Лекция 14 Понятие о гомеостазе. Саморегуляция функций – основной механизм поддержания гомеостаза

Рассматриваемые вопросы:

1.Понятие о гомеостазе.

2.Саморегуляция организма.

3.Функциональная система.

4.Виды функциональных систем.

5.Значение функциональных систем.

Клетки, выделенные из организма, могут длительно жить и делиться, если поместить их в среду, содержащую те же вещества и имеющую те же физические параметры, что и жидкости тела (внутренняя среда организма). У высших животных такой внутренней средой явля­ются внеклеточные жидкости — кровь, лимфа, тканевая жидкость, обеспе­чивающие питание и обмен веществ органов и тканей. Однако непосредст­венной средой, смывающей и питающей клетки, является тканевая (интерстициальная, межклеточная) жидкость. Ее состав и свойства в определенной мере специфичны для отдельных органов и тканей и отражают функциональ­ные особенности составляющих их клеток.

Чтобы организм мог функционировать эффективно, его внутренняя среда должна быть строго контролируемой по составу и физико-химическим свойствам. Идея об относительном постоянстве внутренней среды организма и наличии механизмов, поддерживающих это постоянство, 'была высказана французским физиологом К. Бернаром более 100 лет назад: «Постоянство внутренней среды организма является необходимым условием свободной

и независимой жизни». Американский физиолог У. Кенон уже в нашем столетии развил и допол­нил эту концепцию. Он изучил ряд механизмов, систем поддержания постоян­ства среды и назвал эту способность организма к активной стабилизации внеклеточной среды гомеостазом (от греч. homoios — подобный и stasis - стояние, неподвижность).

В дальнейшем сведения о гомеостазе постоянно расширялись благодаря, достижениям биохимии, молекулярной биологии, эндокринологии, генетики, нейрофизиологии и других наук. Стало очевидным, что в поддержании гомеостаза участвуют практически все системы организма, а постоянство внутренней среды, в свою очередь, обеспечивает нормальную деятельность этих систем.

Установлено также, что во всех гомеостатических процессах принимает участие уникальное образование промежуточного мозга - гипоталамус — высший центр регуляции вегетативных функций (обмена веществ и энергии, питания, теплового и водного баланса, кровообращения, дыхания) и орган, контролирующий нейроэндокринные взаимоотношения в организме. В настоящее время под гомеостазом понимают относительное динамическое постоянство внутренней среды организма и устойчивость его основных физиологических функций.

На организм животного извне и изнутри постоянно действуют разнообразные «возмущающие» факторы (наличие или отсутствие корма, изменение температуры, смена дня и ночи, атмосферное давление, магнитные поля и прочее). Иначе говоря, на «свободную и независимую жизнь» организма влияют факторы окружающей среды. Эти факторы неизбежно вызывают сдвиги в составе и свойствах внутренней среды. Однако регулирующие и компенсирующие механизмы (включая и механизмы самой клетки) сглаживают эти сдвиги, выравнивают их, а иногда и предупреждают. В результате колебания параметров среды совершаются в наиболее благоприятных для жизнедеятельности пределах, возвращаясь к средней оптимальной величине. Так, теплокровные животные могут испытывать большой перепад температурных колебаний среды (от 60 до +70 °С), а температура внутренний органов поддерживается на оптимальном для метаболизма уровне (36 - 38 °С). Это очень важно, так как при повышении температуры на 10° скорость химических реакций увеличивается в 2—3 раза, что может привести к расстройствам жизнедеятельности.

Такие показатели внутренней среды, как осмотическое давление, ионный состав, величина pН, и норме вообще мало колеблются. Это так называемые жесткие физиологические константы, стабильность которых особенно важна для организма.

Таким образом, очевидно, что поддержание гомеостаза — единственно возможный способ существования открытой системы (организма), нахо­дящейся в постоянном контакте с внешней средой и обладающей высокой степенью упорядоченности.

Разумеется, функциональные возможности механизмов, поддержи­вающих гомеостаз, не беспредельны. При неблагоприятных условиях сущест­вования организм может приспособиться, адаптироваться к этим условиям, перейти на новый гомеостатический уровень, активизируя одни системы и притормаживая другие. Однако при воздействии чрезвычайных и длитель­ных раздражителей показатели гомеостаза могут хронически выходить из нормы, что нарушает функции организма и приводит к патологии, «бо­лезням гомеостаза». Последние проявляются в ослаблении факторов регу­ляции, недостатке или срыве компенсаторных или уравновешивающих механизмов.

Понятие «гомеостаз» отражает лишь конечное равновесное состояние организма (и его отдельных клеток) и является итогом большого числа взаимодействующих согласованных процессов, протекающих на всех уровнях организации. Это взаимодействие строится по принципу системной иерархии, когда структурные, и функциональные элементы организма находятся в це­лесообразных взаимоотношениях, и когда элементарные процессы подчиня­ются более сложным зависимостям. Чем выше уровень регуляции, тем более Обобщенными функциями он обладает.

Выражая явление гомеостаза в терминах биокибернетики (теории управления), можно рассматривать организм как многоконтурную нели­нейную систему, где каждый контур поддерживает постоянство определен­ного параметра и работает на принципе передачи информации.

В многоконтурной системе одни и те же объекты регулируются несколь­кими управляющими устройствами, которые, в свою очередь, сами являются объектами регулирования. При этом низшие уровни управления обеспе­чиваются автоматическими системами регуляции, поддерживающими заданный ритм деятельности. Любые возмущающие воздействия вызывают изменения регулируемой величины, которые должны устраняться системой регу­лирования. В отличие от простого управления (влияния информации на поток энергии) регуляция сложных систем предполагает обратное влияние полу немного эффекта на управляющий процесс, т. е. наличие обратной связи. Создаются замкнутые рабочие цепи, или контуры регулирования. Поскольку процесс цикличен, его можно назвать саморегуляцией.

Саморегуляция — свойство биологических или физических систем автоматически устанавливать и поддерживать на определенном, относительно постоянном уровне те или иные показатели.

Именно принцип саморегулирования лежит в основе гомеостаза на раз­ных уровнях — молекулярном (например, угнетение ферментативной реакции избытком конечных продуктов метаболизма, клеточном (самоторможение нейронов при истощении, поддержание трансмембранного потенциала), внутриорганном (поддержание давления в полостях сердца), организменном (поддержание кровяного давления, температуры, осмотического дав­ления).

Во всех случаях в основе саморегуляции лежит принцип обратной связи, которая может быть отрицательной (когда знак изменения обратен знаку первоначального отклонения) или положительной (знаки одинаковы).

Стимул для запуска системы саморегуляции возникает в ней самой вследствие отклонения какого-либо жизненно важного фактора от констант­ного уровня и мобилизации соответствующих механизмов, восстанавли­вающих его. Эти механизмы включают целый ряд уровней, подуровней, коррелирующих звеньев и участков. Например, в регуляции температуры тела принимают участие: скелетные мышцы (источник тепла при работе), печень и другие внутренние органы (усиление метаболизма), кожные сосуды и потовые железы (теплоотдача), органы внутренней секреции (регуляция интенсивности метаболизма и просвета сосудов). Ключевое положение в системе управления и поддержания температурного гомеостаза занимает гипоталамус.

Поскольку процесс саморегуляции является универсальным механизмом поддержания гомеостаза, представляется целесообразным иметь принци­пиальную универсальную модель сложной гомеостатической системы.

Такой универсальной моделью, отражающей системный подход к орга­низму, может служить приоритетная концепция функциональной системы, разработанная известным советским физиологом, учеником И. П. Павлова, академиком П. К. Анохиным.

Функциональная система — это динамическая система различных нервных образований и периферических органов, взаимосвязанных в дости­жении какого-то полезного для организма результата.

Основными звеньями функциональной системы являются: 1 — рецеп­торы, воспринимающие изменения внутренней среды организма или внешние воздействия; 2 — проводниковые аппараты, передающие, воспринятые сигналы в центры; 3 — центральные образования, представленные нервными элементами разных уровней; 4 — исполнительные механизмы, включающие соматические, вегетативные и эндокринные компоненты.

Поскольку полезным приспособительным результатом чаще всего является восстановление отклонившегося от оптимума параметра внутрен­ней среды (артериального давления, напряжения кислорода, уровня сахара в крови и пр.), функциональная система является инструментом поддержа­ния гомеостаза и адаптации организма.

Отклонение того или иного показателя внутренней среды от величины, обеспечивающей нормальный метаболизм, приводит при участии рецепторных и центральных аппаратов к возникновению внутренней биологической или метаболической потребности. Эта потребность служит стимулом для мобилизации цепи механизмов саморегуляции. Удовлетворение потребности (восстановление параметра) является результатом полезной приспособи­тельной деятельности. Механизмы обратной связи (обратной афферентации) сигнализируют в центр о достигнутом реальном результате. Если он соответ­ствует заданной цели, деятельность системы прекращается.

Таким образом, основным итогом деятельности функциональной системы является полезный приспособительный результат, основным ее механиз­мом — механизм саморегуляции на основе обратной связи (обратной афферентации).

Различают функциональные системы трех типов: 1 — с внутренним звеном саморегуляции, когда составные компоненты системы не выходят за пределы организма (например, поддержание осмотического давления или рН крови); 2 — с пассивным внешним звеном саморегуляции (например, поддержание газового состава крови); 3 — с активным внешним звеном саморегуляции (питание, размножение, коммуникация). Изучение функцио­нальных систем последнего типа, включающих активные поведенческие акты, направленные на удовлетворение доминирующей потребности организма, помогает выяснению нейрофизиологических основ поведения животных.

Концепция функциональных систем не противоречит ни рефлекторной теории, ни теории систем управления, ни концепции постоянства внутренней среды. Она их дополняет и синтезирует, исходя из принципа целостности организма.

Контрольные вопросы:

1.Половое созревание животных.

2.Функции половых органов самцов.

3.Функция половых органов самок.

4.Половой цикл и особенности его проявления у разных животных.

5. Осеменение и оплодотворение.