Профессиональное утомление: фундаментальные и прикладные проблемы

1.1. Зарождение учения об утомлении

Проблема утомления является одной из центральных в исследованиях по физиологии, психологии и гигиены труда, медицины, эргономики и другим наукам о человеке. Она имеет уже полуторавековую историю и привлекала к себе внимание многих известных отечественных и зарубежных ученых, таких как И.М. Сеченов, И.П. Павлов, В.М. Бехтерев, Н.Е. Введенский, А.А. Ухтомский, B.C. Фарфель, А. Моссо, М. Vernon, A.Bills, M.Crowford, F. Bartlett, С. Cameron, McFarland и других, которые определили место этой проблемы в ряду прочих направлений изучения трудовой, учебной, спортивной деятельности человека. Развитие исследований утомления – причин его зарождения, механизмов развития, особенностей проявления и последствий, методов диагностики, профилактики, восстановления и ряда других вопросов – осуществлено в работах А.Н. Крестовникова, Г.В. Фольборта, А.Д. Слонима, С.А. Косилова, В.В. Розенблата, В.И. Медведева и многих других ученых.

К 1920-м годам только перечень работ по проблеме утомления включал более 1300 наименований, а в настоящее время таких работ насчитывается уже многие десятки тысяч (Фролов и др., 1992). Сведения о различных аспектах этой проблемы можно найти в многочисленных журнальных статьях, сборниках, материалах научных конференций, однако, несмотря на столь пристальное внимание, к настоящему времени имеются лишь единичные монографии, в которых доминирует комплексное изучение различных вопросов утомления. Следует отметить, что существует целый ряд обстоятельных обзоров работ отечественных и зарубежных авторов по различным вопросам проблемы утомления (Моссо, 1893; Левицкий, 1922, 1926; Шатенштейн, 1931, 1939; Маршак, 1934; Bartley, Shute, 1947; Фольборт, 1948, 1951; Армстронг, 1954; Виноградов, 1958; Розенблат, 1961, 1975; Кулак, 1968; Зинченко др., 1977; Holding, 1983; Фролов и др., 1992 и др.). Однако многие теоретические и прикладные вопросы проблемы утомления, особенно в связи с возрастанием роли умственной деятельности в жизни человека, не получили должного внимания исследователей и остаются недостаточно изученными или спорными в своих результатах или трактовках. Это относится, в частности, и к самому термину «утомление», по данным Ф. Бартлея и Е. Шуте, к 1947 г. насчитывалось более 100 определений понятия утомление.

Развитие исследований проблемы утомления происходило в несколько основных этапов. На начальном этапе изучения утомления, которое обусловливается физической нагрузкой, оно рассматривалось как процесс, происходящий в рабочем органе. Возникновение утомления связывали с накоплением в мышце отработанных продуктов (молочной кислоты, продуктов распада белков-кетотоксинов и других веществ), с недостатком в плазме крови энергетических веществ, необходимых для работы. В результате этих исследований были сформулированы различные теории утомления. К их числу относятся теории «засорения», «отравления», «задушения», «истощения» и др. (см.: Виноградов, 1958; Розенблат, 1975, Фролов и др., 1992).

Авторы теории «засорения» (Пфлюгер, Ли, Хилл, Флетчер) утверждали, что утомление происходит вследствие накопления в крови продуктов метаболизма (молочной кислоты, углекислоты). Для доказательства этого положения кровь очень утомленной собаки вводилась бодрой собаке, у которой в результате этой процедуры быстро проявлялись признаки утомления. Однако в дальнейшем оказалось, что введение в кровь белка обычного куриного яйца может вызвать такое же состояние.

Согласно теории «задушения» (Ферворк), утомление связывалось с нарушением процессов окисления и недостатком кислорода. Известно, что всякое мышечное усилие вызывает увеличение потребления кислорода и его недостаток приводит к нарушению процессов метаболизма и выделения необходимой для работы энергии. Однако впоследствии было выяснено, что и в бескислородной среде мышцы могут работать за счет анаэробных процессов, которые характеризуются тем, что такие энергетические вещества, как аденозин-трифосфорная кислота (АТФК), гликоген, содержащие в себе запасы энергии, расщепляются не полностью, образуя энергетически богатые промежуточные вещества (аденазиндифосфат, молочная кислота). В последующем они подвергаются обратному синтезу, но для этого необходим кислород, которого в ряде случаев не хватает, и если работа в этих условиях продолжается, то в организме постепенно увеличивается дефицит кислорода.

Согласно теории «истощения» (Шифф, Моссо), мышца утомляется по мере снижения количества питательных веществ, потребляющихся ею при работе. Во время отдыха эти вещества как бы снова вырабатываются, накапливаются в мышце, и восстанавливается ее работоспособное состояние. Однако биохимическими исследованиями было доказано, что малозаметные сдвиги в содержании питательных веществ отнюдь не могут свидетельствовать об истощении мышц. Утомление наступает задолго до того, как можно констатировать исчерпание в ней питательных веществ.

Процесс отравления организма специфическим белковым «ядом усталости» («кенотоксином»), образующимся при мышечной работе, является основанием «токсической» теории (Вейхардт).

За основу этих теорий было принято положение о влиянии молочной кислоты на физиологические функции организма (Weichardt, 1905; Fletcher, Hopkins, 1906; Lee, 1906; Lindhard, 1920; Hill, 1929 и др.). Указанные теории получили название гуморально-локалистических.

Однако при современном развитии учения об обменных процессах в организме сама постановка вопроса об утомлении как «истощении» вызывает сомнение. Как известно, основными энергетически ценными веществами, которые тратятся при мышечной работе и «истощение» которых могло бы рассматриваться как причина утомления, являются углеводы (гликоген) и липоиды. Невероятно, чтобы за 20–30 мин. работы, приводящей к острому утомлению, были исчерпаны все энергетические ресурсы. При тяжелой или длительной работе сахар крови в значительных размерах потребляется мышцами, сердцем, головным мозгом, но это потребление непрерывно возмещается поступлением сахара (и гликогена) из печени в кровь. Даже при самой напряженной работе в печени все еще остается значительный запас гликогена. Кроме того, существует реальная возможность синтеза гликогена из продуктов разрушения веществ неуглеводной природы.

Теория «отравления» во всех ее разновидностях выражает традиционное стремление физиологов истолковывать возникновение всякого нового состояния действием специального агента. Столь же консервативны по существу и попытки представить утомление как результат засорения и интоксикации («отравления») продуктами расщепления и преобразования некоторых веществ (белков, жиров).

Общим для всех гуморально-локалистических теорий является перенесение изменений, происходящих во время работы в изолированных органах, в частности в мышечном препарате, на организм в целом. Безусловно, выявленные авторами этих теорий факты играют определенную роль в развитии состояния утомления, но они не являются ведущими.

Согласно локалистическим теориям, предполагается, что действие факторов, вызывающих утомление, происходит с самого начала работы. В действительности работа, по сути, является одним из ведущих факторов совершенствования функциональных систем организма, если, конечно, она рационально дозируется и соответствует их возможностям. Только превышение рабочей нагрузки индивидуальных ресурсов человека – его профессиональной подготовленности, состоянию физиологических и психических функций – приводит к развитию утомления.

Существенным недостатком этих теорий является недооценка исключительной роли центральной нервной системы в развитии утомления. Отдельные факты ее значения в механизмах утомления были известны давно, но создать цельное представление о центрально-корковой природе утомления стало возможным благодаря работам И.М. Сеченова, И.П. Павлова, Н.Е. Введенского, А.А. Ухтомского.

Известно, что работа является мощным стимулятором, фактором совершенствования соматических и вегетативных функций, обеспечивающих тренированность организма и повышение его резервных возможностей. В частности, В.М. Виноградов в 1958 г. писал: «Для всех локалистических теорий… характерно пренебрежение ролью той системы, которая согласует, координирует работу частей и функций организма, – ролью нервной системы. И нельзя сказать, что в распоряжении физиологии не было достаточно убедительных фактов, говорящих об исключительном значении центральной нервной системы в развитии утомления» (Виноградов, 1958, с. 343). При этом он ссылается на работы итальянского физиолога А. Моссо (1893), который отмечал, что существует единая в своем проявлении усталость, а именно нервная, потому что она является во всех случаях преобладающим и определяющим явлением. Даже мышечная усталость в основе своей обусловливается истощением нервной системы.

Когда в конце 1980-х годов А. Моссо предложил свой эргограф, в связи с чем стали широко проводиться исследования на человеке, толкование получаемых данных шло по тому же гуморально-локалистическому руслу. Наибольшее распространение имела «периферическая» теория Дж. Иотейко (Joteyko, 1920), который считал, что в ходе работы утомляются нервные центры, хотя в первую очередь страдают периферические аппараты. Падение их работоспособности вызывает необходимость более сильных нервных импульсов, в результате чего вторично могут истощаться двигательные нервные центры.

Сторонником «периферической» теории был и датский физиолог Д. Линдгард (Lindhard, 1920), много работавший в области физиологии физических упражнений. Он развил представления о том, что общеизвестная наибольшая «утомительность» статических напряжений по сравнению с динамической работой обусловлена быстрым накоплением в непрерывно сокращающихся мышцах молочной кислоты из-за пережатия вен напряженными мышечными волокнами.

1.2. Исследования роли ЦНС в развитии утомления

С началом исследований проблемы утомления стали возникать представления о роли в этом процессе нервной системы. Основоположником этих представлений иногда считают А. Моссо. Зарубежные авторы часто говорят о борьбе «центральной» теории А. Моссо и «периферической» теории Дж. Иотейко, однако позиции первого были все же недостаточно последовательными.

В отличие от зарубежных исследователей большинство отечественных авторов в вопросе об утомлении ориентировались на два основополагающих методологических принципа: изучение утомления на человеке и выявление роли центрально-нервных механизмов развития этого состояния.

С большой определенностью высказался в пользу центрально-нервной природы утомления И.М. Сеченов, когда он подводил итоги своим исследованиям активного отдыха, значения перерывов в работе, длительности рабочего дня, природы утомления (1935, 1945, 1952). Направление исследований с позиций нервизма было положено работами И.П. Павлова, Н.Е. Введенского, А.А. Ухтомского, В.О. Бугославского, П.А. Конопасевича, которые послужили И.М. Сеченову предпосылкой для обоснования взгляда о центральной природе утомления.

Так, Н.Е. Введенским (1885, 1952) было показано, что угнетение работоспособности может представлять не только обычное утомление, но и реакцию типа торможения, которое быстро наступает при слишком частых или сильных раздражениях.

Основываясь на теоретических взглядах классиков отечественной физиологии, Л.Л. Васильев с соавт. (1926) и М.И. Виноградов (1935) показали большую роль центрального торможения в механизме утомления при мышечной работе. В.А. Левицкий (1922, 1926) выдвинул идею о двух компонентах сознательно-волевой мышечной деятельности – корковом и вегетативном. На значение параметра лабильности, доминантных состояний и координационных отношений в центральной нервной системе в генезе утомления указал А.А. Ухтомский (1934, 1936). К.Х. Кекчеев (1949) подчеркнул значение нарушения адаптационно-трофической функции симпатической нервной системы в развитии утомления. Наука накопила громадное количество экспериментального материала, доказывающего центрально-корковую природу утомления.

В противовес гуморально-локалистическим теориям рядом физиологов были развиты оригинальные представления в области центрально-нервной теории, которые можно представить в виде четырех основных направлений.

К первому направлению следует отнести работы, в которых обосновывается большая роль процессов центрального торможения в механизме утомления при мышечной работе. Развивая положение о том, что центрально-нервный механизм трудовых процессов есть доминанта Ухтомского, Л.Л. Васильев с соавт. (1926) экспериментально обосновали положение о торможении как факторе утомления. По Л.Л. Васильеву, торможение наступает вследствие затухания доминанты, воздействия центростремительных импульсов работающих мышц, влияния на нервные центры биохимических сдвигов в крови при работе.

Второе направление связано с работами В.А. Левицкого (1922, 1926), который строит свою концепцию центрального утомления, исходя из того бесспорного факта, что сознательно-волевая мышечная деятельность человека несравненно более утомительна, чем аналогичная деятельность без контроля сознания. Этот факт, по В.А. Левицкому, может послужить ключом для понимания центрального механизма утомления.

Теория В.А. Левицкого была подвергнута критике за умозрительность, за утверждение автора о полной автономности коры головного мозга и вегетативной нервной системы в механизмах утомления. Однако его заслугой явилось утверждение о роли сознательно волевой, т. е. сугубо корковой, в регуляции мышечной деятельности и о защитной биологической роли утомления.

Третье направление работ отечественных физиологов в области теории утомления связано с именем А.А. Ухтомского (1927, 1934, 1936). Он самым решительным образом протестовал против отождествления утомления с торможением. По его мнению, утомление есть не защитная реакция и вообще не нормальное состояние, а «дефектное состояние» ткани. Он утверждал, что нельзя локализовать утомление в одном определенном звене и выдвинул положение о роли расстройства координации различных процессов и, в частности, о значении изменения лабильности нервных процессов в развитии утомления.

Данное направление стало ведущим у отечественных исследователей, занимающихся проблемой утомления. О наличии многообразных механизмов утомления при доминирующей роли центральной нервной системы свидетельствуют работы Д.И. Шатенштейна (1936, 1939) и его учеников, а также Г.П. Конради, А.Д. Слоним и B.C. Фарфель (1935).

Четвертое направление исследований в области центрально-нервной теории мышечного утомления и отдыха было развито К.Х. Кекчеевым (1947, 1949), который рассматривал механизм утомления как проявление понижения адаптационно-трофических влияний на центральную нервную систему в силу диффузного вегетативного рефлекса. Причиной такого рефлекса автор считал длительный поток центростремительных импульсов от проприорецепторов работающих мышц.

Таким образом, отечественными физиологами был создан ряд оригинальных направлений в области центрально-нервной теории утомления. Глубокий анализ этих работ и результаты исследований утомления с позиций нервизма представлены в трудах М.Е. Маршака (1934, 1946), B.C. Фарфеля (1948), Д.Е. Розенблюма (1947), А.Н. Крестовникова (1951), И.А. Кулака (1953) и В.В. Розенблата (1958, 1961, 1975).

Большое значение для понимания механизмов утомления имеют работы П.К. Анохина (1975), посвященные обоснованию теории функциональных систем, позволившей объяснить физиологическую сущность произвольной деятельности человека, установить основные принципы регуляции физиологических функций. В соответствии с теорией функциональных систем стало возможным понять сущность работоспособности человека как одного из видов саморегулирующихся процессов. Работоспособность можно рассматривать как своеобразную индивидуальную «физиологическую константу», которая отражает, в частности, процессы восстановления энергетических ресурсов, израсходованных во время работы. В этой связи, по мнению Н.И. Фролова с соавт. (1992), утомление следует рассматривать как своеобразный регулятор расхода энергетических веществ и катализатор восстановительных процессов функциональной системы.

Обычно в процессе трудовой деятельности человека функциональные системы организма находятся в состоянии тесного взаимодействия, особенно с системой восстановления энергетического потенциала. В ряде случаев слаженность их функционирования нарушается и они вступают в своеобразное противоборство друг с другом. Некоторые авторы называют этот процесс нейрофизиологическим конфликтом. Он может приводить к дискоординации в деятельности нервной системы, нарушению взаимодействия между отдельными функциональными регуляторами (нервными центрами) в деятельности головного мозга.

Исследованиями установлено, что дискоординация и регресс функциональной системы тесно связаны с общим тонусом нервной системы. Оптимальный тонус центральной нервной системы обеспечивает высокую работоспособность, тонизирующая импульсация – «блокировку» всех конкурирующих рефлексов по отношению к доминантному рефлекторному акту.

1.3. Исследования умственного утомления

На первых этапах изучения проблемы утомления экспериментальные работы были посвящены исключительно утомлению от мышечной работы, что было обусловлено преимущественно физическим характером трудовых процессов на производстве. В 1947 г. К.Х. Кекчеев писал, что ему не известна ни одна серьезная попытка вскрыть и проанализировать физиологический механизм умственного утомления. Через десять лет B.C. Фарфель и С.А. Косилов (1956) также отмечали, что природа умственного утомления недостаточно изучена.

Однако еще в 1879 г. русским психиатром А.Н. Сикорским были проведены первые эксперименты по оценке умственного утомления: он предлагал ученикам диктанты до и после занятий, а степень утомления оценивал по количеству ошибок (Фролов и др., 1992).

Одной из первых отечественных работ, посвященных умственному утомлению, был сборник «Психическое утомление» под редакцией А.Н. Нечаева (1929). В этой книге были представлены результаты экспериментальных исследований педагогического и некоторых видов производственного труда.

Психологические (психофизиологические) исследования профессиональной деятельности, работоспособности и утомления человека получили систематический характер в связи с научной деятельностью В.М. Бехтерева и его школы сначала в рамках объективной психологии и прикладной психофизиологии, а позже – рефлексологии труда (1920, 1926 и др.). В работе О.Г. Носковой (1997) представлен аналитический обзор основных направлений и результатов психологического изучения профессионального утомления в первой половине XX в.

В изучении профессионального утомления, по мнению О.Г. Носковой, можно выделить два подхода. Представители статистического подхода сосредотачивали свои усилия на поиске значимых связей, зависимостей между трудовыми достижениями (продуктивностью работы) и параметрами условий труда, длительностью рабочей недели, организации (режима, нагрузки) труда. Он был ориентирован не на изучение отдельных индивидуальных случаев, а на выявление массовых зависимостей и, в частности, выявление факторов развития утомления, характерных для большинства работников, на которых действуют сходные производственные условия. Данные о таких общих закономерностях можно использовать для управления продуктивностью труда.

Поведенческий подход к изучению профессионального утомления был основан на выявлении и исследовании психологических, психофизиологических функций, лежащих в основе работоспособности человека как его свойстве, определяющем возможности выполнять конкретную работу с заданными значениями продуктивности и в течение определенного времени. Суждение о состоянии тех или иных психических функций основывалось на оценке поведенческих актов при выполнении стандартизированных заданий-тестов.

В области экспериментального исследования умственного утомления одним из первых был немецкий психиатр Э. Крепелин (1898), длительное время работавший в России. Он явился создателем теста на сложение двухзначных чисел, который выполняется в течение определенного времени с фиксацией результатов через определенные временные интервалы, что позволяло оценивать динамику продуктивности. Э. Крепелин гипотетически предположил, что получаемая кривая работы является интегральной характеристикой динамики работоспособности, которая отражает воздействие на обследуемого разных факторов, в том числе и утомления.

В области исследования умственного утомления школьников подобные тесты разрабатывал и использовал А.П. Нечаев (1926, 1929). Он применял свои тесты-задания также при изучении утомления летчиков и студентов.

О.Г. Носкова обращает внимание на то, что А.П. Нечаев разработал набор тестовых заданий, с помощью которых возможно косвенно судить об изменении функций памяти, внимания, координации движений, скорости реакций и применял этот набор заданий при исследовании разных профессий. Такой подход был оправдан тем, что, во-первых, выраженные формы утомления имеют общие проявления (симптомы) у представителей разных профессий и, во-вторых, действительно можно выявить общие закономерности в изменении когнитивных и сенсомоторных функций при утомлении.

Подобный эмпирический подход в исследовании профессионального утомления использовался и отечественными психотехниками. Выявление специфических для конкретного вида труда симптомов утомления основывалось на психофизиологическом изучении профессии, проводившемся экспериментаторами при использовании трудового метода. Применение этого метода позволяло строить гипотезы о субъективных переживаниях усталости, анализировать трудности и ошибки в работе, выявлять признаки дезавтоматизации, дезориентации, дезорганизации поведения человека, сопровождающие развитие утомления (Шпильрейн, 1930; Геллерштейн и др., 1929).

Указанный методический подход к изучению профессионального утомления определял необходимость разработки батареи методов диагностики утомления для каждой профессии (или группы профессий), что связано со специфическими проявлениями утомления в конкретных видах профессиональной деятельности и с ее особенностями в содержании, средствах, условиях и организации труда.

Несмотря на определенные достижения в разработке и применении методов изучения утомления, целых ряд ведущих специалистов (Берлов, 1930; Геллерштейн, 1929; Шпильрейн, 1931; Шатенштейн, 1931 и др.) отмечали в целом кризисное состояние проблемы профессионального утомления, прежде всего, в связи с низкой валидностью и надежностью методического аппарата его исследования и оценки. В частности, использование одного и того же метода при обследовании группы работников (однородной по возрасту, стажу, состоянию здоровья) приводило к результатам разной направленности. Данный факт отмечался З.И. Чукмаревым (1930) при изучении утомления у врачей. Изменение психических функций под влиянием трудовой нагрузки отражает, по его мнению, величину «изнашивания» личности трудом. Он обнаружил признаки разных структурных особенностей работы психических функций, варианты и компенсации, замещения, доминирования у разных профессионалов и их динамику в течение рабочего дня.

Еще в 1931 г. Л.И. Шатенштейн сделал вывод о том, что методологический и методический кризис в области исследований профессионального утомления обусловлен неадекватностью используемой исследователями теоретической модели работающего человека. Эта модель односторонняя, учитывает лишь биологические процессы в отдельных органах, без целостного представления человека. По представлению Шатенштейна, существуют общие закономерности изменений в организме человека, сопровождающие выраженное состояние утомления. Ранние же формы утомления, попытки его измерения затруднены тем, что в действительности существует много вариантов изменения функций человека в труде (в зависимости от индивидуальных свойств людей, состояния их здоровья, образа жизни, питания, от их квалификации, отношения к работе и т. д.). Поэтому общий вывод Л.И. Шатенштейна сводился к тому, чтобы изучать в прикладных целях не столько утомление, сколько работоспособность человека и учитывать итоговую продуктивность его труда как интегральный индикатор работоспособности.

Аналогичный вывод сделал и С.Г. Геллерштейн (1932), призывая психотехников и психофизиологов труда сделать предмет исследования адекватным объекту воздействия: «В решении задач рационализации труда, в которой человек выступает как деятель, процесс и результаты которого регулируются сознанием, следует исследовать работоспособность человека – субъекта труда, а не ограничиваться изучением биологических изменений в отдельных функциях, органах его организма, ибо процесс и результаты труда детерминированы социально и биологически. Причем социальная детерминация играет ведущую роль, а изменения в организме оказываются лишь факторами, содействующими или тормозящими достижению успеха в труде» (цит. по: Носкова, 1997, с. ИЗ).

В 1947 г. К.Х. Кекчеев в своей работе, обобщающей состояние исследований физической и умственной работоспособности, представил свою гипотезу о психофизиологических механизмах работоспособности и утомления человека, в которой обосновал роль не только организменного, но и личностного уровня регуляции его функциональных возможностей и поведения, что явилось существенным вкладом в теорию психофизиологических механизмов профессиональной деятельности человека.