ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ПРИНЦИПЫ

Определения

Физиология - динамическое изучение функций живого организма и составляющих его органов, клеток и молекул - всегда развивалась вместе с медициной: и столетия тому назад, и сейчас цели и задачи физиологии человека (медицинской физиологии) прежде всего ориентированы на здоровье человека.

Медицинская физиология - фундамент современной медицины - изучает функции организма человека во взаимодействии с окружающей средой. Все системы организма взаимосвязаны, а их функции дополняют друг друга. Жизнедеятельность целостного организма определяется функциями систем отдельных органов, которые зависят от того, как работают клетки, входящие в их состав. В свою очередь, активность клеток определяется взаимодействием между субклеточными структурами и неисчислимым количеством внутриклеточных молекул. Таким образом, медицинская физиология, изучая организм как единое целое, приходит к интегрированному пониманию процессов, происходящих на уровне молекул, клеток и органов.

К основным понятиям и принципам физиологии относятся объекты изучения, функции объектов изучения, понятие о целостном организме - интегрированности объектов и их функций), понятие о живом как о термодинамически полуоткрытой системе (в том числе представления о внутренней и внешней средах организма), понятие о гомеостазе и механизмах регуляции постоянства параметров внутренней среды организма. Главная составляющая физиологии - функции образующих организм молекулярных, клеточных и неклеточных элементов, интегрированное множество которых формирует ткани, органы, системы органов и организм в целом. Наконец, важно понимать, что организм функционирует только во взаимодействии с внешней средой, составляя в понятиях термодинамики то, что называют «полуоткрытая система» (термодинамически открытая и закрытая системы не адекватны живым объектам).

Объекты изучения

Из определения понятия «Физиология» (динамическое изучение функций живого организма и составляющих его органов, клеток и молекул) следует, что объекты изучения медицинской физиологии - часть физического пространства, имеющие 4 координаты. Из них 3 координаты - пространственные, определяющие занимаемый организмом объём, а одна координата - координата времени). Другими словами, физиология изучает не столько статичные состояния, сколько изменяющиеся во времени характеристики объектов, т.е. процессы - конкретные функции). Конкретные функции выполняет не только организм человека в целом, но и составляющие организм ткани, органы и их системы, клетки и межклеточное вещество). Перечисленные объекты объединяет родовое понятие «гистологические элементы». Гистологические элементы подразделяют на 2 категории - клеточные и неклеточные (компоненты межклеточного вещества).

•  Клеточные элементы. К клеточным элементам относятся собственно клетка, симпласт и синцитий. Клетка - главный гистологический элемент (многоядерные элементы клеточного типа - симпласт и синцитий - образуются из отдельных клеток), а все неклеточные элементы прямо или опосредованно являются производными от клеток.

•  Неклеточные элементы - межклеточное вещество и жидкости - состоят из воды, неорганических соединений и макромолекул.

❖ Межклеточное вещество (тканевый матрикс) состоит из основного вещества и содержащихся в нём волокон (коллагеновые, эластические и ретикулиновые). Структуры тканевого матрикса построены из молекул, вырабатываемых и секретируемых клетками.

❖ Жидкости подразделяют на внутриклеточные и внеклеточные (интерстициальная, плазма, кристаллизационная, трансклеточная). Характеристика вне- и внутриклеточной жидкости существенно различны (табл. 1-1, сравни с табл. 2-1).

♦ Внутриклеточная жидкость (55% всей воды организма) содержит в низкой концентрации Na+, Cl^-, HCO₃^-, в высокой концентрации К+, органические фосфаты (например, АТФ) и белок. Низкая концентрация Na+ и высокая концентрация K+ обусловлены работой Na+,К+-АТФазы, выкачивающей Na⁺ из клеток в обмен на K⁺.

♦ Внеклеточная жидкость (45% всей воды организма) складывается из интерстициальной и трансклеточной жидкостей, кристаллизационной воды и плазмы.

Таблица 1-1. Содержание важных веществ во внеклеточной жидкости

■ Интерстициальная жидкость (20% всей воды организма) в межклеточном пространстве тканей (преобладающий катион - Na⁺, преобладающие анионы - Cl^-, HCO₃^-).

■ Плазма (7,5%); химический состав сходен с интерстициальной жидкостью, но концентрация белка в плазме выше.

■ Кристаллизационная вода кости и хряща (15%).

■ Трансклеточная жидкость (2,5%) содержится в пищеварительном тракте, жёлчи, мочевыделительной системе, внутриглазной и цереброспинальной жидкостях, а также в жидкости серозных полостей (плевра, брюшина, перикард) и в полости суставов.

❖ Ткани и органы. Клетки (на основании их генетической информации и путём межклеточных взаимодействий) вместе с другими гистологическими элементами образуют ткани, органы, системы органов, организм в целом.

•  Внешняя среда. Организм как часть физического пространства находится в постоянном информационном, физическом и химическом взаимодействии с окружающей средой.

•  Внутренняя среда организма. Этот термин применяют по отношению к межклеточному веществу и находящимся в нём клеткам. Основная физиологическая характеристика внутренней среды организма - поддержание постоянства её параметров (гомеостаза), осуществляемое разными регуляторными механизмами, важнейшее место среди которых занимает принцип отрицательной обратной связи.

Основные свойства живого

Физиология описывает важнейшие характеристики и свойства живого и живых организмов. Понятия «живое» и «жизнь» осознаются интуитивно, но вряд ли строго определимы (такие понятия принято называть аксиоматическими). Обычно представление о живых системах определяют сопоставлением с неживыми объектами. Например, только живые организмы для своего существования осуществляют обмен веществ и энергии с окружающей средой (в этом обмене участвуют специальные системы органов). Во-вторых, только живые организмы могут получать сигналы из окружающей среды и реагировать соответствующим образом (в этих процессах участвуют органы чувств, чувствительные рецепторы и нервная система). В-третьих, живые организмы способны к самовоспроизведению и росту. В-четвёртых, они способны адаптироваться к изменяющимся условиям внешней среды. И так далее; каждый из читателей в попытках охарактеризовать живое может продолжить это перечисление.

Представления о целостном организме

•  В XIX веке на смену схоластическим представлениям об организме пришла экспериментальная физиология с графической регистрацией функций и количественным анализом изучаемых явлений. Была создана физиология органов и систем организма. Проникновение в физиологию химических методов исследования сделало возможным изучение процессов обмена веществ. Благодаря трудам Майера, Джоуля и Гельмгольца, живой организм стали рассматривать как физико-химическую систему, функционирующую согласно законам сохранения материи и энергии.

•  Выдающиеся физиологи - французский исследователь Клод Бернар и основоположник отечественной физиологии Иван Михайлович Сеченов считали, что первостепенное значение для объединения клеток в единый организм имеет природа взаимоотношений организма и среды. Так, Клод Бернар считал постоянство внутренней среды решающим фактором деятельности организма, а И.М. Сеченов утверждал, что в научное определение организма должна входить и окружающая среда, влияющая на него. Позднее Уильям Кэннон сформулировал принципы автоматической регуляции постоянства внутренней среды организма - гомеостаза.

•  Идея нервизма. Проблему единства и целостности организма физиологи XIX века рассматривали с позиций ведущей и определяющей роли нервной системы в жизнедеятельности человека. Так, Клод Бернар писал «Все наши органы в своих жизненных прояв-

лениях, нормальных или патологических, зависят от нервной системы». Эти идеи Иван Петрович Павлов развил в направление, названное нервизмом. Ядро нервизма - рефлекторная теория, согласно которой в возникновении любой формы деятельности основная роль принадлежит внешним стимулам, а сам рефлекс заканчивается каким-либо физиологическим эффектом (сокращением, секреторной реакцией и т.д.). Рефлексы Павлов подразделил на 2 группы: врождённые (безусловные) и приобретаемые в течение жизни - условные рефлексы.

•  Теория функциональных систем (эти представления сформулировал Пётр Кузьмич Анохин) объясняет объединение множества клеточных и органных элементов в целостный организм за счёт полезного приспособительного результата. Любое отклонение от уровня, обеспечивающего нормальную жизнедеятельность организма, немедленно регистрируется и возвращает систему к нормальному уровню. Другими словами, все процессы протекают с постоянным информированием центра функциональной системы о достижении или недостижении полезного приспособительного результата.

•  Современная нам физиология в вопросе о способах природы, позволивших объединить огромное количество клеток в целостный организм, в котором различные клетки, ткани, органы и системы органов взаимодействуют в полной гармонии, подходит с позиций физиологической геномики. Физиологическая геномика (или функциональная геномика) - новое направление в физиологии. До настоящего времени вопрос о том, как клетки контролируют свою жизнедеятельность через механизмы экспрессии генов, физиология оставляла для молекулярной биологии и молекулярной генетики. Для современной же физиологии взаимосвязанность функций и механизмов экспрессии генов - ключевая позиция, реально вскрывающая механизмы реализации конкретных функций.

Регуляция функций

Регуляцию многообразных функций осуществляет автоматический контроль параметров жизненно важных функций внутренней среды организма (гомеостаз), а разнообразные задачи контроля и управления взаимодействием систем органов, а также приспособления к внешней среде организма человека реализуют нервная и эндокринная системы.

•  Гомеостаз - поддержание и контроль параметров жизненно важных функций внутренней среды организма - относится и к орга-

низму в целом, и к межклеточному пространству, и к клеткам. Примеры гомеостатического контроля:

❖ на уровне организма: артериальное давление (АД), базальная температура тела, объём циркулирующей крови (ОЦК) и множество других параметров);

❖ на уровне межклеточного пространства (на примере плазмы крови): содержание кислорода, углекислоты, глюкозы, K⁺, Na⁺, Ca²+, H+ и множество других;

❖ на уровне клеток: объём клеток и их органоидов, концентрация ионов (например, K⁺, Na⁺ и Ca²⁺), макроэргических соединений (например, АТФ).

•  Нервная система. Её основные отделы - сенсорный (воспринимающий), ЦНС (интегрирующий) и моторный (исполнительный). Воспринимающий отдел определяет состояние организма и реагирует на изменения внешней и внутренней среды. Головной мозг накапливает информацию, хранит её, создаёт программы деятельности, определяет реакции в ответ на сенсорные сигналы. Спинной мозг, получая сенсорную информацию и сигналы из головного мозга, включает в действие мышечную систему. Специальный отдел нервной системы - автономная (вегетативная) нервная система - действует на подсознательном уровне, контролируя функции внутренних органов.

•  Эндокринная система состоит из желёз внутренней секреции, выделяющих химические вещества, называемые гормонами. Гормоны поступают во внеклеточную жидкость всех участков тела, помогая регулировать клеточные функции. Так, йодсодержащие гормоны щитовидной железы ускоряют метаболизм, гормон поджелудочной железы инсулин контролирует обмен глюкозы.

Принципы работы регуляторных систем

Обратная связь - основной принцип работы управляющих систем - подкрепляется множественностью и избыточностью регуляторных контуров и их иерархичностью, что создаёт возможности для адаптации организма к постоянно меняющимся условиям существования.

•  Отрицательная обратная связь. Большинство контролирующих систем организма действует, используя принцип отрицательной обратной связи. Другими словами, результат действия отрицательно влияет на причину и способы, его вызвавшие. Отрицательная обратная связь нуждается, по крайней мере, в трёх элементах. Поясним на примере регуляции содержания глюкозы в плазме крови. Во-первых, необходим элемент, регистрирующий жизненно

важный параметр (например, глюкозу). Во-вторых, система должна отвечать на изменения этого параметра, изменяя характеристики начального этапа процесса (например, подавляя секрецию инсулина). Наконец, в-третьих, система должна действовать так, чтобы поддерживать нормальные значения контролируемого параметра (например, понизить уровень глюкозы в крови). Таким образом, отрицательная обратная связь поддерживает и постоянно контролирует стабильное и устойчивое состояние биологической системы.

•  Положительная обратная связь. В отличие от отрицательной обратной связи, положительная обратная связь усиливает влияние действующей причины и во многих случаях не только не приводит к стабилизации физиологической функции, но, напротив, усиливает эффект. Именно поэтому положительная обратная связь в медицине зачастую более известна под именем «drculus vitiosus» - порочный круг. Например, сердце здорового человека в нормальных условиях эффективно перекачивает 5 л крови, циркулирующей в кровеносных сосудах. Неожиданная потеря значительного количества крови (>2 л), нарушает способность сердца выполнять насосную функцию. Это вызывает столь значительное падение АД, что оно не компенсируется механизмом обратной связи. Вследствие этого поступление крови через венечные сосуды к сердечной мышце уменьшается. В результате работа сердца ослабевает, его насосная функция ухудшается, а кровоснабжение миокарда ещё более снижается. Этот цикл повторяется снова и снова - пока не наступит смерть. Конечно, в зависимости от величины и характера действующего стимула, нежелательное влияние положительной обратной связи может быть перекрыто механизмами отрицательной обратной связи.

•  Множественность регуляторных контуров. Одиночных регулирующих контуров отрицательной обратной связи в живых структурах не существует, практически всегда имеются комплексы взаимодействующих между собой петель обратной связи внутри одиночной клетки, внутри органа или системы органов и на уровне организма. Например, инсулин понижает уровень глюкозы крови, в то время как адреналин и кортизол оказывают противоположный эффект.

•  Избыточность гомеостатического регулирования зависит от важности жизненного параметра. Чем более важен жизненный показатель, тем больше систем в организме используется для его регуляции. Конечным результатом деятельности многих гомеостатических систем, контролирующих жизненные показатели, является постоянство параметров внутренней среды организма.

•  Иерархия. Среди различных регуляторных контуров наблюдается иерархичность. Например, гипоталамус контролирует эндокринные функции клеток передней доли гипофиза, тропный гормон которой (АКТГ) в свою очередь контролирует функцию коры надпочечников, а выделяемый последней кортизол, принимает участие в поддержании (в дополнение к инсулину) уровня глюкозы в крови.

•  Приоритеты. Поддержание постоянства внутренней среды - более важная задача, чем интересы клетки, группы клеток или отдельного органа. Так, во время мышечной работы образуется избыточное тепло, при этом температура тела поддерживается за счёт усиленного потоотделения и потерь тепла с испаряющимся потом. Однако образование и выделение пота однозначно уменьшает объём крови. Поскольку для организма объём крови - более важный жизненный показатель, чем поддержание температуры тела, то в какой-то критический момент системы, регулирующие объём крови, сигнализируют контролирующим температуру тела системам о необходимости уменьшения потообразования. Если индивидуум прекратит работу, то это значит, что физиологический сигнал опасности сыграл свою защитную роль. Если работа будет продолжена, то результатом может быть тяжёлое нарушение функций сердца.

Приспособление организма к меняющимся условиям среды зависит от его способности изменять величину и характер ответов. Гибкость и подвижность контуров систем обратной связи является механизмом для многих форм физиологических адаптаций. Например, в обычных условиях на уровне моря экспериментальное снижение содержания кислорода во вдыхаемом воздухе вызывает значительное увеличение частоты и глубины дыхания. После периода адаптации к низкому содержанию кислорода в условиях высокогорья тот же самый эксперимент (действие сниженного содержания кислорода во вдыхаемом воздухе) вызывает лишь кратковременное ускорение первого вдоха.