>

Гомеостаз обратные связи в организме. Характеристика, функции, примеры и механизмы поддержания гомеостаза

Допущено
Всероссийским учебно - методическим центром
по непрерывному медицинскому и фармацевтическому образованию
Министерства здравоохранения Российской Федерации
в качестве учебника для студентов медицинских институтов

Основная цель, проходящая через все главы читаемого тобой, коллега, учебника - формирование представления о болезни как о нарушении гомеостаза.

Способность организма, несмотря на довольно частые патогенные воздействия на организм неблагоприятных вредных факторов, поддерживать устойчивое состояние здоровья, известна с древних времен. Еще Гиппократ знал, что болезни могут излечиваться естественными силами природы "vis medicas nature". Теперь это явление природы живых организмов обозначают как Гомеостаз. Таким образом, термин гомеостаз в общей форме обозначает устойчивость организма к вредоносным влияниям среды.

Реакции, обеспечивающие гомеостаз, направлены на поддержание устойчивого (постоянного) неравновесного состояния внутренней среды, т.е. известных уровней состояния путем координации комплексных процессов для устранения или ограничения действия вредоносных факторов, на выработку или сохранение оптимальных форм взаимодействия организма и среды.

29.1. Реактивность

Изменения реактивности направлены на противодействие вредоносным влиянием среды и имеют, главным образом, защитный (приспособительный), т.е. адаптивный характер. Гомеостаз при этом сохраняется на новом уровне выраженности механизмов устойчивости.

Таким образом, термин реактивность в общей форме обозначает механизм устойчивости (резистентности) организма к вредным влияниям среды, т.е. механизм поддержания гомеостаза.

Общей формой реактивности является биологическая (видовая) реактивность. Она, в свою очередь, делится на групповую и индивидуальную реактивность.

Биологическая реактивность - изменения жизнедеятельности защитно-приспособительного характера, которые возникают под влиянием обычных (адекватных) для каждого вида животных раздражений окружающей среды. Она генетически закреплена и направлена на сохранение как вида (человек, птицы, рыбы) в целом, так и каждой особи в отдельности. Ч.Дарвин: "Эволюционный механизм изменчивости целенаправлен (телеологичен) на увеличение выживаемости".

Примеры: сложнорефлекторная деятельность пчел, сезонные миграции птиц, рыб, сезонные изменения жизнедеятельности животных (спячка сусликов, медведей и т.д.).

Давая характеристику основ учения о гомеостазе, крупный отечественный патофизиолог И.Д.Горизонтов писал: "Явление гомеостаза по существу представляет собой эволюционно выработанное, наследственно закрепленное адаптационное устройство организма к обычным условиям окружающей среды".

Измененная реактивность возникает при действии на организм болезнетворных факторов среды. Она, в общем, характеризуется:

  1. понижением приспособительных реакций;
  2. но в то же время при болезни имеет место и усиление ряда реакций для защиты организма от данного вредного фактора и от последствий вызванного им повреждения (лихорадка, потоотделение, повышение артериального давления, выработка антител, воспаление и др.).

Как же с точки зрения учения о гомеостазе должен вести себя организм в случаях воздействия факторов окружающей среды, выходящих за пределы "нормы", то есть вредоносных? Восстановление обычных свойств внутренней среды является результатом усиления функциональной активности либо кратковременной (тахикардия, тахипноэ, потоотделение), либо длительной, например, викарное усиление активности потовых желез при недостаточности почек; (лихорадка, выработка Т-лимфоцитов-киллеров); в тоже время болезнетворное начало может нарушить согласованность работы механизмов поддержания постоянства внутренней среды, что будет сопровождаться снижением приспособительных реакции организма.

Суммируем наши размышления: гомеостаз - более широкое понятие, чем реактивность. Различные виды реактивности - это механизм гомеостаза. Отсюда следует принципиальный вывод: гомеостаз означает не только сохранение постоянства или оптимальное восстановление и приспособление к условиям окружающей среды. Сама болезнь по своей биологической сущности также представляет собой проблему гомеостаза, нарушения его механизмов и путей восстановления. Болезнь - это нарушенный гомеостаз.

Итак, раздел "реактивность" целесообразно изучать и знать с позиции гомеостаза. О реактивности вы прочтете в учебнике А.Д.Адо и соавторов, а я расскажу вам далее о гомеостазе. Вместе с тем, вы должны четко представлять, что различные виды реактивности могут поддерживать гомеостаз до определенных пределов и составляют предмет изучаемой традиционной медицины. В измененных условиях среды физиологические механизмы гомеостаза не справляются, возникают экологические болезни (рак, аллергия, наследственные патологии), угроза может быть предупреждена только с позиций экологической медицины. Цель ее - идентификация вредного фактора окружающей среды, разработка мер профилактики и лечения его неблагоприятного воздействия на уровне популяции.

29.2. Гомеостаз, его механизм и значение. Исторические основы учения о гомеостазе

Почти 100 лет назад выдающийся французский ученый Клод Бернар впервые поставил вопрос о значении гомеостаза (хотя сам термин был введен позднее американским ученым У.Кенноном). Будучи непримиримым противником витализма (духовного первотолчка в происхождении жизни), К.Бернар придерживался материалистических взглядов. По его мнению, все проявления жизни обусловлены конфликтом между предшествующими силами организма (конституцией) и влиянием внешней среды.

Может быть, в этом же кроется и вечность проблемы "отцов и детей", конфликт между взглядами, традициями 25-35 летней давности (молодость отцов) и новыми взглядами, диктуемыми текущей жизнью, которые легко впитываются юношеством и критически воспринимаются отцами?

Возвращаясь к концепции К.Бернара. Сам конфликт между конституцией и средой выявляется в виде феноменов двух видов: синтеза и распада. На основе этих двух противоположных процессов и создается приспособление организмов к условиям среды или адаптация, которая представляет собой гармоничную связь между организмом и средой.

29.2.1. Формы жизни по К.Бернару

К.Бернар считал, что воздействие внешней среды привело к образованию 3-х форм жизни:

  1. Латентной - жизнь внешне не проявляется, полное подавление обмена веществ (цисты у глистов, споры у растений, сухие дрожжи);
  2. Осциллирующей - зависящей от окружающей среды. Это свойственно для беспозвоночных и холоднокровных позвоночных (лягушек, змей), некоторых видов теплокровных, впадающих в состояние гибернации (спячки). В это время они мало чувствительны к кислородному голоданию, травме, действию инфекции. В настоящее время искусственное охлаждение вызывают и у человека при производстве сложных операций на сердце. Обязательным условием благоприятного выхода из гибернации является предварительное накопление в организме питательных веществ;
  3. Постоянная или свободная жизнь - такая форма жизни характерна для животных с высокой организацией, жизнь которых не прекращается даже при резких изменениях условий окружающей среды. Поэтому эти формы жизни эволюционно более прогрессивны, и стали господствующими на Земле.

29.2.1.1. Две среды организма

Органы и ткани функционируют примерно одним и тем же образом, без значительного изменения уровня их активности. Происходит это благодаря тому, что внутренняя среда (кровь, лимфа, межклеточная жидкость), окружающая органы и ткани, не меняется.

К.Бернар писал, что в организме создается собственная неизменяемая среда, несмотря на меняющиеся условия внешней среды. В результате организм живет как бы в теплице, оставаясь свободным и независимым.

Таким образом, у каждого высокоорганизованного животного имеется две среды: внешняя (экологические взаимодействия), в которой находится организм, и внутренняя, в которой живут элементы тканей. Резюмируя, можно сказать, что гомеостаз, т.е. постоянство внутренней среды, является условием свободной и независимой жизни.

29.2.1.2. Значение резервов в организме для гомеостаза

Питание физиологических механизмов гомеостаза не является прямым, а осуществляется путем расходования резервов. Можно сказать, что мы едим не то, что приняли только что, а то, что съели перед этим (вчера). Следовательно, принимаемая пища должна ассимилироваться, а затем уже организм ее расходует. Значение резервов для гомеостаза позже было показано в трудах Кэннона. В организме существуют резервы углеводов (гликоген), жиров. Энергия запасается в виде АТФ, ГТФ. Значение этих резервов энергии чрезвычайно высоко, т.к. устойчивое неравновесие как уникальный признак биологической системы возможно только при условии постоянных энергетических затрат.

Подводя итоги работы, К.Бернар писал, что в латентной жизни существо целиком подчинено влиянию внешней среды. В осциллирующей - оно периодически зависит от окружающей среды. В постоянной жизни существо кажется свободным и его проявления образуются и направляются внутренними жизненными процессами. Однако, это понятие не адекватно независимому "жизненному началу", к которому прибегают виталисты для объяснения сущности жизни.

29.3. Дальнейшее развитие учении о гомеостазе

К.Бернар особо подчеркивал, что независимость проявлений внутренней жизни является иллюзорной. Наоборот, в механизмах постоянной или свободной жизни взаимоотношения внутренней и внешней среды являются наиболее тесными и наиболее очевидными.

В то же время К.Бернар, опираясь на свое учение о постоянстве реакций организма, считал, что он приобретает независимость от внешних превратностей и не признал учение Ч.Дарвина. Известно, что великий англичанин во главу своего учения ставил влияние внешней среды на организм. Изменившиеся организмы, приобретшие более совершенные механизмы приспособляемости, выживали, адаптировались. Другие - безжалостно уничтожались природой. Примирил эти два противоположных взгляда американский физиолог Кэннон.

Кэннон Вильямс (1871-1945) - выдающийся физиолог нашего столетия, основатель учения о гомеостазе как саморегуляции постоянства внутренней среды организма. Влияние этого учения не ограничилось физиологией и стало основополагающим для всей медицины. Значимость учения о гомеостазе для патофизиологии, изучающей теоретические основы болезни, делает необходимым подробнее остановиться на этой важной вехе развития медицинской науки. "Чудо биологии - удивительная способность живого организма сохранять постоянство своих реакций. И это вопреки непрочности компонентов, его составляющих".

Как же Кэннону удалось объединить экспериментальный и эволюционный способы мышления? Это удалось ему сделать, исходя из позиций телеологичности - целесообразности всего живого. Им была выдвинута идея о том, что сохранение постоянства внутренней среды делает организм более устойчивым к изменениям внешней среды, т.е. сохраняет выживаемость организма. Говоря проще, эволюционно приобретенное свойство гомеостаза высших организмов позволяет им быстрее приспосабливаться к изменениям внешней среды.

Организм в целом Кэннон рассматривает как активную саморегулирующуюся систему. Главным объектом саморегуляции является внутренняя среда - кровь, лимфа, межклеточная жидкость.

Основной механизм гомеостаза - реактивность. Главным мотором Кэннон считал симпато-адреналовую систему. В ходе исторического познания природы организма нервный и гуморальный факторы превратились в объекты специального анализа. Феномены, нераздельные в живом организме, оказались искусственно разграниченными.

29.4. Регулирующая роль нервной и эндокринной (САС, ОАС) систем в поддержании постоянства внутренней среды, т.е. гомеостаза

Кэннон в своей книге "Мудрость тела" разбирал роль симпатической нервной системы в гомеостазе. Он рассматривал симпатический отдел нервной системы в качестве главного фактора срочной мобилизации защитных сил организма для восстановления нарушенного равновесия. Можно вообще сказать, что быстрота реакции (сек) для экстренной перестройки обеспечивается именно нервной системой.

Л.А.Орбели, наш выдающийся физиолог, установил адаптационно-трофическую роль нервной системы, сущность которой заключается в том, что симпатическая нервная система меняет функциональную готовность органов в соответствии с условиями существования организма. Например, раздражение симпатической нервной системы восстанавливает работоспособность утомленной скелетной мускулатуры. Фактически им заложены основы учения о допинге. Большая роль при этом принадлежит ретикулярной формации (сетевидному образованию) ствола головного мозга - центральному отделу САС.

Гормональные влияния рассчитаны на более длительное время перестройки организма (минуты, часы). Кэннон соединил "симпатическое" и "адреналовое" дефисом, призванным отобразить понятие системного единого характера функционирования особого, целостного механизма - САС, предназначение которой - обеспечить гомеостаз.

Дальнейшее развитие представлений о возникновении болезни как патологии регуляторных систем организма, связано с именем канадского физиолога Ганса Селье, директора института экспериментальной хирургии и медицины в Монреале, автора одного из величайших открытий биологии XX века - явления стресса.

Развитие медицины XIX пека привело к представлению о том, что каждое заболевание должно иметь свою собственную причину.

Например, характерный синдром кори или дифтерии может быть обусловлен только специфическим организмом (микроорганизмом). Но специфических признаков, по которым ставят диагноз, так мало.

В отличие от этого, Г.Селье сформировал понятие о "синдроме заболевания вообще". К мысли об этом он пришел еще в студенческие годы. Много позже он вкладывал в это понятие неспецифичность однообразной реакции системы гипоталамус-гипофнз-кора надпочечников, отмечающейся при действии любого повреждающего агента.

Эта реакция была названа им "общим адаптационным синдромом" (ОАС), направленным на поддержание гомеостаза организма. Вот как описывает Г.Селье свои представления об ОАС: "Человек должен был уяснить, что во всех случаях, когда он сталкивался с длительной или непривычно тяжелой задачей - будь то плавание в холодной воде, поднимание тяжелых камней или голодание - он проходит через 3 стадии: вначале он ощущает трудность, затем привыкает к ней, и наконец, не может больше с ней справиться. Он не думает об этом, как об общем законе, регулирующем поведение животных существ в особо напряженных условиях. Настоятельная необходимость поиска пищи и жилья не позволяет ему думать о таких концепциях, как гомеостаз (поддержание постоянства внутренней среды) или биологический стресс".

Г.Селье было показано, что на различные агенты: хирургическая травма, ожог, боль, унижение, интоксикация, обстоятельства жизни делового человека, спортсмена и множество других, организм отвечает стереотипной формой биохимических, функциональных и структурных изменений. Для стрессорной реакции несущественно, вызвана она приятным или неприятным агентом. Основным здесь является интенсивность требования для организма, которое создаст стресс-агент.

Механизм этой неспецифической реакции основан на возбуждении системы гипоталамус-гииофиз-кора надпочечников и САС. Возникающие нейро-эндокринные импульсы способствуют запуску защитных сил организма. Это способствует резкому повышению гомеостатических возможностей организма. Многолетние исследования Г.Селье показали, что при любом заболевании специфические его проявления накладываются на неспецифические реакции, обусловленные системой гипоталамус-гипофиз-кора надпочечников. Этим вызвано широкое использование стероидов в медицинской практике.

29.5. Роль биомембран в механизмах поддержания гомеостаза

В.Кэннон и К.Бернар основой внутренней среды считали жидкую часть организма, в состав которой входит кровь, лимфа, межтканевая жидкость. Однако, кровь не приходит в непосредственное соприкосновение с клетками ткани. Как впервые показано отечественной исследовательницей Л.С.Штерн, между кровью и тканью находятся так называемые гисто-гематические барьеры, основу которых составляют биологические мембраны (ГЭБ, гемато-офтальмический, плацентарный и др. барьеры).

Кроме разделительной, есть еще одна важная функция мембран в гомеостазе - это р е ц е п т о р н а я функция клеточных мембран. Она играет решающую роль в осуществлении обратной связи. Обратная связь означает влияние выходного сигнала на вход - управляющую часть системы. Отрицательная обратная связь приводит к уменьшению влияния входного воздействия на величину выходного сигнала. Например, увеличение в крови концентрации гормонов щитовидной железы Т 3 , Т 4 приводит к снижению уровня в гипоталамусе соматостатина и угнетению выработки в гипофизе тиреотропного гормона.

Положительная обратная связь приводит к увеличению действия выходного сигнала. Например, переход острого воспаления в хроническое возникает при изменении конформации и антигенных свойств собственных белков - образования аутоантигенов. Последние вызывают усиление образования аутоантител, а иммунный конфликт поддерживает воспалительную реакцию. Если отрицательная обратная связь обычно способствует восстановлению исходного состояния, то положительная чаще уводит ее от этого состояния. Вследствие этого не происходит коррекции, что может послужить причиной возникновения "порочного круга", хорошо известного патофизиологам и клиницистам (пример патогенеза хронического воспаления, аутоаллергпи).

29.6. Гомеостаз и норма

В одной из своих первых работ по гомеостазу Кэннон напоминает, что животные существа представляют собой открытые системы, имеющие множество связей с окружающей средой. Эти связи осуществляются через посредство дыхательного и пищеварительного трактов, поверхность кожи, рецепторов, нервно-мышечных органов и костных рычагов. Изменения окружающей среды прямо или опосредованно воздействуют на указанные системы. Однако, эти воздействия обычно не сопровождаются большими отклонениями от нормы и не вызывают серьезных нарушений в физиологических процессах благодаря тому, что автоматическая регуляция ограничивает возникающие в организме колебания в указанных пределах "нормы".

С точки зрения гомеостаза дано наиболее емкое определение "нормы". Норма - это условное обозначение устойчивого неравновесия организма, отдельных его органов и тканей во внешней среде. Видно, что это определение учитывает индивидуальные особенности. Например, устойчивое состояние может быть при систолическом АД равном 120 мм рт.ст. (для одного индивидуума это норма) и при АД 140 (для другого - это тоже норма). Можно попользовать аналогию с парусом и рулем корабля. Есть ли для них нормальное положение? Нет, т.к. норма - это изменение, обеспечивающее движение данного корабля. Например, реакции иммунной системы под влиянием "ветра" антигенных воздействий (Р.В.Петрова).

Это относительное постоянство можно было бы обозначить термином уравновешивание, используемым в описании простых физико-химических процессов. Однако, в сложно устроенном живом организме кроме процессов уравновешивания обычно включается взаимодействие, интегративная кооперация целого ряда органов и систем. Так, например, когда создаются условия, меняющие состав крови или вызывающие нарушения дыхательных функций (геморрагия, пневмония), быстро реагируют мозг, нервы, сердце, почки, легкие, селезенка и т.к. Для обозначения таких явлений термин "уравновешивание" недостаточен, т.к. он не включает сложный и специфический процесс координации. Для его быстрейшего и устойчивого положения обязательно наличие контррегуляторных систем, цель которых - общая устойчивость внутренней среды.

Именно для этих состояний и процессов, обеспечивающих устойчивость организма, Кэннон и предложил термин гомеостаз. Слово "гомео" указывает не на фиксированную тождественность "тоже самое", а на сходство, подобие.

Таким образом, гомеостаз не обозначает простого постоянства физико-химических свойств внутренней среды. Этот термин включает в себя и физиологические механизмы, обеспечивающие устойчивость живых существ (т.е. процессы реактивности). Гомеостаз - это активная саморегуляция постоянства внутренней среды.

29.7. Гомеостаз и адаптация

По существу, на основе гомеостаза базируется явление адаптации. Т.е. организм приспосабливается (адаптируется) к изменяющимся условиям внешней среды, используя те или иные механизмы гомеостаза.

Компенсация - скрытая патология, выявляемая функциональной нагрузкой (порок аортального клапана компенсируется гипертрофией миокарда. Клинические его проявления выявляются повышенной физической нагрузкой).

29.7.1. Виды адаптации

Различают адаптацию кратковременную и длительную:

  1. При кратковременном выходе за пределы нормы при воздействии условий окружающей среды организм отвечает кратковременным изменением функциональной активности (бег вызывает тахикардию и тахипноэ);
  2. При длительном или повторном воздействии могут возникать более стойкие пли даже структурные изменения:
    1. повышенная физическая нагрузка и объем мускулатуры, гипертрофия беременной матки, структуры костной ткани при неправильном прикусе;
    2. при повреждении какого-либо органа происходит включение механизмов компенсации. Например, викарное (заместительное, компенсаторное) подключение других систем организма: кровопотеря вызывает тахикардию, тахипноэ, выход крови из депо, усиление кроветворения).

В медицинской практике под адаптацией подразумевают именно ту форму приспособления, которая создастся в необычных условиях существования организма. Следует еще раз подчеркнуть, что любой вид адаптации создастся на основе уже существующих механизмов гомеостаза.

29.8. Уровни регуляции гомеостаза

Организм с точки зрения гомеостаза представляет собой саморегулирующуюся систему. Различают 3 уровня регуляции:

  1. Низший, определяет постоянство физиологических констант и обладает автономностью (поддержание pH, Р осм).
  2. Средний, определяет приспособительные реакции при изменении внутренней среды организма. Регулируется нейро-эндокринной системой.
  3. Высший, определяет приспособительные реакции, сознательное поведение при изменениях внешней среды. По сигналам внешнего мира изменяются вегетативные функции и сознательное поведение организма. Регулируется ЦНС и ее внешним отделом - корой больших полушарий.

И.П.Павлов писал: "Большие полушария - орган живого организма, который специализирован на то, чтобы постоянно осуществлять все более и более совершенное уравновешивание организма с внешней средой".

Кора больших полушарий - эволюционно самый молодой, но в то же время и самый сложный орган регуляции. Это ни в коем случае не означает, что кора головного мозга постоянно вмешивается во все процессы организма. Ее цель, ее задача - поддержание связи организма с внешней средой, главным образом, социальных отношений. Это обеспечивает высшим животным лидирующее положение в животном мире.

Великой заслугой отечественного физиолога И.П.Павлова является разработка методов исследования свободного поведения, интеллектуальной сферы организма. Им было обосновано использование для этой цели метода условных рефлексов и показано, что сознательная деятельность коры больших полушарий во многом построена на принципе адаптивных условных рефлексов. И.П.Павловым было проведено преобразование понятия о рефлексе от истинного, автоматического, лежащего в основе гомеостаза, до рефлекса условного, определяющего механизмы "жизненных встреч организма со средой", основы социального гомеостаза.

Чрезвычайно важно понимать, что эволюция животных диктуется не только стремлением удержать устойчивость неравновесного состояния за счет гомеостаза с истинными, автоматическими рефлексами, она непрерывно связана с активностью свободного поведения (негомеостатическая высшая нервная деятельность с условными рефлексами), поддерживающей это неравновесие как отличительный признак живых систем.

Гомеостаз, поддерживаемый автоматически за счет деятельности САС, открывает простор для высших форм нервной деятельности, высвобождая для этого кору головного мозга. Т.е. Кэннон показал, что гомеостатические механизмы существуют автономно, независимо от контроля сознания, сохраняя его свободным для интеллектуальной деятельности. Таким образом, освобождая сознание от регуляции телесных процессов, мы, посредством коры головного мозга, устанавливаем интеллектуальное отношение с окружающим миром, анализируем опыт, занимаемся наукой, техникой и искусством, общаемся с друзьями, воспитываем детей, выражаем симпатии и т.д. - словом, ведем себя как человеческие существа - писал Кэннон.

Применительно к этому, тело, по мнению Кэннона, оказывается "мудрым" (название книги), поскольку оно ежесекундно сохраняет устойчивость крупного организма без вмешательства разума, открывая просторы для свободного поведения.

Заключая тему роли гомеостаза в изучении физиологии больного организма, хочу сказать, что основным направлением вашего обучения на клинических кафедрах старших курсов и будущей врачебной деятельности должно стать сознательное восстановление способности организма больного к самостоятельному поддержанию гомеостаза в условиях экологически безопасной среды.


Гомеостаз - поддержание внутренней среды организма
Мир вокруг нас постоянно изменяется. Зимние ветры заставляют нас надевать теплое платье и перчатки, а центральное отопление побуждает снимать их. Летнее солнце уменьшает потребность в сохранении тепла, по крайней мере до тех пор, пока эффективная работа кондиционера не приведет к противоположному результату. И все-таки независимо от температуры окружающей среды индивидуальная температура тела у знакомых вам здоровых людей вряд ли будет различаться намного больше, чем на одну десятую градуса. У человека и других теплокровных животных температура внутренних областей тела удерживается на постоянном уровне где-то около 37° С, хотя она может несколько подниматься и опускаться в связи с суточным ритмом.

Большинство людей питается по-разному. Одни предпочитают хороший завтрак, легкий ленч и плотный обед с обязательным десертом. Другие не едят почти целый день, но в полдень любят хорошенько перекусить и немного вздремнуть. Одни только и делают, что жуют, других еда как будто вообще не волнует. И тем не менее если измерить содержание сахара в крови у учеников вашего класса, то оно у всех окажется близким к 0,001 г (1 мг) на один миллилитр крови, несмотря на большую разницу в пищевом рационе и в распределении приемов пищи.

Точное регулирование температуры тела и содержания глюкозы в крови - это всего лишь два примера важнейших функций, находящихся под контролем нервной системы. Состав жидкостей, окружающих все наши клетки, непрерывно регулируется, что позволяет обеспечить его поразительное постоянство.

Поддержание постоянства внутренней среды организма называется гомеостазом (homeo - такой же, сходный; stasis -стабильность, равновесие). Главную ответственность за гомеостатическую регуляцию несут вегетативный (автономный) и кишечный отделы периферической нервной системы, а также центральная нервная система, отдающая организму приказы через гипофиз и другие эндокринные органы. Действуя совместно, эти системы согласовывают потребности тела с условиями окружающей среды. (Если это утверждение покажется вам знакомым, вспомните, что точно такими же словами мы охарактеризовали главную функцию мозга.)

Французский физиолог Клод Бернар, живший в XIX веке и целиком посвятивший себя изучению процессов пищеварения и регуляции кровотока, рассматривал жидкости тела как «внутреннюю среду» (milieu interne ). У разных организмов концентрация определенных солей и нормальная температура могут быть несколько различными, но в пределах вида внутренняя среда индивидуумов соответствует характерным для этого вида стандартам. Допускаются лишь кратковременные и не очень большие отклонения от этих стандартов, иначе организм не может оставаться здоровым и способствовать выживанию вида. Уолтер Б. Кэннон, крупнейший американский физиолог середины нашего столетия, расширил концепцию Бернара о внутренней среде. Он считал, что независимость индивидуума от непрерывных изменений внешних условий обеспечивается работой гомеостатических механизмов , которые поддерживают постоянство внутренней среды.

Способность организма справляться с требованиями, выдвигаемыми окружающей средой, сильно варьирует от вида к виду. Человек, использующий в дополнение к внутренним механизмам гомеостаза сложные типы поведения, по-видимому, обладает наибольшей независимостью от внешних условий. Тем не менее многие животные превосходят его в определенных видоспецифических возможностях. Например, полярные медведи более устойчивы к холоду; некоторые виды пауков и ящериц, живущие в пустынях, лучше переносят жару; верблюды могут дольше обходиться без воды. В этой главе мы рассмотрим ряд структур, позволяющих нам обрести некоторую долю независимости от меняющихся физических условий внешнего мира. Мы поближе познакомимся также с регуляторными механизмами, которые поддерживают постоянство нашей внутренней среды.

Астронавты облачаются в специальные костюмы (скафандры), которые позволяют при работе в среде, близкой к вакууму, сохранять нормальную температуру тела, достаточное напряжение кислорода в крови и кровяное давление. Специальные датчики, вмонтированные в эти костюмы, регистрируют концентрацию кислорода, температуру тела, показатели сердечной деятельности и сообщают эти данные компьютерам космического корабля, а те в свою очередь - компьютерам наземного контроля. Компьютеры управляемого космического аппарата могут справиться практически с любой из предсказуемых ситуаций, касающихся потребностей организма. Если возникает какая-либо непредвиденная проблема, к ее решению подключаются компьютеры, находящиеся на Земле, которые и посылают новые команды непосредственно приборам скафандра.
В организме регистрацию сенсорных данных и местный контроль осуществляет вегетативная нервная система при участии эндокринной системы, которая берет на себя функцию всеобщей координации.

Вегетативная нервная система

Некоторые общие принципы организации сенсорных и двигательных систем весьма пригодятся нам при изучении систем внутренней регуляции. Все три отдела вегетативной (автономной) нервной системы имеют «сенсорные » и «двигательные » компоненты. В то время как первые регистрируют показатели внутренней среды, вторые усиливают или тормозят деятельность тех структур, которые осуществляют сам процесс регуляции.

Внутримышечные рецепторы наряду с рецепторами, расположенными в сухожилиях и некоторых других местах, реагируют на давление и растяжение. Все вместе они составляют особого рода внутреннюю сенсорную систему, которая помогает контролировать наши движения.
Рецепторы, участвующие в гомеостазе, действуют иным способом: они воспринимают изменения в химическом составе крови или колебания давления в сосудистой системе и в полых внутренних органах, таких как пищеварительный тракт и мочевой пузырь. Эти сенсорные системы, собирающие информацию о внутренней среде, по своей организации очень сходны с системами, воспринимающими сигналы с поверхности тела. Их рецепторные нейроны образуют первые синаптические переключения внутри спинного мозга. По двигательным путям вегетативной системы идут команды к органам, непосредственно регулирующим внутреннюю среду . Эти пути начинаются со специальных вегетативных преганглионарных нейронов спинного мозга. Такая организация несколько напоминает организацию спинальною уровня двигаательной системы.

Основное внимание в згой главе будет уделено тем двигательным компонентам вегетативной системы, которые иннервируют мускулатуру сердца, кровеносных сосудов и кишок, вызывая ее сокращение или расслабление. Такие же волокна иннервируют и железы, вызывая процесс секреции.

Вегетативная нервная система состоит из двух больших отделов симпатического и парасимпатического . Оба отдела имеют одну структурную особенность, с которой мы раньше не сталкивались: нейроны, управляющие мускулатурой внутренних органов и железами, лежат за пределами центральной нервной системы , образуя небольшие инкапсулированные скопления клеток, называемые ганглиями . Таким образом, в вегетативной нервной системе имеется дополнительное звено между спинным мозгом и концевым рабочим органом (эффектором).

Вегетативные нейроны спинного мозга объединяют сенсорную информацию, поступающую от внутренних органов и других источников. На этой основе они затем регулируют активность нейронов вегетативных ганглиев . Связи между ганглиями и спинным мозгом называются преганглионарными волокнами . Нейромедиатор, используемый для передачи импульсов от спинною мозга к нейронам ганглиев как в симпатическом, так и в парасимпатическом отделах, - это почти всегда ацетилхолин , тот же медиатор, с помощью которого мотонейроны спинного мозга непосредственно управляют скелетными мышцами. Так же как и в волокнах, иннервирующих скелетную мускулатуру, действие ацетилхолина может усиливаться в присутствии никотина и блокироваться кураре. Аксоны, идущие от нейронов автономных ганглиев , или постганглионарные волокна , затем направляются к органам-мишеням, образуя там много разветвлений.

Симпатический и парасимпатический отделы вегетативной нервной системы различаются между собой
1) по уровням, на которых преганглионарные волокна выходят из спинного мозга;
2) по близости расположения ганглиев к органам-мишеням;
3) по нейромедиатору, который используют постганглионарные нейроны для регулирования функций этих органов-мишеней.
Эти особенности мы сейчас и рассмотрим.

Симпатическая нервная система

В симпатической системе преганглионарные волокна выходят из грудного и поясничного отделов спинного мозга . Ее ганглии расположены довольно близко к спинному мозгу, и к органам-мишеням от них идут очень длинные постганглионарные волокна (см. рис. 63). Главный медиатор симпатических нервов - норадреналин , один из катехоламинов, который служит также медиатором и в центральной нервной системе.

Рис. 63. Симпатический и парасимпатический отделы вегетативной нервной системы, органы, которые они иннервируют, и их воздействие на каждый орган.

Чтобы понять, на какие органы действует симпатическая нервная система, проще всего представить себе, что происходит с возбужденным животным, готовым к реакции типа «борьбы или бегства».
Зрачки расширяются, чтобы пропускать больше света; частота сокращений сердца возрастает, и каждое сокращение становится более мощным, что ведет к усилению общего кровотока. Кровь отливает от кожи и внутренних органов к мышцам и мозгу. Моторика желудочно-кишечной системы ослабевает, процессы пищеварения замедляются. Мышцы, расположенные вдоль воздушных путей, ведущих к легким, расслабляются, что позволяет увеличить частоту дыхания и усилить газообмен. Клетки печени и жировой ткани отдают в кровь больше глюкозы и жирных кислот - высокоэнергетического топлива, а поджелудочная железа получает команду вырабатывать меньше инсулина. Это позволяет мозгу получать большую долю глюкозы, циркулирующей в кровяном русле, так как в отличие от других органов мозг не требует инсулина для утилизации сахара крови. Медиатором симпатической нервной системы, осуществляющей все эти изменения, служит норадреналин.

Существует дополнительная система, которая оказывает еще более генерализованное воздействие, чтобы вернее обеспечить все эти изменения. На верхушках почек сидят, как два небольших колпачка, надпочечники . В их внутренней части - мозговом веществе - имеются особые клетки, иннервируемые преганглионарными симпатическими волокнами. Эти клетки в процессе эмбрионального развития образуются из тех же клеток нервного гребня, из которых формируются симпатические ганглии. Таким образом, мозговое вещество - это компонент симпатической нервной системы. При активации преганглионарными волокнами клетки мозгового вещества выделяют свои собственные катехоламины (норадреналин и адреналин) прямо в кровь для доставки к органам-мишеням (рис. 64). Циркулирующие медиаторы-гормоны - служат примером того, как осуществляется регуляция эндокринными органами (см. с. 89).

Парасимпатическая нервная система

В парасимпатическом отделе преганглионарные волокна идут от ствола головного мозга («черепной компонент») и от нижних, крестцовых сегментов спинного мозга (см. выше рис. 63). Они образуют, в частности, очень важный нервный ствол, называемый блуждающим нервом , многочисленные ветви которого осуществляют всю парасимпатическую иннервацию сердца, легких и кишечного тракта. (Блуждающий нерв передает также сенсорную информацию от этих органов обратно в центральную нервную систему.) Преганглионарные парасимпатические аксоны очень длинны, так как их ганглии , как правило, располагаются поблизости или внутри тех тканей, которые они иннервируют .

В окончаниях волокон парасимпатической системы используется медиатор ацетилхолин . Реакция соответствующих клеток-мишеней на ацетилхолин нечувствительна к действию никотина или кураре. Вместо этого ацетилхолиновые рецепторы активируются мускарином и блокируются атропином.

Преобладание парасимпатической активности создает условия для «отдыха и восстановления » организма. В своем крайнем проявлении общий характер парасимпатической активации напоминает то состояние покоя, которое наступает после сытной еды. Повышенный приток крови к пищеварительному тракту ускоряет продвижение пищи через кишечник и усиливает секрецию пищеварительных ферментов. Частота и сила сердечных сокращений снижаются, зрачки сужаются, просвет дыхательных путей уменьшается, а образование слизи в них возрастает. Мочевой пузырь сжимается. Взятые вместе, эти изменения возвращают организм в то мирное состояние, которое предшествовало реакции типа «борьбы или бегства». (Все это представлено на рис. 63; см. также гл. 6.)

Сравнительная характеристика отделов вегетативной нервной системы

Симпатическая система с ее чрезвычайно длинными постганглионарными волокнами сильно отличается от парасимпатической, в которой, наоборот, длиннее преганглионарные волокна, а ганглии расположены вблизи или внутри органов-мишеней. Многие внутренние органы, такие как легкие, сердце, слюнные железы, мочевой пузырь, гонады, получают иннервацию от обоих отделов вегетативной системы (имеют, как говорят, «двойную иннервацию »). Другие ткани и органы, например артерии мышц, получают только симпатическую иннервацию. В целом можно сказать, что два отдела работают попеременно : в зависимости от деятельности организма и от команд высших вегетативных центров доминирует то один, то другой их них.

Эта характеристика, однако, не совсем верна. Обе системы постоянно находятся в состоянии той или иной степени активности . Тот факт, что такие органы-мишени, как сердце или радужная оболочка глаза, могут реагировать на импульсы, идущие от обоих отделов, попросту отражает их взаимодополняющую роль. Например, когда вы сильно сердитесь, у вас поднимается кровяное давление, которое возбуждает соответствующие рецепторы, расположенные в сонных артериях. Эти сигналы воспринимает интегрирующий центр сердечно-сосудистой системы, находящийся в нижней части ствола мозга и известный под названием ядра одиночного тракта. Возбуждение этого центра активирует преганглионарные парасимпатические волокна блуждающего нерва, что приводит к уменьшению частоты и силы сердечных сокращений. Одновременно под влиянием того же координирующего сосудистого центра происходит угнетение симпатической активности, противодействующее повышению кровяного давления.

Насколько существенно функционирование каждого из отделов для адаптивных реакций? Как это ни удивительно, не только животные, но и люди могут переносить почти полное выключение симпатической нервной системы без видимых дурных последствий. Такое выключение рекомендуется при некоторых формах стойкой гипертонии.

А вот без парасимпатической нервной системы обойтись не так-то просто . Люди, перенесшие подобную операцию и оказавшиеся вне охранительных условий больницы или лаборатории, очень плохо адаптируются к окружающей среде. Они не могут регулировать температуру тела при воздействии жары или холода; при кровопотере у них нарушается регуляция кровяного давления, а при любой интенсивной мышечной нагрузке быстро развивается утомление.

Диффузная нервная система кишечника

Недавние исследования выявили существование третьего важного отдела автономной нервной системы - диффузной нервной системы кишечника . Этот отдел ответствен за иннервацию и координацию органов пищеварения. Его работа независима от симпатической и парасимпатической систем, но может видоизменяться под их влиянием. Это дополнительное звено, которое связывает вегетативные постганглионарные нервы с железами и мускулатурой желудочно-кишечного тракта.

Ганглии этой системы иннервируют стенки кишок. Аксоны, идущие от клеток этих ганглиев, вызывают сокращения кольцевой и продольной мускулатуры, проталкивающие пищу через желудочно-кишечный тракт, - процесс, называемый перистальтикой. Таким образом, эти ганглии определяют особенности локальных перистальтических движений. Когда пищевая масса находится внутри кишки, она слегка растягивает ее стенки, что вызывает сужение участка, расположенного чуть выше по ходу кишки, и расслабление участка, находящегося чуть ниже. В результате пищевая масса проталкивается дальше. Однако под действием парасимпатических или симпатических нервов активность кишечных ганглиев может изменяться. Активация парасимпатической системы усиливает перистальтику, а симпатической - ослабляет ее.

Медиатором, возбуждающим гладкую мускулатуру кишечника, служит ацетилхолин. Однако тормозящие сигналы, ведущие к расслаблению, передаются, по-видимому, различными веществами, из которых изучены лишь немногие. Среди нейромедиаторов кишечника имеются по меньшей мере три, которые действуют и в центральной нервной системе: соматостатин (см. ниже), эндорфины и вещество Р (см. гл. 6).

Центральная регуляция функций вегетативной нервной системы

Центральная нервная система осуществляет контроль над вегетативной системой в гораздо меньшей степени, чем над сенсорной или скелетной двигательной системой. Области мозга, которые больше всего связаны с вегетативными функциями, - это гипоталамус и ствол мозга , в особенности та его часть, которая расположена прямо над спинным мозгом, - продолговатый мозг. Именно из этих областей идут основные проводящие пути к симпатическим и парасимпатическим преганглионарным автономным нейронам на спинальном уровне.

Гипоталамус. Гипоталамус - это одна из областей мозга, общая структура и организация которой более или менее сходна у представителей различных классов позвоночных животных.

В целом принято считать, что гипоталамус - это средоточие висцеральных интегративных функций. Сигналы от нейронных систем гипоталамуса непосредственно поступают в сети, которые возбуждают преганглионарные участки вегетативных нервных путей. Кроме того, эта область мозга осуществляет прямой контроль над всей эндокринной системой через посредство специфических нейронов, регулирующих секрецию гормонов передней доли гипофиза, а аксоны других гипоталамических нейронов оканчиваются в задней доле гипофиза. Здесь эти окончания выделяют медиаторы, которые циркулируют в крови как гормоны: 1) вазопрессин , повышающий кровяное давление в экстренных случаях, когда происходит потеря жидкости или крови; он также уменьшает выделение воды с мочой (поэтому вазопрессин называют еще антидиуретическим гормоном); 2) окситоцин , стимулирующий сокращения матки на завершающей стадии родов.

Рис. 65. Гипоталамус и гипофиз. Схематически показаны основные функциональные зоны гипоталамуса.

Хотя среди скоплений гипоталамических нейронов имеется несколько четко отграниченных ядер, большая часть гипоталамуса представляет собой совокупность зон с нерезкими границами (рис. 65). Однако в трех зонах имеются достаточно выраженные ядра. Мы рассмотрим сейчас функции этих структур.

1. Перивентрикулярная зона непосредственно примыкает к третьему мозговому желудочку, который проходит через центр гипоталамуса. Выстилающие желудочек клетки передают нейронам перивентрикулярной зоны информацию о важных внутренних параметрах, которые могут требовать регуляции, - например, о температуре, концентрации солей, уровнях гормонов, секретируемых щитовидной железой, надпочечниками или гонадами в соответствии с инструкциями от гипофиза.

2. Медиальная зона содержит большинство проводящих путей, с помощью которых гипоталамус осуществляет эндокринный контроль через гипофиз. Весьма приближенно можно сказать, что клетки перивентрикулярной зоны контролируют действительное выполнение команд, отданных гипофизу клетками медиальной зоны.

3. Через клетки латеральной зоны осуществляется контроль над гипоталамусом со стороны более высоких инстанций коры большого мозга и лимбической системы. Сюда же поступает сенсорная информация из центров продолговатого мозга, координирующих дыхательную и сердечно-сосудистую деятельность. Латеральная зона - это то место, где высшие мозговые центры могут вносить коррективы в реакции гипоталамуса на изменения внутренней среды. В коре, например, происходит сопоставление информации, поступающей из двух источников - внутренней и внешней среды . Если, скажем, кора сочтет, что время и обстоятельства не подходят для принятия пищи, донесение органов чувств о низком содержании сахара в крови и пустом желудке будет отложено в сторону до более благоприятного момента Игнорирование гипоталамуса со стороны лимбической системы менее вероятно . Скорее эта система может добавить эмоциональную и мотивационную окраску к интерпретации внешних сенсорных сигналов или же сравнить представление об окружающем, основанное на этих сигналах, с аналогичными ситуациями, имевшими место в прошлом.

Вместе с кортикальным и лимбическим компонентами гипоталамус выполняет также множество рутинных интегрирующих действий, причем на протяжении значительно более длительных периодов времени, чем при осуществлении кратковременных регуляторных функций. Гипоталамус заранее «знает», какие потребности возникнут у организма при нормальном суточном ритме жизни. Он, например, приводит эндокринную систему в полную готовность к действию, как только мы просыпаемся. Он также следит за гормональной активностью яичников на протяжении менструального цикла; принимает меры, подготавливающие матку к прибытию оплодотворенного яйца. У перелетных птиц и у млекопитающих, впадающих в зимнюю спячку, гипоталамус с его способностью определять длину светового дня координирует жизнедеятельность организма во время циклов, длящихся несколько месяцев. (Об этих аспектах централизованной регуляции внутренних функций будет говориться в главах 5 и 6.)

Продолговатый мозг (таламус и гипоталамус)

Гипоталамус составляет менее 5% от всей массы мозга. Однако в этом небольшом количестве ткани содержатся центры, которые поддерживают все функции организма, за исключением спонтанных дыхательных движений, регуляции кровяного давления и ритма сердца. Эти последние функции зависят от продолговатого мозга (см. рис. 66). При черепно-мозговых травмах так называемая «смерть мозга» наступает тогда, когда исчезают все признаки электрической активности коры и утрачивается контроль со стороны гипоталамуса и продолговатого мозга, хотя с помощью искусственного дыхания еще можно поддерживать достаточное насыщение циркулирующей крови кислородом.

продолжение
- -

Гомеостаз, гомеостазис (homeostasis; греч. homoios подобный, тот же самый + stasis состояние, неподвижность),- относительное динамическое постоянство внутренней среды (крови, лимфы, тканевой жидкости) и устойчивость основных физиологических функций (кровообращения, дыхания, терморегуляции, обмена веществ и так далее) организма человека и животных. Регуляторные механизмы, поддерживающие физиологическое состояние или свойства клеток, органов и систем целостного организма на оптимальном уровне, называются гомеостатическими.

Как известно, живая клетка представляет подвижную, саморегулирующуюся систему. Ее внутренняя организация поддерживается активными процессами, направленными на ограничение, предупреждение или устранение сдвигов, вызываемых различными воздействиями из окружающей и внутренней среды. Способность возвращаться к исходному состоянию после отклонения от некоторого среднего уровня, вызванного тем или иным «возмущающим» фактором, является основным свойством клетки. Многоклеточный организм представляет собой целостную организацию, клеточные элементы которой специализированы для выполнения различных функций. Взаимодействие внутри организма осуществляется сложными регулирующими, координирующими и коррелирующими механизмами с

участием нервных, гуморальных, обменных и других факторов. Множество отдельных механизмов, регулирующих внутри- и межклеточные взаимоотношения, оказывает в ряде случаев взаимопротивоположные (антагонистические) воздействия, уравновешивающие друг друга. Это приводит к установлению в организме подвижного физиологического фона (физиологического баланса) и позволяет живой системе поддерживать относительное динамическое постоянство, несмотря на изменения в окружающей среде и сдвиги, возникающие в процессе жизнедеятельности организма.

Термин «гомеостаз» предложен в 1929 г. физиологом У. Кенноном, который считал, что физиологические процессы, поддерживающие стабильность в организме, настолько сложны и многообразны, что их целесообразно объединить под общим названием гомеостаз. Однако еще в 1878 г. К. Бернар писал, что все жизненные процессы имеют только одну цель - поддержание постоянства условий жизни в нашей внутренней среде. Аналогичные высказывания встречаются в трудах многих исследователей 19 и первой половины 20 в. (Э. Пфлюгер, Ш. Рише, Фредерик (L.A. Fredericq), И.М. Сеченов, И.П. Павлов, К.М. Быков и другие). Большое значение для изучения проблемы гомеостаза сыграли работы Л.С. Штерн (с сотрудниками), посвященные роли барьерных функций, регулирующих состав и свойства микросреды органов и тканей.

Само представление о гомеостазе не соответствует концепции устойчивого (не-колеблющегося) равновесия в организме - принцип равновесия не приложим к

сложным физиологическим и биохимическим

процессам, протекающим в живых системах. Неправильно также противопоставление гомеостаза ритмическим колебаниям во внутренней среде. Гомеостаз в широком понимании охватывает вопросы циклического и фазового течения реакций, компенсации, регулирования и саморегулирования физиологических функций, динамику взаимозависимости нервных, гуморальных и других компонентов регуляторного процесса. Границы гомеостаза могут быть жесткими и пластичными, меняться в зависимости от индивидуальных возрастных, половых, социальных, профессиональных и иных условий.

Особое значение для жизнедеятельности организма имеет постоянство состава крови - жидкой основы организма (fluid matrix), пo выражению У. Кеннона. Хорошо известна устойчивость ее активной реакции (рН), осмотического давления, соотношения электролитов (натрия, кальция, хлора, магния, фосфора), содержания глюкозы, числа форменных элементов и так далее. Так, например, рН крови, как правило, не выходит за пределы 7,35-7,47. Даже резкие расстройства кислотно-щелочного обмена с патологией накоплением кислот в тканевой жидкости, например при диабетическом ацидозе, очень мало влияют на активную реакцию крови. Несмотря на то, что осмотическое давление крови и тканевой жидкости подвергается непрерывным колебаниям вследствие постоянного поступления осмотически активных продуктов межуточного обмена, оно сохраняется на определенном уровне и изменяется только при некоторых выраженных патологических состояниях.

Несмотря на то, что кровь представляет общую внутреннюю среду организма, клетки органов и тканей непосредственно не соприкасаются с ней.

В многоклеточных организмах каждый орган имеет свою собственную внутреннюю среду (микросреду), отвечающую его структурным и функциональным особенностям, и нормальное состояние органов зависит от химического состава, физико-химических, биологических и других свойств этой микросреды. Ее гомеостаз обусловлен функциональным состоянием гистогематических барьеров и их проницаемостью в направлениях кровь→тканевая жидкость, тканевая жидкость→кровь.

Особо важное значение имеет постоянство внутренней среды для деятельности центральной нервной системы: даже незначительные химические и физико-химические сдвиги, возникающие в цереброспинальной жидкости, глии и околоклеточных пространствах, могут вызвать резкое нарушение течения жизненных процессов в отдельных нейронах или в их ансамблях. Сложной гомеостатической системой, включающей различные нейрогуморальные, биохимические, гемодинамические и другие механизмы регуляции, является система обеспечения оптимального уровня артериального давления. При этом верхний предел уровня артериального давления определяется функциональными возможностями барорецепторов сосудистой системы тела, а нижний предел - потребностями организма в кровоснабжении.

К наиболее совершенным гомеостатическим механизмам в организме высших животных и человека относятся процессы терморегуляции;

Среди свойств, присущих живым существам, упоминают гомеостаз. Этим понятием называют относительное постоянство, характерное для организма. Стоит разобраться детально, для чего нужен гомеостаз, что это такое, и как он проявляется.

Под гомеостазом подразумевают свойство живого организма, позволяющее сохранять важные характеристики в пределах допустимых норм. Для нормального функционирования необходимо постоянство внутренней среды и отдельных показателей.

Внешнее влияние и неблагоприятные факторы приводят к изменениям, что негативно сказывается на общем состоянии. Но организм способен самостоятельно восстанавливаться, возвращая свои характеристики к оптимальным показателям. Это происходит благодаря рассматриваемому свойству.

Рассматривая понятие гомеостаз и выясняя, что это такое, необходимо определить, как реализуется это свойство. Проще всего в этом разобраться на примере клеток. Каждая представляет собой систему, которая характеризуется подвижностью. Под влиянием определенных обстоятельств ее особенности могут меняться.

Для нормальной жизнедеятельности клетка должна обладать теми свойствами, которые оптимальны для ее существования. Если показатели отклоняются от нормы, жизнеспособность снижается. Чтобы не допустить гибели, все свойства должны возвращаться в исходное состояние.

В этом и заключается гомеостаз. Он нейтрализует любые перемены, возникшие вследствие воздействия на клетку.

Определение

Дадим определение, что это за свойство живого организма. Первоначально этим термином называли способность к поддержанию постоянства внутренней среды. Ученые предполагали, что этот процесс затрагивает только межклеточную жидкость, кровь и лимфу.

Именно их постоянство позволяет поддерживать организм в устойчивом состоянии. Но в дальнейшем была обнаружено, что такая способность присуща любой открытой системе.

Определение гомеостаза изменилось. Теперь так называется саморегуляция открытой системы, которая заключается в поддержании динамического равновесия через осуществление скоординированных реакций. Благодаря им, система сохраняет относительно постоянными параметры, необходимые для нормальной жизнедеятельности.

Этот термин стали употреблять не только в биологии. Он нашел применение в социологии, психологии, медицине и других науках. В каждой из них имеется своя трактовка этому понятию, но суть у них общая — постоянство.

Характеристики

Чтобы разобраться, что именно называется гомеостазом, следует выяснить, каковы характеристики этого процесса.

Явлению присущи такие особенности, как:

  1. Стремление к равновесию. Все параметры открытой системы должны находиться в соответствии друг с другом.
  2. Выявление возможностей к адаптации. Прежде, чем параметры будут изменены, система должна установить, есть ли возможность адаптироваться к изменившимся условиям жизнедеятельности. Это происходит путем анализа.
  3. Непредсказуемость результатов. Регуляция показателей не всегда приводит к положительным изменениям.

Рассматриваемое явление представляет собой сложный процесс, осуществление которого зависит от разных обстоятельств. Его протекание обусловлено свойствами открытой системы и особенностями условий ее функционирования.

Применение в биологии

Этот термин употребляется не только в отношении живых существ. Его используют в разных сферах. Чтобы лучше понять, что такое гомеостаз, нужно выяснить, какой смысл в него вкладывают биологи, поскольку именно в этой области его употребляют чаще всего.

Эта наука приписывает данное свойство всем существам без исключения, независимо от их устройства. Оно характерно одноклеточным и многоклеточным. У одноклеточных проявляется в сохранении постоянства внутренней среды.

У организмов с более сложным строением эта особенность касается отдельных клеток, тканей, органов и систем. Среди параметров, которые должны быть постоянными, можно назвать температуру тела, состав крови, содержание ферментов.

В биологии гомеостаз — это не только сохранение постоянства, но и способность организма приспосабливаться к меняющимся условиям среды.

Биологи различают два типа существ:

  1. Конформационные, у которых организменные показатели сохраняются, независимо от условий. К числу таких относятся теплокровные животные.
  2. Регуляторные, реагирующие на изменения внешней среды и адаптирующиеся к ним. К таким принадлежат земноводные.

При нарушениях в этой сфере восстановление или адаптация не наблюдаются. Организм становится уязвимым и может погибнуть.

Как происходит у человека

Человеческое тело состоит из большого числа клеток, которые взаимосвязаны и образуют ткани, органы, системы органов. Вследствие внешних воздействий в каждой системе и органе могут возникать изменения, которые влекут за собой перемены во всем организме.

Но для нормального функционирования тело должно сохранять оптимальные особенности. Соответственно, после любого воздействия ему нужно вернуться в исходное состояние. Это происходит благодаря гомеостазу.

Это свойство затрагивает такие параметры, как:

  • температура,
  • содержание питательных веществ,
  • кислотность,
  • состав крови,
  • выведение отходов.

Все эти параметры влияют на состояние человека в целом. От них зависит нормальное протекание химических реакций, способствующих сохранению жизни. Гомеостаз позволяет восстановить прежние показатели после любого воздействия, но не является причиной адаптационных реакций. Это свойство — общая характеристика большого количества процессов, действующих одновременно.

Для крови

Гомеостаз крови является одной из основных характеристик, влияющих на жизнеспособность живого существа. Кровь представляет собой его жидкую основу, поскольку находится в каждой ткани и каждом органе.

Благодаря ей осуществляется снабжение отдельных частей тела кислородом, и производится отток вредных веществ и продуктов обмена.

Если имеются нарушения в крови, то выполнение этих процессов ухудшается, что сказывается на работе органов и систем. От постоянства ее состава зависят все другие функции.

Эта субстанция должна сохранять относительно постоянными следующие параметры:

  • уровень кислотности;
  • осмотическое давление;
  • соотношение электролитов в плазме;
  • количество глюкозы;
  • клеточный состав.

Благодаря наличию способности к поддержанию этих показателей в пределах нормы, они не изменяются даже под влиянием патологических процессов. Незначительные колебания им присущи, и это не вредит. Но они редко превышают нормальные значения.

Это интересно! Если в данной сфере возникают нарушения, то параметры крови не возвращаются в исходное положение. Это указывает на присутствие серьезных проблем. Организм оказывается неспособным к поддержанию равновесия. В результате возникает риск развития осложнений.

Использование в медицине

Данное понятие широко употребляется в медицине. В этой области его сущность почти аналогична биологическому смыслу. Этот термин в медицинской науке охватывает компенсаторные процессы и способность организма к саморегуляции.

В это понятие входят взаимоотношения и взаимодействия всех компонентов, участвующих в реализации регуляторной функции. Оно охватывает обменные процессы, дыхание, кровообращение.

Отличие медицинского термина заключается в том, что наука рассматривает гомеостаз как вспомогательный фактор лечения. При заболеваниях организменные функции нарушаются из-за повреждений органов. Это отражается на всем теле целиком. Восстановить деятельность проблемного органа удается с помощью терапии. Повышению ее эффективности способствует рассматриваемая способность. Благодаря процедурам организм сам направляет усилия на ликвидацию патологических явлений, стремясь восстановить нормальные параметры.

При отсутствии возможностей для этого включается механизм адаптации, который проявляется в снижении нагрузок на поврежденный орган. Это позволяет снизить ущерб и не допустить активного прогрессирования болезни. Можно сказать, что такое понятие, как гомеостаз, в медицине рассматривают с практической стороны.

Википедия

Значение любого термина или характеристику любого явления чаще всего узнают из Википедии. Она рассматривает это понятие достаточно подробно, но в самом простом смысле: называет его стремлением организма к адаптации, развитию и выживанию.

Объясняется такой подход тем, что при отсутствии данного свойства живому существу будет трудно приспособиться к меняющимся условиям среды и развиваться в нужном направлении.

А при возникновении нарушений в функционировании существо просто погибнет, поскольку не сумеет вернуться в нормальное состояние.

Важно! Для того, чтобы процесс осуществлялся, необходимо чтобы все органы и системы работали слаженно. Это обеспечит сохранение всех жизненно важных параметров в нормальных пределах. Если отдельный показатель не поддается регуляции, это указывает на проблемы с реализацией данного процесса.

Примеры

Понять, что собой представляет гомеостаз в организме, помогут примеры этого явления. Одним из них является сохранение постоянной температуры тела. Некоторые изменения ей присущи, но они незначительны. Серьезное повышение температуры наблюдается лишь при наличии заболеваний. Еще одним примером называют показатели артериального давления. Существенное повышение или понижение показателей возникает при нарушениях здоровья. При этом организм стремится вернуть нормальные характеристики.

Полезное видео

Подведем итоги

Изучаемое свойство является одним из ключевых для нормального функционирования и сохранения жизни, заключается в способности восстанавливать оптимальные показатели жизненно важных параметров. Изменения в них могут возникать под влиянием внешних воздействий или патологий. Благодаря этой способности живые существа могут сопротивляться внешним факторам.

В своей книге «The Wisdom of the Body» («Мудрость тела») предложил этот термин как название для «координированных физиологических процессов , которые поддерживают большинство устойчивых состояний организма». В дальнейшем этот термин распространился на способность динамически сохранять постоянство своего внутреннего состояния любой открытой системы . Однако представление о постоянстве внутренней среды было сформулировано ещё в 1878 году французским учёным Клодом Бернаром .

Общие сведения

Термин «гомеостаз» чаще всего применяется в биологии . Многоклеточным организмам для существования необходимо сохранять постоянство внутренней среды. Многие экологи убеждены, что этот принцип применим также и к внешней среде. Если система неспособна восстановить свой баланс, она может в итоге перестать функционировать.

Комплексные системы - например, организм человека - должны обладать гомеостазом, чтобы сохранять стабильность и существовать. Эти системы не только должны стремиться выжить, им также приходится адаптироваться к изменениям среды и развиваться.

Свойства гомеостаза

Гомеостатические системы обладают следующими свойствами:

  • Нестабильность системы: тестирует, каким образом ей лучше приспособиться.
  • Стремление к равновесию : вся внутренняя, структурная и функциональная организация систем способствует сохранению баланса.
  • Непредсказуемость : результирующий эффект от определённого действия зачастую может отличаться от того, который ожидался.
  • Регуляция количества микронутриентов и воды в теле - осморегуляция . Осуществляется в почках .
  • Удаление отходов процесса обмена веществ - выделение. Осуществляется экзокринными органами - почками, лёгкими , потовыми железами и желудочно-кишечным трактом .
  • Регуляция температуры тела. Понижение температуры через потоотделение , разнообразные терморегулирующие реакции.
  • Регуляция уровня глюкозы в крови. В основном осуществляется печенью , инсулином и глюкагоном , выделяемыми поджелудочной железой .

Важно отметить, что, хотя организм находится в равновесии, его физиологическое состояние может быть динамическим. Во многих организмах наблюдаются эндогенные изменения в форме циркадного , ультрадианного и инфрадианного ритмов. Так, даже находясь в гомеостазе, температура тела, кровяное давление , частота сердечных сокращений и большинство метаболических индикаторов не всегда находятся на постоянном уровне, но изменяются в течение времени.

Механизмы гомеостаза: обратная связь

Когда происходит изменение в переменных, наблюдаются два основных типа обратной связи, на которые реагирует система:

  1. Отрицательная обратная связь , выражающаяся в реакции, при которой система отвечает так, чтобы изменить направление изменения на противоположное. Так как обратная связь служит сохранению постоянства системы, это позволяет соблюдать гомеостаз.
    • Например, когда концентрация углекислого газа в организме человека увеличивается, лёгким приходит сигнал к увеличению их активности и выдыханию большего количество углекислого газа.
    • Терморегуляция - другой пример отрицательной обратной связи. Когда температура тела повышается (или понижается) терморецепторы в коже и гипоталамусе регистрируют изменение, вызывая сигнал из мозга. Данный сигнал, в свою очередь, вызывает ответ - понижение температуры (или повышение).
  2. Положительная обратная связь , которая выражается в усилении изменения переменной. Она оказывает дестабилизирующий эффект, поэтому не приводит к гомеостазу. Положительная обратная связь реже встречается в естественных системах, но также имеет своё применение.
    • Например, в нервах пороговый электрический потенциал вызывает генерацию намного большего потенциала действия. Свёртывание крови и события при рождении можно привести в качестве других примеров положительной обратной связи.

Устойчивым системам необходимы комбинации из обоих типов обратной связи. Тогда как отрицательная обратная связь позволяет вернуться к гомеостатическому состоянию, положительная обратная связь используется для перехода к совершенно новому (и, вполне может быть, менее желанному) состоянию гомеостаза, - такая ситуация называется «метастабильность». Такие катастрофические изменения могут происходить, например, с увеличением питательных веществ в реках с прозрачной водой, что приводит к гомеостатическому состоянию высокой эвтрофикации (зарастание русла водорослями) и замутнению.

Экологический гомеостаз

В нарушенных экосистемах, или субклимаксовых биологических сообществах - как, например, остров Кракатау , после сильного извержения вулкана в - состояние гомеостаза предыдущей лесной климаксовой экосистемы было уничтожено, как и вся жизнь на этом острове. Кракатау за годы после извержения прошёл цепь экологических изменений, в которых новые виды растений и животных сменяли друг друга, что привело к биологической вариативности и в результате климаксовому сообществу. Экологическая сукцессия на Кракатау осуществилась за несколько этапов. Полная цепь сукцессий, приведшая к климаксу, называется присерией. В примере с Кракатау на этом острове образовалось климаксовое сообщество с восемью тысячами различных видов, зарегистрированных в , спустя сто лет с того времени, как извержение уничтожило на нём жизнь. Данные подтверждают, что положение сохраняется в гомеостазе в течение некоторого времени, при этом появление новых видов очень быстро приводит к быстрому исчезновению старых.

Случай с Кракатау и другими нарушенными или нетронутыми экосистемами показывает, что первоначальная колонизация пионерными видами осуществляется через стратегии воспроизведения, основанные на положительной обратной связи, при которых виды расселяются, производя на свет как можно больше потомства, но при этом практически не вкладываясь в успех каждого отдельного. В таких видах наблюдается стремительное развитие и столь же стремительный крах (например, через эпидемию). Когда экосистема приближается к климаксу, такие виды заменяются более сложными климаксовыми видами, которые через отрицательную обратную связь адаптируются к специфическим условиям окружающей их среды. Эти виды тщательно контролируются потенциальной ёмкостью экосистемы и следуют иной стратегии - произведению на свет меньшего потомства, в репродуктивный успех которого в условиях микросреды его специфической экологической ниши вкладывается больше энергии .

Развитие начинается с пионер-сообщества и заканчивается на климаксовом сообществе. Это климаксовое сообщество образуется, когда флора и фауна пришла в баланс с местной средой.

Подобные экосистемы формируют гетерархии , в которых гомеостаз на одном уровне способствует гомеостатическим процессам на другом комплексном уровне. К примеру, потеря листьев у зрелого тропического дерева даёт место для новой поросли и обогащает почву . В равной степени тропическое дерево уменьшает доступ света на низшие уровни и помогает предотвратить инвазию других видов. Но и деревья падают на землю и развитие леса зависит от постоянной смены деревьев, круговорота питательных веществ, осуществляемого бактериями , насекомыми , грибами . Схожим образом такие леса способствуют экологическим процессам - таким, как регуляция микроклиматов или гидрологических циклов экосистемы, а несколько разных экосистем могут взаимодействовать для поддержания гомеостаза речного дренажа в рамках биологического региона. Вариативность биорегионов так же играет роль в гомеостатической стабильности биологического региона, или биома .

Биологический гомеостаз

Гомеостаз выступает в роли фундаментальной характеристики живых организмов и понимается как поддержание внутренней среды в допустимых пределах.

Внутренняя среда организма включает в себя организменные жидкости - плазму крови, лимфу , межклеточное вещество и цереброспинальную жидкость . Сохранение стабильности этих жидкостей жизненно важно для организмов, тогда как её отсутствие приводит к повреждению генетического материала.

Гомеостаз в организме человека

Разные факторы влияют на способность жидкостей организма поддерживать жизнь. В их числе такие параметры, как температура, солёность , кислотность и концентрация питательных веществ - глюкозы , различных ионов , кислорода , и отходов - углекислого газа и мочи . Так как эти параметры влияют на химические реакции , которые сохраняют организм живым, существуют встроенные физиологические механизмы для поддержания их на необходимом уровне.

Гомеостаз нельзя считать причиной процессов этих бессознательных адаптаций. Его следует воспринимать как общую характеристику многих нормальных процессов, действующих совместно, а не как их первопричину. Более того, существует множество биологических явлений , которые не подходят под эту модель - например, анаболизм .

Другие сферы

Понятие «гомеостаз» используется также и в других сферах.

Актуарий может говорить о рисковом гомеостазе , при котором, к примеру, люди, у которых на машине установлены незаклинивающие тормоза , не находятся в более безопасном положении по сравнению с теми, у кого они не установлены, потому что эти люди бессознательно компенсируют более безопасный автомобиль рискованной ездой. Это происходит потому, что некоторые удерживающие механизмы - например, страх - перестают действовать.

Социологи и психологи могут говорить о стрессовом гомеостазе - стремлении популяции или индивида оставаться на определённом стрессовом уровне, зачастую искусственно вызывая стресс, если «естественного» уровня стресса недостаточно.

Примеры

  • Терморегуляция
    • Может начаться дрожание скелетных мышц, если слишком низкая температура тела.
    • Иной вид термогенеза включает расщепление жиров для выделения тепла .
    • Потоотделение охлаждает тело посредством испарения .
  • Химическая регуляция
    • Поджелудочная железа секретирует инсулин и глюкагон для контроля уровня глюкозы в крови.
    • Лёгкие получают кислород, выделяют углекислый газ .
    • Почки выделяют мочу и регулируют уровень воды и ряда ионов в организме.

Многие из этих органов контролируются гормонами гипоталамо-гипофизарной системы.

См. также


Wikimedia Foundation . 2010 .

Синонимы :

Смотреть что такое "Гомеостаз" в других словарях:

    Гомеостаз … Орфографический словарь-справочник

    гомеостаз - Общий принцип саморегулирования живых организмов. Перлз настоятельно указывает на важность этого понятия в своей работе The Gestalt Approach and Eye Witness to Therapy . Краткий толковый психолого психиатрический словарь. Под ред. igisheva. 2008 … Большая психологическая энциклопедия

    Гомеостазис (от греч. подобный, одинаковый и состояние), свойство организма поддерживать свои параметры и физиоло гич. функции в определ. диапазоне, основанное на устойчивости внутр. среды организма по отношению к возмущающим воздействиям … Философская энциклопедия

    - (от греч. homoios тот же самый, похожий и греч. stasis неподвижность, стояние), гомеостазис, способность организма или системы организмов поддерживать устойчивое (динамическое) равновесие в изменяющихся условиях среды. Гомеостаз в популяции… … Экологический словарь

    Гомеостазис (от гомео... и греч. stasis неподвижность, состояние), способность биол. систем противостоять изменениям и сохранять динамич. относит, постоянство состава и свойств. Термин «Г.» предложил У. Кен нон в 1929 для характеристики состояний … Биологический энциклопедический словарь