у рослин і тварин
Під час теплового стресу високий рівень АФК відзначається як у рослин, так і у тварин. АФК зумовлюють окисне пошкодження й деградацію біомолекул, як-от білки, ліпіди, вуглеводи та ДНК, що призводить до клітинної смерті. Однак АФК також діють як сигнальні молекули, що зрештою призводить до вироблення білків теплового шоку, антиоксидантів та інших метаболітів, а також протизапальних цитокінів [42, 43]. Білки теплового шоку також відіграють важливу роль у розвитку теплостійкості в рослин, які мають більшу кількість цих білків, аніж хребетні. Після епізоду теплового стресу рослини зберігають термопам’ять – клітинну «пам’ять» про тепловий стрес, що дає їм змогу краще протистояти наступним тепловим подіям.
Рослини та тварини також розвинули системи антиоксидантного захисту. Інші реакції включають вироблення месенджерних рибонуклеопротеїнових гранул («стресових гранул») і убіквінацію, яка є важливою для розбирання стресових гранул, готуючи клітину до відновлення після теплового стресу [54].
Тепло також активує гіпоталамо-гіпофізарно-наднирникову та симпато-адреналово-медулярну вісь, що вивільняє кортизол, який пригнічує вироблення прозапальних цитокінів.
Тепловий стрес у людини
Тепловий стрес має серйозний вплив на поведінку та фізіологію людини: він пов’язаний із серцево-судинними й респіраторними наслідками, а також із психічним здоров’ям [59]. У процесі адаптації до теплового стресу відбувається низка молекулярних змін (рис. 3).
Є переконливі докази того, що хвилі спеки призводять до значного збільшення кількості смертей.
Зокрема, хвиля спеки, яка вразила Західну Європу в серпні 2003 року, спричинила 70 тисяч смертей [60-62].
Кліматичні моделі передбачають, що частота найспекотніших днів зросте на 50% до середини століття [67, 68]. Дослідження Всесвітньої організації охорони здоров’я (ВООЗ) оцінює збільшення щорічної смертності, пов’язаної зі спекою, на 15 280 додаткових смертей у 2030 році та 32 152 додаткові смерті у 2050 році серед населення віком понад 65 років у Європейському регіоні ВООЗ (включаючи Центральну Азію), якщо стратегії адаптації не будуть реалізовані [69].
Під час хвиль спеки збільшується навантаження на відділення невідкладної допомоги. Наприклад, пацієнти з хронічним обструктивним захворюванням легень демонструють збільшення частоти загострень під час хвиль спеки (особливо з інфарктом міокарда в анамнезі та курці) [72].
Терморегуляція, теплове виснаження та тепловий удар
У людей реакція на тепло змінюватиметься залежно від екологічних, соціально-економічних, фізіологічних та інших чинників. Люди похилого віку й пацієнти із супутніми захворюваннями, як-от ожиріння, гіпертензія, захворювання легень, серцево-судинна патологія або діабет, мають підвищений ризик розвитку зневоднення та захворювань, що пов’язані зі спекою (теплові судоми, теплове виснаження й тепловий удар) [75-77]. Немовлята та діти також є вразливішими до сильної спеки, оскільки проводять більше часу на вулиці й мають незрілу терморегуляційну здатність [78].
Терморегуляція є життєво важливою функцією підтримки внутрішньої температури тіла в межах одного або двох градусів від 37 °C. Вироблення й розсіювання тепла залежать від узгодженого набору реакцій вегетативної та центральної нервової системи.
Гіпертермія може проявлятися пітливістю, почервонінням, тахікардією, втомою, запамороченням, головним болем і парестезією, що прогресує до слабкості, м’язових судом, олігурії, нудоти, збудження, гіпотензії, синкопе, сплутаності свідомості, марення, судом і коми [73].
Теплове виснаження характеризується гіпоперфузією тканин і ректальною внутрішньою температурою до 40 °C без центральної нервової дисфункції.
Тепловий удар може бути наслідком тривалого впливу високих температур або фізичного навантаження за високих температур, обидва з яких призводять до надмірного вироблення тепла, яке долає механізми втрати тепла в організмі [80, 81]. Тепловий удар – патологічний стан, за якого температура всередині прямої кишки становить 40,6 °C або вище. Через поліорганне ураження внаслідок гіпоперфузії та дисфункції центральної нервової системи пацієнти потребують невідкладної медичної допомоги, зокрема негайного охолодження всього тіла. Загальновизнаними чинниками схильності до поганого результату є тривалі або інтенсивні фізичні вправи, відсутність теплової акліматизації, дефіцит сну, зневоднення, зловживання алкоголем, уживання наркотиків, хронічні захворювання, літній вік, прийом нестероїдних протизапальних препаратів тощо.
Вплив на серцево-судинну систему
Одними з найкраще описаних наслідків теплового стресу для здоров’я людини є загострення вже наявної серцево-судинної патології. Під час хвиль спеки в групі ризику перебувають люди похилого віку та пацієнти з хронічними серцево-судинними захворюваннями [83-85]. Хвилі спеки спричиняють збільшення гострих захворювань серця, як-от декомпенсація серцевої недостатності й інфаркт міокарда, що призводить до збільшення кількості відвідувань відділень невідкладної допомоги [86-88]. Підвищується ризик ішемічної хвороби серця на 7% у день сильної спеки, а також ризик гіпертензії (4%) та серцевих аритмій (6%) на 5-й і 6-й дні сильної спеки відповідно [90].
Вплив на легеневу систему
Низка досліджень підтверджує зв’язок між підвищенням температури та респіраторною смертністю, захворюваністю, госпіталізацією й нелетальними наслідками [93].
Аналіз метеорологічних змінних і даних про 1 368 648 смертей в 11 містах Китаю в період із 2014 по 2017 рік виявив, що респіраторні захворювання становлять 12,79% смертності від усіх причин під час спеки, причому більшість через загострення хронічного обструктивного захворювання легень (79,95%) [94]. В іншому дослідженні кожне підвищення добової температури на 5,6 °C асоціювалося зі збільшенням на 4,3% кількості екстрених госпіталізацій у той самий день із приводу респіраторних захворювань [95].
Отже, відомо, що зміна клімату негативно впливає на здоров’я органів дихання, що також може сприяти розвитку алергічних респіраторних захворювань та астми. По-перше, це асоційовано з тим, що у відповідь на високі рівні СО2 в атмосфері алергенні рослини демонструють посилений фотосинтез і репродуктивний ефект та виробляють більше пилку, при цьому його алергенні властивості можуть збільшуватись. Очікується, що сезони пилку стануть більш тривалими та інтенсивними.
По-друге, зміна клімату впливає на екстремальні атмосферні явища, такі як теплові хвилі, посухи, грози, повені, циклони та урагани. Зокрема, грози в сезон пилку можуть збільшити інтенсивність нападів астми у хворих на поліноз, тоді як повені та дощові шторми сприяють розповсюдженню цвілі, що є причиною важкої астми. Нарешті, передбачають, що глобальне потепління може вплинути на патогенетичні аспекти гіперчутливості до пилкової алергії.
Вплив на психічне здоров’я
Тепловий стрес також пов’язують із поведінкою та різними проблемами психічного здоров’я. Вищі температури пов’язані зі збільшенням насильства й конфліктів – як міжособистісних, із вищими показниками насильницьких і сексуальних насильств [103-105], так і між групами, зі зростанням громадянських конфліктів та організованої злочинності [106-110]. Також було показано, що хвилі спеки зумовлюють самогубства: очікується, що підвищення температури в США й Мексиці до 2050 року призведе до зростання рівня самогубств на 1,4 та 2,3% відповідно [111]. У ретроспективному дослідженні, проведеному в США між 2007 і 2017 роками, кожне підвищення середньодобової температури на 5 °C асоціювалося зі збільшенням кількості сексуальних злочинів на 4,5% протягом наступних 0-8 днів [112].
Людство має визнати, що здоров’я людини залежить від здоров’я планети та взаємозв’язку тварин, рослин і довкілля. Також потрібно вивчити поточні прогалини в розумінні механізмів, які лежать в основі несприятливих ефектів, спричинених тепловим стресом, і розробити способи запобігання цим ефектам та їх пом’якшення як у рослин, так і у тварин.
Було запропоновано низку рішень для теплового стресу з використанням механізмів пом’якшення й адаптації. Наприклад, збільшення лісового покриву до 30% охолодить міста на в середньому 0,4 °C і дасть змогу запобігти близько 1,84% усіх смертей у літній період [120]. Також є важливою готовність лікарень, відділень невідкладної допомоги та закладів первинної медичної допомоги до збільшення притоку пацієнтів унаслідок екстремальної спеки.
Отже, можна говорити про те, що існує термінова потреба в діях щодо обмеження підвищення глобальної температури, відновлення біорізноманіття та захисту здоров’я живих організмів.
Зі збільшенням глобального потепління очікується збільшення ризику теплового стресу для рослин і тварин. У людей тепловий стрес пов’язаний зі збільшенням смертності й захворюваності, що впливає на серцево-судинне, респіраторне та психічне здоров’я. Надзвичайно важливо розуміти механізми, які лежать в основі теплового стресу, та знаходити способи створення жаростійких рослин, а також запобігати й лікувати наслідки підвищення глобальних температур у людей і тварин.
Література
Sampath V., et al. Acute and chronic impacts of heat stress on planetary health. Allergy. 2023; 78 (8): 2109-2120. doi: 10.1111/all.15702.