2 РЕГУЛИРОВАНИЕ ЖИЗНЕННЫХ ФУНКЦИЙ ОРГАНИЗМА
ВЕХИ ИСТОРИИ
1637 — Р. Декарт (R. Descartes, Франция) сделал попытку проникнуть
в сущность произвольных и непроизвольных движений. Дал первое описание рефлекса
(но не использовал этого слова).
1784 — И. Прохазка
(J. Prochaska, Чехия) развил представление о
рефлексе (и предложил этот термин), рефлекторной дуге, нервной системе как
посреднике между внешней средой и организмом.
1832 — М. Голл и
И. Мюллер (М. Goll, J. Muller, Германия) изложили учение о рефлексе.
1855 — К. Бернар
(С. Bernard, Франция) предположил, что железы выделяют в кровь
«внутренние секреты», оказывающие действие на весь организм. В 1857 г. открыл существование
постоянства внутренней среды организмов и ее значение для поддержания жизни.
1863 — И. М.
Сеченов (Россия) в книге «Рефлексы головного мозга» распространил принцип
рефлекторной реакции на психическую деятельность и поведение человека.
1897 — Ч.
Шеррингтон (Ch. Sherrington, Великобритания) ввел понятие «синапс».
1902 — в докладе
из лаборатории И. П. Павлова впервые заявлено о существовании условных
рефлексов.
1902 — У. Бейлисс
и Э. Старлинг (W. Bayliss, E. Starling, Великобритания) открыли секретин —
первый из гормонов, и таким образом, основали эндокринологию. В 1905 г. по
предложению У. Харди (W.Hardy, Великобритания) Старлинг назвал новую группу веществ
«гормонами».
1906 — Ч.
Шеррингтон разработал концепцию интегративных процессов в нервной системе.
1908 — И. И.
Мечников (Россия) и П. Эрлих (Р. Ehrlich, Германия) — Нобелевская премия за
создание теории иммунитета.
1923 — А. А.
Ухтомский (СССР) создал учение о доминанте.
1928 — Э.
Шаррер (E. Scharrer, Германия) ввел понятие «нейросекреторная клетка», но его
взгляды получили признание только в 1960—е годы.
1929 — У. Кеннон (W. Cannon, США) ввел понятие о гомеостазе.
1930—е — П. К.
Анохин (СССР) высказал идею об «акцепторе результата действия» и, таким
образом, открыл существование обратной связи в физиологических процессах (но не
использовал этого термина).
1931 — У. фон Эйлер и Дж. Гаддам (U. v. Euler, J. Gaddam, Швеция) открыли субстанцию Р — первый
из регуляторных пептидов.
1932 — Ч.
Шеррингтон и Э. Эдриан (E. Adrian, Великобритания) — Нобелевская премия за открытие
роли рецепторов, чувствительных и двигательных нервов, передачи информации в
виде электрических импульсов.
1936 — О. Лёви (О. Loewi, Австрия) и Г. Дейл (Н. Dale, Великобритания) — Нобелевская
премия за открытие механизма синаптической передачи.
1936 — Г. Селье
(Н. Selye, Канада) открыл феномен стресса и описал общий адаптационный синдром и
болезни адаптации.
1941.— Н. А. Бернштейн (СССР) в трудах по
физиологии движений предвосхитил некоторые последующие идеи кибернетики, создал
схему рефлекторного кольца.
1947 — Б.
Усай (В. Houssay, Аргентина) — Нобелевская премия за исследования гормонов
передней доли гипофиза.
1948 — Н. Винер (N. Wiener, США) создал новую науку —
кибернетику.
1949 — В.
Хесс (W. Hess, Швейцария) — Нобелевская премия за открытие гипоталамических центров
регуляции автономных функций.
1949 — в книге У. Кеннона и А. Розенблюта (A. Rosenblueth, Мексика) описан закон денервации,
повышение чувствительности денервированных структур.
1950 — Э.
Кендалл (Е. Kendall, США), Т. Рейхштейн (Т. Reichstein, Швейцария) и Ф. Хэнч (Ph. Hench, США) — Нобелевская премия за
открытие кортикостероидов.
1955 — В. Дю Виньи (V. Du Vigneaud, США) — Нобелевская премия по химии
за впервые осуществленный синтез пептидного гормона — окситоцина.
1971 — Э. Сазерленд (Е. Sutherland, США) — Нобелевская премия за
открытие вторичных мессенджеров (посредников).
1977 — Р. Гиймен и Э. Шалли (R. Guillemin, A. Schally, США) — Нобелевская премия за
открытие рилизинг—гормонов гипоталамуса.
1978 — А. Пирс (A. Pearse, Великобритания) открыл
существование диффузной эндокринной системы (APUD—системы).
1979 — А.
Кормак (A. Cormack, США) и Г. Хаунсфилд (G. Hounsfield, Великобритания) — Нобелевская
премия за разработку метода компьютерной томографии.
1980 — А. Д. Ноздрачев (СССР) ввел понятие
метасимпатическая нервная система (МНС) и определил ее роль в регуляции
висцеральных функций.
1986 — С. Коэн (S. Cohen, США) и Р. Леви—Монтальчйни (R. Levi—Montalcini, Италия—США) — Нобелевская премия
за открытие пептидных факторов роста.
Выживание организма в условиях непрерывно меняющейся среды
обусловлено способностью живых систем сохранять свое стационарное состояние.
Для обеспечения такого состояния у всех организмов — от простых до самых
сложных — существуют различные анатомические, физиологические и поведенческие
приспособления. Все они направлены на поддержание постоянства внутренней среды.
Положение же о том, что именно постоянство внутренней среды определяет
оптимальные условия для жизни и размножения организма, было высказано великим
французским физиологом Клодом Бернаром в 1857 г.
Организм находится в состоянии непрерывного приспособления к
условиям окружающей среды. Его существование было бы невозможно, если бы он не
реагировал адекватным образом на недостаток кислорода или пищи, избыток
углекислого газа или других многочисленных вредоносных агентов. Каждый животный
организм представляет собой сложную обособленную систему, внутренние силы
которой каждый момент, покуда она существует как таковая, уравновешиваются с
внешними силами окружающей среды... Таким образом, вся жизнь от простейших до
сложнейших организмов... есть длинный ряд все усложняющихся до высочайшей
степени уравновешиваний внешней среды» (И. П. Павлов). Совокупность
физиологических процессов, обеспечивающих это уравновешивание организма со
средой, относится к явлениям регуляции. В основе явлений регуляции лежит
взаимосвязь всех органов и функциональных систем организма между собой.
Для обеспечения относительно стабильной активности организма
необходима регуляция систем его жизнеобеспечения на
|
|
|
|
Рис.
2.1 Система управления с обратной
связью в биологических объектах — положительной (А) и отрицательной (Б) Стрелками показаны направления
воздействий. |
|
всех уровнях — от молекулярного до организации и условиям жизни данного
вида. В этом отношении млекопитающие лучше оснащены, нежели беспозвоночные или
простейшие.
Существующие у живых организмов механизмы и способы
регуляции функций имеют ряд принципиально общих черт с подобными устройствами в
неживых системах, таких как машины. И у тех, и у других стабильность
достигается благодаря существованию определенных форм управления. Эти формы
управления Норберт Винер назвал в 1948 г. кибернетикой (от греч. kybernetike —искусство управления).
Именно кибернетика занимается сейчас изучением общих закономерностей
регулирования в живых и неживых системах.
Для объяснения механизмов, лежащих в основе функционирования
биологических регуляторных систем, как правило, прибегают к привлечению
математических моделей теории управления. Следовательно, прежде чем
рассматривать процесс регулирования жизненных функций, необходимо в сугубо
общих чертах ознакомиться с некоторыми положениями теории управления.
Как известно, живые системы рассматриваются как открытые
системы. Для поддержания своего состояния они нуждаются в непрерывном
обмене веществами с окружающим миром и находятся в динамическом равновесии с
ним. Для этого необходим постоянный приток энергии. Равновесие устанавливается
только после гибели организма, когда он становится термодинамически стабильным
по отношению к среде.
В любой управляющей системе мерой эффективности
является степень отклонения регулируемого параметра от оптимального (должного)
уровня и скорость возвращения к этому уровню. Еще одним непременным условием
работы любого механизма является свобода колебаний. Эти условия исключительно
важны, так как именно колебания активируют систему управления и возвращают
переменную к оптимальной величине. Такие системы, предусматривающие соединение
компонентов, при котором выход регулируется входом, действуют по принципу
обратной связи.
Принято рассматривать два вида обратной связи —
отрицательную и положительную. В открытых живых системах более
распространена первая. Принцип ее организации легко рассмотреть на примере
поддержания постоянства температуры тела, регуляции артериального кровяного
давления, регуляции напряжения кислорода, уровня кортикостероидов или других
гормонов в крови. Остановимся на регуляции кортикостероидов надпочечником. В
этом случае модулятор состоит из трех компонентов — детектора (гипоталамуса),
регулятора (гипофиза) и эффектора (коры надпочечника). При нарушении равновесия
системы возникает ряд последствий, которые приводят к устранению этого нарушения
и к возвращению системы в исходное состояние (рис. 2.1).
В отличие от отрицательной, положительная обратная связь у
биологических объектов встречается относительно редко. Связь эта приводит к
нестабильности системы и экстремальным ситуациям, сопровождаясь такими
последствиями, которые углубляют исходное состояние. Наличие положительной
обратной связи легко рассмотреть на примере распространения нервного импульса
по волокну. Как известно, деполяризация нейрона повышает проницаемость мембраны
для Na+ Ионы Na+ входят в аксон через мембрану и углубляют деполяризацию. Деполяризация
в свою очередь приводит к возникновению потенциала действия. Положительная
обратная связь в этом случае играет роль усилителя ответа, величину которого
ограничивают иные механизмы.
Рассмотренные механизмы обратной связи являются простейшими;
реально в организме используются значительно более сложные регуляторные
устройства, включающие дополнительные детекторы типа физиологических систем
раннего предупреждения, или в случае отказа исполнительных структур включаются
дополнительные эффекторы. Действуют эти системы связи на разных уровнях
управления. Множественные детекторы и эффекторы обеспечивают дополнительную
надежность регуляции таких исключительно важных показателей, как, например, артериальное
давление.
2.2.4. Механизм действия гормонов
Действие гормонов основано на стимуляции или угнетении
каталитической функции некоторых ферментов в клетках органов—мишеней. Это
действие может достигаться путем активации или ингибирования уже имеющихся
ферментов. Причем важная роль принадлежит циклическому аденозинмонофосфату (цАМФ),
который является здесь вторичным посредником (роль первичного
|
|
|
Рис. 2.3 Механизм действия
гормонов — белковых, полипептидных и производных аминокислот |
посредника выполняет сам гормон).
Возможно также увеличение концентрации ферментов за счет ускорения их биосинтеза
путем активации генов.
Механизм действия гормонов пептидной
и стероидной природы
различен. Амины и пептидные гормоны не проникают внутрь клетки, а
присоединяются на ее поверхности к специфическим рецепторам в клеточной
мембране. Рецептор связан с ферментом аденилатциклазой. Комплекс гормона
с рецептором активирует аденилатциклазу, которая расщепляет АТФ с образованием
цАМФ. Действие цАМФ реализуется через сложную цепь реакций, ведущую к активации
определенных ферментов путем их фосфорилирования, они и осуществляют конечный
эффект гормона (рис. 2.3).
|
|
|
Рис. 2.4 Механизм действия стероидных гормонов I — гормон проникает в клетку и связывается с рецептором в
цитоплазме; II — рецептор транспортирует гормон в ядро; III — гормон обратимо взаимодействует
с ДНК хромосом; IV — гормон активирует ген, на котором образуется матричная
(информационная) РНК (мРНК); V— мРНК выходит из ядра и инициирует синтез
белка (обычно фермента) на рибосомах; фермент реализует конечный гормональный
эффект; 1 — клеточная мембрана, 2 — гормон, 3 — рецептор, 4 — ядерная
мембрана, 5 — ДНК, 6 — мРНК, 7 — рибосома, 8 — синтез белка (фермента). |
Стероидные гормоны, а также Тз и Т4 (тироксин и
трийодтиронин) растворимы в жирах, поэтому они проникают через клеточную
мембрану. Гормон связывается с рецептором в цитоплазме. Образовавшийся гормон—рецепторный
комплекс транспортируется в ядро клетки, где вступает в обратимое
взаимодействие с ДНК и индуцирует синтез белка (фермента) или нескольких
белков. Путем включения специфических генов на определенном участке ДНК одной
из хромосом синтезируется матричная (информационная) РНК (мРНК), которая
переходит из ядра в цитоплазму, присоединяется к рибосомам и индуцирует здесь
синтез белка (рис. 2.4).
В отличие от пептидов, активирующих
ферменты, стероидные гормоны вызывают синтез новых ферментных молекул. В связи
с этим эффекты стероидных гормонов проявляются намного медленнее, чем действие
пептидных гормонов, но длятся обычно дольше.
На основании функциональных критериев различают три
группы гормонов: 1) гормоны, которые оказывают влияние непосредственно на
орган—мишень; эти гормоны называются эффекторнымщ 2) гормоны, основной
функцией которых является регуляция синтеза и выделения эффекторных гормонов;
эти гормоны называют тропнымщ
3) гормоны, вырабатываемые нервными клетками и регулирующие синтез и
выделение гормонов аденогипофиза; эти гормоны называются рилизинг—гормонами,
или либеринами, если они стимулируют эти процессы, или ингибирующими гормонами,
статинами, если они обладают противоположным действием. Тесная связь между ЦНС
и эндокринной системой осуществляется в основном с помощью этих гормонов.
В сложной системе гормональной регуляции организма различают
более или менее длинные цепи регуляции. Основная линия взаимодействий: ЦНС →
гипоталамус → гипофиз → периферические эндокринные железы. Все
элементы этой системы объединены обратными связями. Функция части эндокринных
желез не находится под регулирующим влиянием гормонов аденогипофиза (например,
паращитовидные железы, поджелудочная железа и др.).
2.3. ЕДИНСТВО НЕРВНЫХ И ГУМОРАЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ РЕГУЛЯЦИИ
Нейрогуморальная регуляция функций обеспечивает
адаптационные реакции от субклеточных до поведенческих. Можно выделить два вида
механизмов, лежащих в ее основе: жесткие (фиксированные) и гибкие
(нефиксированные). В основе работы жестких механизмов регуляции лежат
генетические программы, закрепленные в процессе эволюции, фенотипические
влияния сказываются лишь на конкретных формах реализации этих программ.
Гибкие механизмы обеспечивают исполнение организмом сиюминутных задач и тут
же перестают функционировать. Например, регуляция функционирования дыхательного
центра (чередования вдоха и выдоха) определяется генотипическими механизмами,
фенотипически же могут меняться длительность каждой фазы и амплитуда этих
процессов в соответствии с сиюминутными потребностями организма.
Нефиксированные механизмы нейрогуморальной регуляции функций осуществляются
срочно создающимися нейронными ансамблями. При этом главным принципом
объединения нейронов является доминанта, которая обеспечивает синхронизацию
работы входящих в ансамбли нервных образований. Количество, функциональная и
структурная принадлежность нейронов, входящих в это объединение, определяются
конкретными задачами регуляции, а также кинетикой формирования и осуществления
программы.
Вычленяют три вида регулирующих влияний: пусковые,
вызывающие деятельность регулируемой структуры или прекращающие ее; адаптационные,
влияющие на выраженность реакции и соотношение отдельных ее компонентов при
осуществлении функции; наконец, так называемые влияния готовности, формирующие
состояние готовности регулируемых образований.
Составная часть рассматриваемой проблемы — нейротрофические
влияния. В настоящее время общепризнано, что трофическая функция
свойственна всем нервным проводникам. Присуща она и симпатическим нервам в
отношении утомленной скелетной мышцы. Однако ее реализация происходит не
вследствие прямого действия этих нервов на мышцу, а опосредованно через систему
кровообращения. В исследованиях механизмов трофических влияний двигательных
нервов на поперечнополосатую мышцу удалось показать, что хотя импульсные
(медиаторные) и неимпульсные влияния тесно связаны, ведущее значение имеют
последние. Однако химическая природа нейрофических соединений (трофогенов),
приносимых к мышце аксоплазматическим транспортом из сомы, неясна.
В качестве нейросекреторной клетки можно рассматривать и
моторный нейрон, который передает мышечной клетке долгосрочную информацию,
необходимую для поддержания ее структуры и функции. Факт, что многие свойства
мышечных клеток регулируют посредством этого механизма, был подтвержден
перестройкой различных свойств быстрых и медленных мышц, происходящей после
перекрестной реиннервации. Это было показано прежде всего для сократительных
свойств мышц, которые изменились в соответствии с новой, «чужой» иннервацией.
Можно предполагать, что аналогичные общие закономерности существуют также и в
межнейронных отношениях. Эта точка зрения подкрепляется сведениями о
последующих событиях в нейронах после аксотомии (перерезки аксонов)
конвергирующих на них нервов.
Участие нейротрофических механизмов предполагают при нервных
травмах и восстановлении после них, в компенсаторных реакциях нервной системы,
в процессах памяти и пластичности, в период старения и при некоторых нервных и
мышечных заболеваниях. Ряд заключений о причинах нервной травмы был сделан в
опытах с временным прекращением проводимости, а также плазматического тока
(посредством действия цитостатика) при сохранении целостности аксонов. После
таких повреждений был сделан вывод, что анатомическая непрерывность нерва, а не
импульсная активность препятствует атрофии и фибрилляции мышцы.