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;
История развития учения о гомеостазе
К.Бернар и его роль в развитии учения о внутренней среде
Впервые гомеостатические процессы в организме как процессы, обеспечивающие постоянство его внутренней среды, рассмотрел французский естествоиспытатель и физиолог К.Бернар в середине XIX в. Сам термин гомеостаз был предложен американским физиологом У.Кенноном лишь в 1929 г.
В становлении учения о гомеостазе ведущую роль сыграла идея К.Бернара о том, что для живого организма существуют «собственно, две среды: одна среда внешняя, в которой помещен организм, другая среда внутренняя, в которой живут элементы тканей». В 1878 г. ученый формулирует концепцию о постоянстве состава и свойств внутренней среды. Ключевой идеей этой концепции стала мысль о том, что внутреннюю среду составляет не только кровь, но и все плазматические и бластоматические жидкости, которые из нее происходят. «Внутренняя среда, – писал К.Бернар, – … образуется из всех составных частей крови – азотистых и безазотистых, белковины, фибрина, сахара, жира и прочее, … за исключением кровяных шариков, которые есть уже самостоятельные органические элементы».
К внутренней среде относятся только жидкие составляющие организма, которые омывают все элементы тканей, т.е. плазма крови, лимфа и тканевая жидкость. Атрибутом внутренней среды К.Бернар считал то, что она находится «в непосредственном соприкосновении с анатомическими элементами живого существа». Он отмечал, что, изучая физиологические свойства этих элементов, необходимо рассматривать условия их проявления и их зависимость от окружающей среды.
|
Клод
Бернар (1813-1878)Ученый справедливо считал, что проявления жизни обусловлены конфликтом между существующими силами организма (конституцией) и влиянием внешней среды. Жизненный конфликт в организме проявляется в виде двух противоположных и диалектически связанных феноменов: синтеза и распада. В результате этих процессов организм приспосабливается, или адаптируется, к условиям среды.
Анализ работ К.Бернара позволяет сделать вывод о том, что все физиологические механизмы, сколь различны они бы ни были, служат сохранению постоянства условий жизни во внутренней среде. «Постоянство внутренней среды есть условие свободной, независимой жизни. Это достигается посредством процесса, который поддерживает во внутренней среде все условия, необходимые для жизни элементов». Постоянство среды предполагает такое совершенство организма, при котором внешние переменные в каждое мгновение компенсировались бы и уравновешивались. Для жидкой среды были определены основные условия ее постоянного поддержания: наличие воды, кислорода, питательных веществ и определенная температура.
Независимость жизни от внешней среды, о которой говорил К.Бернар, весьма относительна. Внутренняя среда тесно связана с внешней. Более того, она сохранила многие свойства той первичной среды, в которой зародилась когда-то жизнь. Живые существа как бы замкнули морскую воду в систему кровеносных сосудов и превратили постоянно колеблющуюся внешнюю среду в среду внутреннюю, постоянство которой охраняется специальными физиологическими механизмами.
Главная функция внутренней среды – приведение «органических элементов в соотношение друг с другом и с наружной средой». К.Бернар объяснил, что между внутренней средой и клетками организма существует постоянный обмен веществ за счет их качественного и количественного различия внутри клеток и снаружи. Внутренняя среда создается самим организмом, и постоянство ее состава поддерживается органами пищеварения, дыхания, выделения и т.д., главная функция которых состоит в том, чтобы «приготовить общую питательную жидкость» для клеток организма. Деятельность этих органов регулируется нервной системой и с помощью «специально вырабатываемых веществ». В этом «заключается, беспрерывный круг взаимных влияний, образующих жизненную гармонию».
Таким образом, К.Бернар еще во второй половине XIX столетия дал правильное научное определение внутренней среды организма, выделил ее элементы, описал состав, свойства, эволюционное происхождение и подчеркнул ее значение в обеспечении жизнедеятельности организма.
Учение о гомеостазе У.Кеннона
В отличие от К.Бернара, выводы которого базировались на широких биологических обобщениях, У.Кеннон пришел к заключению о значении постоянства внутренней среды организма другим методом: на основе экспериментальных физиологических исследований. Ученый обратил внимание на то, что жизнь животного и человека, несмотря на довольно частые неблагоприятные воздействия, протекает нормально в течение многих лет.
У.Кеннон отмечал, что постоянные условия, поддерживаемые в организме, можно было бы назвать равновесием . Однако за этим словом ранее уже закрепилось вполне определенное значение: им обозначают наиболее вероятное состояние изолированной системы, в котором все известные силы взаимно сбалансированы, поэтому в равновесном состоянии параметры системы не зависят от времени, и в системе нет потоков вещества или энергии. В организме же постоянно протекают сложные согласованные физиологические процессы, обеспечивающие устойчивость его состояний. Примером может служить согласованная деятельность мозга, нервов, сердца, легких, почек, селезенки и других внутренних органов и систем. Поэтому У.Кеннон и предложил специальное обозначение для таких состояний – гомеостаз . Это слово вовсе не предполагает нечто застывшее и неподвижное. Оно означает условие, которое может меняться, но все же оставаться относительно постоянным.
Термин гомеостаз образован из двух греческих слов: homoios – подобный, сходный и stasis – стояние, неподвижность. В толковании этого термина У.Кеннон подчеркивал, что слово stasis подразумевает не только устойчивое состояние, но и условие, ведущее к этому явлению, а слово homoios указывает на сходство и подобие явлений.
Понятие гомеостаза, по мнению У.Кеннона, включает в себя и физиологические механизмы, обеспечивающие устойчивость живых существ. Эта особая устойчивость не характеризуется стабильностью процессов, наоборот, они динамичны и постоянно меняются, однако в условиях «нормы» колебания физиологических показателей довольно жестко ограничены.
Позже У.Кеннон показал, что все обменные процессы и основные условия, при которых выполняются важнейшие жизненные функции организма – температура тела, концентрация глюкозы и минеральных солей в плазме крови, давление в сосудах, – колеблются в очень узких пределах вблизи некоторых средних величин – физиологических констант. Поддержание этих констант в организме и есть обязательное условие существования.
У.Кеннон выделил и классифицировал основные компоненты гомеостаза . К ним он отнес материалы, обеспечивающие клеточные потребности (материалы, необходимые для роста, восстановления и размножения, – глюкоза, белки, жиры; вода; хлориды натрия, калия и другие соли; кислород; регуляторные соединения), и физико-химические факторы , влияющие на клеточную активность (осмотическое давление, температура, концентрация водородных ионов и т.п.). На современном этапе развития знаний о гомеостазе эта классификация пополнилась механизмами, обеспечивающими структурное постоянство внутренней среды организма и структурно-функциональную целостность всего организма. К их числу относятся:
а) наследственность;
б) регенерация и репарация;
в) иммунобиологическая реактивность.
Условиями автоматического поддержания гомеостаза , по У.Кеннону, являются:
– безупречно действующая система
сигнализации, оповещающая центральные и
периферические регуляторные устройства о любых
изменениях, угрожающих гомеостазу;
– наличие корригирующих устройств,
своевременно вступающих в действие и
задерживающих наступление этих изменений.
Э.Пфлюгер, Ш.Рише, И.М. Сеченов, Л.Фредерик, Д.Холдейн и другие исследователи, работавшие на рубеже XIX–XX вв., также подошли к идее о существовании физиологических механизмов, обеспечивающих устойчивость организма, и использовали свою терминологию. Однако самое широкое распространение как среди физиологов, так и среди ученых других специальностей, получил термин гомеостаз , предложенный У.Кенноном для характеристики создающих такую способность состояний и процессов.
Для биологических наук в понимании гомеостаза по У.Кеннону ценно то, что живые организмы рассматриваются как открытые системы, имеющие множество связей с окружающей средой. Эти связи осуществляются через посредство органов дыхания и пищеварения, поверхностных рецепторов, нервной и мышечной систем и др. Изменения в окружающей среде прямо или опосредованно воздействуют на указанные системы, вызывая в них соответствующие изменения. Однако эти воздействия обычно не сопровождаются большими отклонениями от нормы и не вызывают серьезных нарушений в физиологических процессах.
Вклад Л.С. Штерн в развитие представлений о гомеостазе
Одновременно с У.Кенноном в 1929 г. в России свои представления о механизмах поддержания постоянства внутренней среды сформулировала российский физиолог Л.С. Штерн. «В отличие от простейших, у более сложных многоклеточных организмов обмен с окружающей средой совершается при посредстве так называемой среды, из которой отдельные ткани и органы черпают необходимый им материал и в которую выделяют продукты своего метаболизма. … По мере дифференциации и развития отдельных частей организма (органов и тканей) должна создаваться и развиваться для каждого органа, для каждой ткани своя непосредственная питательная среда, состав и свойства которой должны соответствовать структурным и функциональным особенностям данного органа. Эта непосредственная питательная, или интимная, среда должна обладать определенным постоянством, обеспечивающим нормальную жизнедеятельность омываемого органа. … Непосредственной питательной средой отдельных органов и тканей является межклеточная или тканевая жидкость».
Л.С. Штерн установила важность для нормальной деятельности органов и тканей постоянства состава и свойств не только крови, но и тканевой жидкости. Она показала существование гистогематических барьеров – физиологических преград, разделяющих кровь и ткани. Данные образования, по ее мнению, состоят из эндотелия капилляров, базальной мембраны, соединительной ткани, клеточных липопротеидных мембран. Избирательная проницаемость барьеров способствует сохранению гомеостаза и известной специфики внутренней среды, необходимой для нормальной функции конкретного органа или ткани. Предложенная и хорошо обоснованная Л.С. Штерн теория барьерных механизмов – это принципиально новый вклад в учение о внутренней среде.
Гистогематический , или сосудисто-тканевый , барьер – это, в сущности, физиологический механизм, определяющий относительное постоянство состава и свойств собственной среды органа и клетки. Он выполняет две важнейшие функции: регуляторную и защитную, т.е. обеспечивает регуляцию состава и свойств собственной среды органа и клетки и защищает ее от поступления из крови веществ, чуждых данному органу или всему организму.
Гистогематические барьеры имеются почти во всех органах и имеют соответствующие названия: гематоэнцефалический, гематоофтальмический, гематолабиринтный, гематоликворный, гематолимфатический, гематопульмональный и гематоплевральный, гематоренальный, а также барьер «кровь–половые железы» (например, гематотестикулярный) и др.
Современные представления о гомеостазе
Идея гомеостаза оказалась весьма плодотворной, и на протяжении всего XX в. ее развивали многие отечественные и зарубежные ученые. Однако до сих пор это понятие в биологической науке не имеет четкого терминологического определения. В научной и в учебно-методической литературе можно встретить либо равнозначность терминов «внутренняя среда» и «гомеостаз», либо разную трактовку понятия «гомеостаз».
Внутренней средой организма называют всю совокупность циркулирующих жидкостей организма: кровь, лимфу, межклеточную (тканевую) жидкость, омывающую клетки и структурные ткани, участвующую в обмене веществ, химических и физических превращениях. К составным частям внутренней среды относят и внутриклеточную жидкость (цитозоль), считая, что она является непосредственно той средой, в которой протекают основные реакции клеточного обмена. Объем цитоплазмы в организме взрослого человека составляет около 30 л, межклеточной жидкости – около 10 л, а занимающих внутрисосудистое пространство крови и лимфы – 4–5 л.
В одних случаях термин «гомеостаз» применяют для обозначения постоянства внутренней среды и способности организма обеспечивать его. Гомеостаз – это относительное динамическое, колеблющееся в строго очерченных границах постоянство внутренней среды и устойчивость (стабильность) основных физиологических функций организма. В других случаях под гомеостазом понимают физиологические процессы или управляющие системы, регулирующие, координирующие и корригирующие жизнедеятельность организма с целью поддержания стабильного состояния.
Таким образом, к определению понятия гомеостаза подходят с двух сторон. С одной стороны, гомеостаз рассматривается как количественное и качественное постоянство физико-химических и биологических параметров. С другой, гомеостаз определяют как совокупность механизмов, поддерживающих постоянство внутренней среды организма.
Анализ определений, имеющихся в биологической и справочной литературе, позволил выделить наиболее важные стороны этого понятия и сформулировать общее определение: гомеостаз – состояние относительного динамического равновесия системы, поддерживаемого за счет механизмов саморегуляции . Это определение не только включает в себя знания об относительности постоянства внутренней среды, но и демонстрирует значение гомеостатических механизмов биологических систем, обеспечивающих это постоянство.
К жизненным функциям организма относят гомеостатические механизмы самого различного характера и действия: нервные, гуморально-гормональные, барьерные, контролирующие и осуществляющие постоянство внутренней среды и действующие на разных уровнях.
Принцип работы гомеостатических механизмов
Принцип работы гомеостатических механизмов, обеспечивающих регуляцию и саморегуляцию на разных уровнях организации живой материи, описал Г.Н. Кассиль. Выделяют следующие уровни регуляции:
1) субмолекулярный;
2) молекулярный;
3) субклеточный;
4) клеточный;
5) жидкостный (внутренняя среда,
гуморально-гормонально-ионные взаимоотношения,
барьерные функции, иммунитет);
6) тканевой;
7) нервный (центральные и периферические
нервные механизмы,
нейрогуморально-гормонально-барьерный
комплекс);
8) организменный;
9) популяционный (популяции клеток,
многоклеточных организмов).
Элементарным гомеостатическим уровнем биологических систем следует считать организменный . В его границах выделяют ряд других: цитогенетический, соматический, онтогенетический и функциональный (физиологический) гомеостаз, соматический геностаз.
Цитогенетический гомеостаз как морфологическая и функциональная приспособляемость выражает непрерывную перестройку организмов соответственно условиям существования. Прямо или косвенно функции такого механизма выполняет наследственный аппарат клетки (гены).
Соматический гомеостаз – направление суммарных сдвигов функциональной активности организма на установление наиболее оптимальных отношений его со средой.
Онтогенетический гомеостаз – это индивидуальное развитие организма от образования зародышевой клетки до смерти или прекращения существования в прежнем качестве.
Под функциональным гомеостазом понимают оптимальную физиологическую активность различных органов, систем и всего организма в конкретных условиях среды. В свою очередь он включает: обменный, дыхательный, пищеварительный, выделительный, регуляторный (обеспечивающий оптимальный уровень нейрогуморальной регуляции в данных условиях) и психологический гомеостаз.
Соматический геностаз представляет собой контроль над генетическим постоянством соматических клеток, составляющих индивидуальный организм.
Можно выделить гомеостаз циркуляторный, двигательный, сенсорный, психомоторный, психологический и даже информационный, обеспечивающий оптимальную реакцию организма на поступающую информацию. Отдельно выделяют патологический уровень – болезни гомеостаза, т.е. нарушение работы гомеостатических механизмов и регулирующих систем.
Гемостаз как приспособительный механизм
Гемостаз является жизненно важным комплексом сложных взаимосвязанных процессов, составной частью приспособительного механизма организма. Ввиду особой роли крови в поддержании основных параметров организма его выделяют в самостоятельный вид гомеостатических реакций.
Основной компонент гемостаза – это сложная система приспособительных механизмов, обеспечивающая текучесть крови в сосудах и свертывание ее при нарушении их целостности. Однако гемостаз не только обеспечивает поддержание жидкого состояния крови в сосудах, резистентности стенок сосудов и остановку кровотечения, но и оказывает влияние на гемодинамику и проницаемость сосудов, участвует в заживлении ран, в развитии воспалительных и иммунных реакций, имеет отношение к неспецифической резистентности организма.
Система гемостаза находится в функциональном взаимодействии с системой иммунитета. Эти две системы формируют единый гуморальный защитный механизм, функции которого связаны, с одной стороны, с борьбой за чистоту генетического кода и предупреждением различных заболеваний, а с другой – с сохранением жидкого состояния крови в циркуляторном русле и остановкой кровотечения в случае нарушения целостности сосудов. На их функциональную активность оказывают регулирующее влияние нервная и эндокринная системы.
Наличие общих механизмов «включения» защитных систем организма – иммунной, свертывающей, фибринолитической и др. – позволяет рассматривать их как единую структурно и функционально определенную систему.
Особенностями ее являются: 1) каскадный принцип последовательного включения и активирования факторов до образования конечных физиологически активных веществ: тромбина, плазмина, кининов; 2) возможность активации указанных систем в любом участке сосудистого русла; 3) общий механизм включения систем; 4) обратная связь в механизме взаимодействия этих систем; 5) существование общих ингибиторов.
Обеспечение надежности функционирования системы гемостаза, как и других биологических систем, осуществляется в соответствии с общим принципом надежности. Это означает, что надежность системы достигается избыточностью элементов управления и их динамическим взаимодействием, дублированием функций или взаимозаменяемостью элементов регулирования с совершенным быстрым возвратом к прежнему состоянию, способностью к динамической самоорганизации и поиску устойчивых состояний.
Циркуляция жидкости между клеточными и тканевыми пространствами, а также кровеносными и лимфатическими сосудами
Клеточный гомеостаз
Важнейшее место в саморегуляции и сохранении гомеостаза занимает клеточный гомеостаз. Его называют также авторегуляцией клетки .
Ни гормональная, ни нервная системы принципиально не способны справиться с задачей поддержания постоянства состава цитоплазмы отдельной клетки. Каждая клетка многоклеточного организма имеет свой собственный механизм авторегуляции процессов в цитоплазме.
Ведущее место в этой регуляции принадлежит наружной цитоплазматической мембране. Она обеспечивает передачу химических сигналов в клетку и из клетки, изменяя свою проницаемость, принимает участие в регуляции электролитного состава клетки, осуществляет функцию биологических «насосов».
Гомеостаты и технические модели гомеостатических процессов
В последние десятилетия проблему гомеостаза стали рассматривать с позиции кибернетики – науки о целенаправленном и оптимальном управлении сложными процессами. Биологические системы, такие как клетка, мозг, организм, популяция, экосистемы функционируют по одним и тем же законам.
Людвиг фон Берталанфи (1901–1972)Австрийский биолог-теоретик, создатель «общей теории систем». С 1949 г. работал в США и Канаде. Подходя к биологическим объектам как к организованным динамическим системам, Берталанфи дал развернутый анализ противоречий механицизма и витализма, возникновения и развития идей о целостности организма и на основе последних – формирования системных концепций в биологии. Берталанфи принадлежит ряд попыток применить «организмический» подход (т.е. подход с точки зрения целостности) при исследовании тканевого дыхания и соотношения метаболизма и роста у животных. Предложенный ученым метод анализа открытых эквифинальных (стремящихся к цели) систем дал возможность широко использовать в биологии идеи термодинамики, кибернетики, физической химии. Его идеи нашли применение в медицине, психиатрии и других прикладных дисциплинах. Будучи одним из пионеров системного подхода, ученый выдвинул первую в современной науке обобщенную системную концепцию, задачами которой являются разработка математического аппарата описания разных типов систем, установление изоморфизма законов в различных областях знания и поиск средств интеграции науки («Общая теория систем», 1968). Эти задачи, однако, были реализованы лишь применительно к некоторым типам открытых биологических систем. |
Основоположником теории управления в живых объектах является Н.Винер. В основе его представлений лежит принцип саморегулирования – автоматического поддержания постоянства или же изменение по требуемому закону регулируемого параметра. Однако, задолго до Н.Винера и У.Кеннона идея автоматического регулирования была высказана И.М. Сеченовым: «…в животном теле регуляторы могут быть только автоматическими, т.е. приводиться в действие измененными условиями в состоянии или ходе машины (организма) и развивать деятельности, которыми эти неправильности устраняются». В этой фразе имеется указание на необходимость и прямых, и обратных связей, лежащих в основе саморегуляции.
Идею саморегуляции в биологических системах углубил и развил Л.Берталанфи, понимавший биологическую систему как «упорядоченное множество взаимосвязанных элементов». Он же рассмотрел и общий биофизический механизм гомеостаза в контексте открытых систем. На основе теоретических представлений Л.Берталанфи в биологии сложилось новое направление, получившее название системный подход . Взгляды Л.Берталанфи разделял В.Н. Новосельцев, представивший проблему гомеостаза как задачу управления потоками веществ и энергии, которыми открытая система обменивается со средой.
Первая попытка моделирования гомеостаза и установления возможных механизмов управления им принадлежит У.Р. Эшби. Им сконструировано искусственное саморегулирующееся устройство, названное «гомеостатом». Гомеостат У.Р. Эшби представлял собой систему потенциометрических схем и воспроизводил лишь функциональные стороны явления. Адекватно отобразить сущность процессов, лежащих в основе гомеостаза, эта модель не могла.
Следующий шаг в развитии гомеостатики сделал С.Бир, указавший на два новых принципиальных момента: иерархический принцип построения гомеостатических систем для управления сложными объектами и принцип живучести. С.Бир попытался применить определенные гомеостатические принципы при практической разработке организованных систем управления, выявил некоторые кибернетические аналогии между живой системой и сложным производством.
Качественно новый этап развития этого направления наступил после создания формальной модели гомеостата Ю.М. Горским. Его взгляды сложились под влиянием научных представлений Г.Селье, утверждавшего, что «...если удастся включить в модели, отражающие работу живых систем, противоречия, да еще при этом понять, почему природа, создавая живое, пошла по такому пути, – это будет новым прорывом в тайны живого с большим практическим выходом».
Физиологический гомеостаз
Физиологический гомеостаз поддерживается вегетативной и соматической нервной системой, комплексом гуморально-гормональных и ионных механизмов, составляющих физико-химическую систему организма, а также поведением, в котором велика роль как наследственных форм, так и приобретенного индивидуального опыта.
Представление о ведущей роли вегетативной нервной системы, в особенности ее симпатоадреналового отдела, развивалось в трудах Э.Гельгорна, Б.Р. Гесса, У.Кеннона, Л.А. Орбели, А.Г. Гинецинского и др. Организующая роль нервного аппарата (принцип нервизма) лежит в основе отечественной физиологической школы И.П. Павлова, И.М. Сеченова, А.Д. Сперанского.
Гуморально-гормональные теории (принцип гуморализма) получили развитие за рубежом в работах Г.Дейла, О.Леви, Г.Селье, Ч.Шеррингтона и др. Большое внимание этой проблеме уделяли российские ученые И.П. Разенков и Л.С. Штерн.
Накопившийся колоссальный фактический материал, описывающий различные проявления гомеостаза в живых, технических, социальных, экологических системах, требует изучения и рассмотрения с единых методологических позиций. Объединяющей теорией, которая смогла соединить все многообразные подходы к пониманию механизмов и проявлений гомеостаза стала теория функциональных систем , созданная П.К. Анохиным. В своих взглядах ученый основывался на представлениях Н.Винера о самоорганизующихся системах.
Современное научное знание о гомеостазе целого организма строится на понимании его как содружественной и согласованной саморегулирующейся деятельности различных функциональных систем, характеризующейся количественными и качественными изменениями их параметров при физиологических, физических и химических процессах.
Механизм поддержания гомеостаза напоминает маятник (весы). В первую очередь постоянный состав должна иметь цитоплазма клетки – гомеостаз 1-й ступени (см. схему). Это обеспечивается механизмами гомеостаза 2-й ступени – циркулирующими жидкостями, внутренней средой. В свою очередь их гомеостаз связан с вегетативными системами стабилизации состава поступающих веществ, жидкостей и газов и выделением конечных продуктов обмена веществ – ступень 3. Так, на относительно постоянном уровне поддерживается температура, содержание воды и концентрации электролитов, кислорода и углекислого газа, количества питательных веществ и выделяемых продуктов обмена.
Четвертая ступень поддержания гомеостаза – поведение. Помимо целесообразных реакций оно включает эмоции, мотивации, память, мышление. Четвертая ступень активно взаимодействует с предыдущей, основывается на ней и влияет на нее. У животных поведение выражается в выборе пищи, кормовых угодий, мест гнездования, суточных и сезонных миграций и т.п., суть которых в стремлении к покою, восстановлении нарушившегося равновесия.
Итак, гомеостаз – это:
1) состояние внутренней среды и ее
свойство;
2) совокупность реакций и процессов,
поддерживающих постоянство внутренней среды;
3) способность организма противостоять
изменениям среды;
4) условие существования, свободы и независимости
жизни: «Постоянство внутренней среды – условие
свободной жизни» (К.Бернар).
|
Поскольку понятие гомеостаз является ключевым в биологии, упоминать о нем следует при изучении всех школьных курсов: «Ботаника», «Зоология», «Общая биология», «Экология». Но, конечно, основное внимание раскрытию этого понятия следует уделить в курсе «Человек и его здоровье». Вот примерные темы, при изучении которых могут быть использованы материалы статьи. «Органы. Системы органов, Организм как целое». «Нервная и гуморальная регуляция функций в организме». «Внутренняя среда организма. Кровь, лимфа, тканевая жидкость». «Состав и свойства крови». «Кровообращение». «Дыхание». «Обмен веществ как основная функция организма». «Выделение». «Терморегуляция». |
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:
- 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).
- 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
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;
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:
- понижением приспособительных реакций;
- 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:
- Латентной - жизнь внешне не проявляется, полное подавление обмена веществ (цисты у глистов, споры у растений, сухие дрожжи);
- 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;
- 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:
- При кратковременном выходе за пределы нормы при воздействии условий окружающей среды организм отвечает кратковременным изменением функциональной активности (бег вызывает тахикардию и тахипноэ);
- При длительном или повторном воздействии могут возникать более стойкие пли даже структурные изменения:
- повышенная физическая нагрузка и объем мускулатуры, гипертрофия беременной матки, структуры костной ткани при неправильном прикусе;
- 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:
- Низший, определяет постоянство физиологических констант и обладает автономностью (поддержание pH, Р осм).
- Средний, определяет приспособительные реакции при изменении внутренней среды организма. Регулируется нейро-эндокринной системой.
- 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.