Внутренняя среда организма, гомеостаз, гистогематические барьеры. Механизмы регуляции параметров внутренней среды.

К. Бернар более ста лет назад создал концепцию о постоянстве внутренней среды организма. Внутренней средой организма называют совокупность биологических жидкостей (кровь, лимфа, тканевая жидкость), омывающих клетки и структуры тканей, принимающих участие в процессах обмена веществ. К. Бернар подчеркивал, что в отличие от изменчивой внешней среды, в которой существует организм, клетки организма требуют постоянства окружающей их внутренней среды. Живой организм – это открытая термодинамическая система, для существования которой необходим постоянный обмен со средой веществами, энергией и информацией. В организм из среды поступают: вода, кислород, питательные вещества, а из организма в среду выделяются продукты метаболизма: углекислый газ, тепло и ненужные организму вещества.

Внешняя среда поставляет организму огромное количество информации, которая воспринимается органами чувств. Внешняя среда для организма может быть опасной, т. к. в ней могут резко изменяться условия. Однако живой организм благополучно существует в различных условиях, только если они не переходят определенные границы.

Относительная стабильность и независимость жизненных процессов от изменений окружающей среды обеспечивается физиологическими механизмами организма, получившими название гомеостаз (У. Кеннон, 1932). Организм – это ультрастабильная система, которая сама осуществляет поиск наиболее оптимального состояния и удерживает различные параметры внутренней среды в определенных границах, что называют нормой. Опыты на животных показали, что в организме имеется около 300 показателей внутренней среды.

Классический афоризм К. Бернара гласит, что свободная жизнь организма — это следствие постоянства внутренней среды организма независимо от условий внешней среды. Постоянство параметров внутренней среды или ее констант может быть относительным, т. е. их величина может колебаться в некоторых пределах. Например, температура тела колеблется от 36º до 37º, уровень глюкозы в крови – от 0,9 до 1,8г/л. Следует отметить, что при этом организм испытывает действие температуры среды от – 40º до + 40º. В организме также могут возникать условия, повышающие уровень глюкозы в крови – это прием сладкого с пищей, расщепление гликогена или образования глюкозы из аминокислот; или — условия, понижающие уровень глюкозы, связанные с использованием ее на обеспечение метаболизма, на синтез гликогена или на синтез жиров.

Параметры внутренней среды, колебание которых происходит довольно в широких пределах, называют динамичными или пластичными. К ним относятся: объем внеклеточной воды, уровень глюкозы, величина артериального давления и другие. Есть еще жесткие параметры внутренней среды с весьма узкими границами колебания. Например, осмотическое давление имеет величину 7,6 атм., рН-7,4, концентрация ионов кальция в крови не должна выходить за пределы 110 мг/л, отклонение этих параметров за указанные величины опасно для жизни.

Гомеостаз по современному определению – это относительное динамическое постоянство внутренней среды и сохранение устойчивости основных физиологических функций в норме даже при изменении условий внешней среды. Динамическое постоянство предполагает допустимость некоторого колебания параметров внутренней среды, не выходящих за определенные пределы. Если бы параметры были жестко закреплены и организм не имел бы механизмов управления этими параметрами, диапазон условий жизнедеятельности был бы ограничен. Организм сохранял бы способность жить только в комфортных условиях, но утратил бы способность выживать в жестких условия среды. Например, в теплом помещении поддерживать температуру тела проще, чем при воздействии низкой или высокой температуры среды.

Параметры гомеостаза у человека могут меняться в зависимости от возраста, профессиональных условий, времени суток, сезона, природных условий. Они имеют половые индивидуальные особенности. Внешняя среда для многих людей может быть одинакова, но константы гомеостаза у разных людей могут отличаться. Поэтому существует понятие нормы – это среднестатистическое значение параметров, полученных у большого числа здоровых людей.

Механизмы регулирования гомеостаза.Существует несколько уровней регулирования параметров внутренней среды.

Организменный уровень регулирования. Все константы внутренней среды организма в норме отражают прежде всего постоянство самого главного условия жизнедеятельности – метаболизма. В организме вегетативные функции являются промежуточным звеном между внутренней и внешней средами. Как уже отмечалось, из внешней среды для метаболизма должны поступать в организм: пища, вода, кислород. В условиях изменения внешней среды, чтобы не допустить отклонения параметров гомеостаза, организм формирует определенное поведение. Основой поведения в этих условиях являются деятельность центральной нервной системы. Мозг оценивает информацию об условиях, в которых находится организм, формирует программу адаптивного поведения, подключает двигательную систему, в частности, скелетные мышцы, и уходит от воздействия среды или преобразует ее. Например, если человек находится в условиях жары, то он включает вентилятор, одевается в легкую одежду, уходит в тень. Если он нуждается в пище или воде, то осуществляется их поиск.

Органный уровень регулирования гомеостаза. Каждая из физиологических систем гомеостаза имеет свои регулирующие механизмы, препятствующие значительным отклонениям параметров. Например, человек в условиях высокогорья испытывает недостаток кислорода. Уровень кислорода в артериальной крови снижается. Сразу же начинают напряженно работать системы дыхания и кровообращения, увеличивается объем циркулирующей крови, появятся дополнительный объем эритроцитов из костного мозга. В результате данных компенсаторных реакций уровень кислорода в артериальной крови повышается, транспорт его к тканям восстанавливается.

Гистогематические барьеры.Существует общая внутренняя среда – это артериальная кровь. Кроме этого внутренняя среда имеется в каждом органе — это тканевая жидкость, она отличается от крови и по составу, и по свойствам. Между артериальной кровью и тканевой жидкостью существует сосудисто-тканевой или гистогематический барьер.

Гистогематические барьеры в различных органах и тканях имеют специфические отличия, особая жизненно важная роль принадлежит гематоэнцефалическому или кровемозговому барьеру. Учение о барьерах принадлежит Л. С. Штерн (1921). В начале ею был открыт кровемозговой или гематоэнцефалический барьер. Функция гистогематических барьеров обеспечивать регулируемый переход физиологически необходимых веществ из артериальной крови в клетки или ткани и выведение в венозную кровь продуктов жизнедеятельности клеток. Гистогематические барьеры создают и поддерживают относительное постоянство состава и свойств клеточной или органной среды. Гистогематические барьеры обладают избирательной проницаемостью, поэтому в клетки поступают только необходимые им вещества. Защитная функция барьеров заключается в блокировании поступления в клетки или чуждых для их функции, или токсичных веществ. Например, в крови постоянно присутствуют желчные пигменты, но в нормальных условиях они не могут проникать ни в мозг, ни в мышцы.

Многими исследованиями установлено, что клетки центральной нервной системы особо чувствительны даже к слабым отклонениям внутренней среды мозга, которая включает в себя тканевую и спинномозговую жидкости. Состав этих жидкостей сложный, он повторяет состав крови, но большинство веществ имеют иную концентрацию. Внутренняя среда мозга в нормальных условиях всегда стойко защищена гематоэнцефалическим барьером. Это свойство защитной функции барьера отрицательно проявляется при лечении заболеваний центральной нервной системы. Так как гематоэнцефалический барьер отличается высокой избирательной проницаемостью, то он активно препятствует проникновению в мозг ряда лекарственных веществ, многих антибиотиков и иммунных сывороток. Поэтому при заболеваниях мозга лекарственные препараты часто вводятся не в кровь, а непосредственно в спинномозговую жидкость. Гематоэнцефалический барьер у детей более проницаем, чем у взрослых, поэтому в мозг легко проникают вещества, например, провоцирующие нарастание температуры.