Text
                    УДК 612.1./.8(075)
ББК 28.903
Н83
Авторы посвящают учебное пособие
100 летию со дня рождения
выдающегося отечественного ученого,
академика Петра Кузьмича АНОХИНА,
чьи оригинальные научные идеи
легли в основу этого издания
Под редакцией
д-ра мед. наук, профессора, академика РАМН К. В. Судакова
Авторский коллектив:
В. В. Андрианов, д-р мед. наук, профессор;
В. И. Вадиков, д-р мед. наук, профессор;
А.	В. Котов, д-р мед. наук, профессор, заслуженный деятель
наук РФ;
В.	А. Макаров, д-р мед. наук, профессор;
К. В. Судаков, д-р мед. наук, профессор, академик РАМН
Ю. А. Фадеев, д-р мед. наук, профессор;
Е. А. Юматов, д-р мед. наук, профессор;
Т. П. Бунина, старший преподаватель
ISBN 5-89481-047-7
© ООО «Медицинское информационное
агентство», 1999
Все права защищены. Никакая часть дан-
ной книги не может быть воспроизведена в
какой бы то ни было форме без письменного
разрешения владельцев авторских прав.

П. К. Анохин (1898-1974)
ПРЕДИСЛОВИЕ Учебное пособие «Курс физиологии функциональ- ных систем» — издание, коренным образом отлича- ющееся от всех ныне существующих учебников по физиологии. Уникальность настоящего пособия заключается в том, что изложение учебного материала в нем стро- ится не по традиционному органному принципу, как, например, «физиология сердца», «физиология мозговых структур», «физиология почек» и т. д. В предлагаемой книге одни и те же органы разны- ми сторонами своего метаболизма включаются, притом избирательно, в деятельность различных функциональных систем. При этом во всех функ- циональных системах также проявляются специ- фические особенности нервной и гуморальной регу- ляции, включая функции мозга. Функциональные системы — интегративные, ди- намические, саморегулирующиеся образования, из- бирательно объединяющие различные органы и уровни нервной и гуморальной регуляции для до- стижения определенных, полезных для организма результатов. В качестве полезных приспособитель- ных результатов выступают различные жизненно значимые показатели внутренней среды, а также результаты поведенческой деятельности живых су- ществ. Подход к учебному материалу на основе теории функциональных систем позволил рассматривать живой организм с принципиально новых позиций слаженного взаимодействия многочисленных дина- мически складывающихся функциональных систем различного уровня организации: молекулярного, гомеостатического, поведенческого и группового. Функциональные системы открыты в живых ор- ганизмах выдающимся отечественным физиологом Петром Кузьмином Анохиным. Написанию настоящего Курса предшествовала многолетняя работа по преподаванию нормальной физиологии на основе теории функциональных си- стем на кафедре нормальной физиологии I Москов- ского медицинского института имени И. М. Сечено- ва (ныне Московская медицинская академия имени И. М. Сеченова). 4
«Курс физиологии функциональных систем» предваряют публикации двух методических учеб- ных пособий. В 1976 г. нами опубликовано методическое посо- бие для преподавателей физиологии медицинских институтов «Функциональные системы организма», рекомендованное в порядке обмена опытом для пре- подавания в медицинских институтах. В 1983 г. издательство «Медицина» издало книгу «Основы физиологии функциональных систем», в которой была сделана первая попытка обобщения опыта пре- подавания физиологии функциональных систем. С тех пор авторы получили большое число одобри- тельных отзывов и пожеланий написать учебник соответствующего профиля. С позиций теории функциональных систем учеб- ный материал в настоящем учебном пособии пред- ставлен в унифицированной форме, так как различ- ные функциональные системы организма, несмотря на их некоторые качественные особенности, изо морфны в своей организации. С целью облегчения восприятия материала в текст учебника введено значительное число рубрик, схем и рисунков. Основная цель настоящего учебного пособия научить студента системной манере мышления. Та- кой подход особенно важен для понимания законо- мерностей работы целого организма и развития клинического мышления, а также для понимания процессов компенсации физиологических функций при выходе из строя тех или иных механизмов са- морегуляции различных функциональных систем. «Курс физиологии функциональных систем» подготовлен коллективом кафедры нормальной физиологии Московской медицинской академии имени И. М. Сеченова, ведущими сотрудниками Научно-исследовательского института нормальной физиологии имени П. К. Анохина Российской ака- демии медицинских наук, работающими в объе- динении Научно-исследовательского института с однопрофильной кафедрой вуза. Авторы с благодарностью примут все деловые критические замечания. Академик Российской академии медицинских наук, профессор К. В. Судаков 5
ГЛАВА 1 ОБЩИЕ СВОЙСТВА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СИСТЕМ 1.1. Истоки теории функциональных систем В физиологии со времен Р. Декарта считалось, что основным свойством живой материи является ее реактивность, т. е. способность отвечать на воздей- ствия отраженными (рефлекторными) реакциями. Однако, когда физиологи вплотную подошли к изу- чению функций головного мозга, они встретились с неожиданными особенностями его рефлекторной деятельности. И. М. Сеченов Уже И. М. Сеченов обратил внимание на чрезвы- чайную изменчивость рефлексов головного мозга, их зависимость от внутреннего состояния субъектов и влияния на них факторов окружающей среды. И. П. Павлов И. П. Павлов, создавший стройное учение об услов- ных рефлексах, обнаружил, что ответные реакции живых организмов не всегда определяются свойства- ми условных раздражителей. Условные рефлексы, как показал И. П. Павлов, зависят от многих факто- ров: исходного состояния животного, уровня его воз- будимости, типа высшей нервной деятельности, вли- яний окружающей среды, прежнего жизненного опыта, т. е. памяти, и т. д. , Изучая пищевые условные рефлексы, И. П. Пав- лов, в частности, показал, что они хорошо выраба- тываются и выявляются только у голодных живот- ных. У накормленных животных в ответ на те же условные раздражители условно-рефлекторная пи- щевая реакция не проявляется. Показано, что один и тот же условный раздражитель, подкрепляемый в одно время суток, в той же экспериментальной обстановке, но в другое время суток, не вызывает условно-рефлекторной реакции. Наиболее ярким примером зависимости условно- рефлекторного ответа животных от механизмов памяти является открытый И. П. Павловым «дина- мический стереотип s. При выработанном динами- ческом стереотипе животные отвечают условно-ре- флекторной реакцией не на сами условные сигналы, а на следы ранее применявшихся в определенной последовательности условных раздражителей. Это 6
А. А. Ухтомский Л. фон Берталанфи свойство мозга И. П. Павлов определил как «систем- ность» в работе больших полушарий мозга, понимая под этим динамическое объединение различных участков коры мозга в аналитико-синтетическую деятельность. Понятие «система» И. П. Павлов рас- пространил на деятельность целого организма человека как систему, «в высочайшей степени само- регулирующуюся, саму себя поддерживающую, восстанавливающую и даже совершенствующую». Наиболее отчетливо представления о роли исход- ных состояний организма в его реакциях на раздра- жители внешней среды изложены в работах А. А. Ухтомского. А. А. Ухтомский продемонстрировал, что ответы животных на внешние раздражители существенно зависят от формирующихся внутри организма сис- темных доминантных состояний. В 60-х гг. нашего столетия канадский биолог Л. фон Берталанфи сформулировал представление о биологических системах, понимая под последними «упорядоченное множество взаимосвязанных эле- ментов». На основе теоретических представлений Л. фон Берталанфи в биологии сложилось новое на- правление, получившее название «системный под- ход». Системный подход получил широкое распростра- нение не только в биологии, но и в других областях научных знаний: математике, философии, эконо- мике, психологии и т. д. Вместе с тем само понятие «система», предло- женное Л. фон Берталанфи и его последователями, так же как и общая теория систем, не дает ответа на вопрос: что же заставляет отдельные элементы складываться в системные организации? Системы в плане «упорядоченного множества элементов» не являются активно функционирующими и представ- ляют собой только множество взаимосвязанных явлений. Само понятие системы нуждалось, таким обра- зом, в более глубоком обосновании ее свойств, опе- рациональной архитектоники и прежде всего — ее системообразующего фактора, который переводит упорядоченное множество активно действующих элементов на уровень функционирующей системы. 7
П. К. Анохин Этим требованиям в полной мере удовлетворяет сформулированное П. К. Анохиным понятие «функ- циональная система». Функциональные системы, обнаруженные П. К. Анохиным в организме на ос- нове многочисленных экспериментов, выступили в качестве нового общеметодологического принципа исследования функций организма и, в частности, процессов высшей нервной деятельности. Существенным отличием теории функциональ- ных систем от общей теории систем, предложенной Л. фон Берталанфи и его последователями, являет- ся наличие двух принципиально важных свойств: 1) полезного адаптивного результата, который в функциональных системах является системооб- разующим фактором и играет решающую роль в объединении множества компонентов в функ- циональную систему, обеспечивающую приспо- собительную деятельность организма; 2) динамической, операциональной архитектони- ки, представленной узловыми механизмами с обязательной обратной афферентацией, поступа- ющей в центральную нервную систему от конеч- ного результата ее деятельности. Формулированием понятия «обратная афферен- тация» заложен признанный приоритет II. К. Ано- хина в области кибернетики живых существ. П. К. Анохин впервые показал, что живая мате- рия обладает свойством динамически объединяться в дискретные саморегулирующиеся функциональ- ные системы, обеспечивающие своей деятельностью полезные для организмов приспособительные ре- зультаты. Теория условных рефлексов, теория доминанты и общая теория систем явились, таким образом, ис- ходными предпосылками возникновения теории функциональных систем II. К. Анохина. На основе многолетних исследований школы П. К. Анохина сложилось общее определение «функ- циональных систем»: Функциональные системы — динамические, избирательно объединенные соответствующими потребностями организма саморе- гулирующиеся центрально-периферические организации, деятель- ность которых направлена на достижение полезных для системы и организма в целом приспособительных результатов — удовлетворе- ние его ведущих потребностей. 8
1.2. Основные свойства функциональных систем Каждой функциональной системе присущи следую- щие свойства: 1. Самоорганизация. 2. Системообразующая роль результата. 3. Саморегуляция. 4. Изоморфизм. 5. Голографический принцип построения. 6. Избирательная мобилизация органов и тканей. 7. Взаимосодействие элементов результату. 8. Информационные свойства. 9. Консерватизм и пластичность. 1.2.1. Самоорганизация функциональных систем Функциональные системы в процессе эволюционно го развития живых организмов выступили в роли универсальных образований, обладающих свойст- вами самоорганизации. Факторы Самоорганизация функциональных систем обуслов- СаМООрГЭНИЗации лена прежде всего жизненно важной потребностью организма. Потребность выступает, таким образом, в инициативной роли исходного объединения опре- деленных органов и тканей в функциональную сис- тему, обеспечивающую своей деятельностью удов- летворение этой исходной потребности. Кроме того, функциональные системы организма могут складываться под влиянием специальных факторов окружающей организм среды. У человека это, в первую очередь, факторы социальной среды. Механизмы памяти также могут быть причиной формирования функциональных систем, особенно поведенческого и психического уровня. Роль адаптивных результатов Самоорганизация функциональных систем осуще- ствляется с помощью гуморальных и нервных обратных связей, позволяющих каждой функцио- нальной системе постоянно оценивать эффек- тивность удовлетворения лежащей в ее основе потребности. Удовлетворение исходной потребно- сти — достижение полезного приспособительного результата — фиксируют объединенные в функци- ональную систему исходной потребностью элемен- ты. При этом свойства достигнутого результата 9
запоминаются специальными структурами функ- циональных систем. После неоднократного, а ино- гда и однократного удовлетворения исходной по- требности, т. е. достижения потребного результата, в функциональных системах формируется специ- альный аппарат предвидения свойств потребного результата. Таким образом, из хаотической, ранее не организованной массы элементов строятся активно действующие функциональные системы (рис. 1). Рис. 1. Динамика формирования функциональной системы из неупорядоченных элементов: а — неупорядоченное состояние элементов; б — избирательное объеди- нение отдельных элементов исходной потребностью; в — фиксация результатом объединенных потребностью элементов в функциональную систему; г — последу- ющее предвидение функциональной системой свойств потребного результата. Стрелки обозначают исходную потребность Самоорганизация в эмбриогенезе Самоорганизация функциональных систем начи- нается с эмбрионального периода. Под влиянием генетической информации геном оплодотворенной яйцеклетки начинают экспрессировать биологиче- ски активные вещества, в частности информа- ционные молекулы — олигопептиды и белковые молекулы. Эти молекулы определяют рост и диф- ференцировку тканей, а также их объединение в специальные органы. Навстречу этим информаци- онным молекулам в определенных тканях созрева- ют специфические рецепторы. Под воздействием информационных молекул на соответствующие ре- цепторы складывается специфическая интеграция часто даже удаленных друг от друга органов и тка- ней, совокупная деятельность которых организует ту или иную физиологическую функцию. Функция этих органов приводит к соответствующему при- способительному результату, определяющему опти- 10
мальное состояние, в первую очередь определенных показателей внутренней среды развивающегося организма. Последние через свои специальные рецепторы и информационные молекулы контроли- руют как функции генома, так и исполнительных органов, объединяя их в функциональную систему (рис. 2). БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА КОНСОЛИДАЦИЯ КЛЕТОК И ТКАНЕЙ ФУНКЦИЯ АДАПТИВНЫЙ РЕЗУЛЬТАТ Рис. 2. Последовательность формирования функциональной системы в :>мбриогснс;|е Таким образом, уже в эмбриогенезе складываются многочисленные обратные связи функциональных систем организма. В процессе эмбрионального развития живых организмов у них сначала организуются функци- ональные системы гомеостатического уровня, которые своей саморегуляторной деятельностью обеспечивают устойчивость различных метаболиче- ских показателей внутренней среды развивающего- ся организма. Самоорганизация К моменту рождения опережающе формируются у новорожденных специальные рецепторы внешней среды, направ- ленные на восприятие различных параметров по- лезных приспособительных результатов, достигае- мых новорожденными в процессах их активного взаимодействия с внешней средой и направленных прежде всего на удовлетворение их ведущих биоло- гических потребностей. При взаимодействии факторов, удовлетворяю- щих исходные потребности новорожденных (т. е. при достижении полезных приспособительных результатов), складываются функциональные сис- темы поведенческого уровня. 11
1.2.2. Системообразующая роль результата Деятельность каждой функциональной системы всегда направлена на достижение определенного, полезного для организма приспособительного ре- зультата, удовлетворяющего лежащую в основе функциональной системы потребность. Результат действия любой функциональной системы пред- ставляет собой жизненно значимый адаптивный показатель деятельности организма, удовлетворя- ющий его метаболические и другие потребности, а также определяющая его приспособление к окру- жающей среде. Результат действия выступает в качестве ведущего фактора организации функцио- нальных систем различного уровня. При дости- жении организмом того или иного адаптивного результата все охваченные исходной потребностью элементы консолидируются в функциональную систему. В этом состоит системообразующая роль результата. Разновидности адаптивных результатов Метаболические результаты Полезными приспособительными для организма ре- зультатами, формирующими функциональные сис- темы различного уровня, являются: Это результаты деятельности многочисленных, главным образом метаболических, молекулярных процессов в организме, вследствие которых образу- ются продукты, необходимые для процессов жизне- деятельности тканей или отдельных органов и их частей, или же, наоборот, продукты, нарушающие нормальную жизнедеятельность и подлежащие удалению из организма. В качестве метаболических результатов выступа- ют промежуточные и конечные продукты цепных химических метаболических реакций в их взаимо- действии. Такие метаболические организации можно рас- сматривать как упрощенные функциональные сис- темы, в которых конечные продукты метаболиче- ских реакций являются полезными для организма результатами. В качестве примера могут служить две метаболи- ческие реакции: торможение метаболического про- цесса продуктом реакции и активация метаболиче- ского процесса предшественником. 12
Торможение процесса продуктом реакции можно рассмотреть на следующем примере метаболиче- ской цепи: ел е2 е3 е, А-+Б-+В—~Г Гомеостатические результаты Р 7 На схеме представлена последовательность мета- болических реакций, каждая из которых активиру ется соответствующим ферментом е. Образование продукта Р выше определенной концентрации тор- мозит активность фермента f>i и тем самым времен- но останавливает течение указанной реакции. Существование подобного механизма показано, например, Е. Coli при исследовании им синтеза изолейцина и цитидинтрифосфата. Изолейцин как конечный продукт избирательно подавляет актив- ность треониндегидратазы, катализирующей пер- вое звено процесса превращения треонина в изо лейцин, насчитывающего пять ферментативных реакций. Точно так же цитидинтрифосфат как ко нечный продукт специальной метаболической реак- ции оказывает ингибирующий эффект на первый фермент — аспартат-транскарбамоилазу, регулируя тем самым свой собственный синтез. Другой тип метаболических процессов - актива- ция предшественником, когда первый метаболит как результат многоступенчатой метаболической реакции активирует фермент, катализирующий по- следнюю стадию. Показано, например, активирую- щее действие глюкозо-6-фосфата, являющегося предшественником гликогена, на фермент глико- генсинтетазу. Это ведущие показатели крови и других жидких сред организма — лимфы и межтканевой жидко- сти. В тесном взаимодействии различные показа- тели внутренней среды организма составляют так называемый гомеостазис (У. Кеннон). Гомеостати- ческие результаты представлены в крови уровнем питательных веществ, газов, осмотического дав- ления, реакции (pH), кровяного давления, темпе- ратуры, содержания физиологически активных веществ: гормонов, олигопептидов, нейромедиато- ров и т. д. Характерно, что в совокупности все эти 13
Результаты поведенческой деятельности животных и человека, удовлетворяющие их ведущие метаболические, биологические потребности показатели обеспечивают разные стороны нормаль- ного метаболизма тканей и составляют динамиче- скую внутреннюю среду организма. Примером функциональной системы, обуславлива- ющей своей деятельностью один из ведущих гомео- статических показателей, является функциональная система, определяющая оптимальный для метабо- лизма организма уровень артериального давления. Результат деятельности этой функциональной систе- мы — поддержание оптимального для метаболизма организма уровня артериального давления. Примером другой функциональной системы го- меостатического уровня является функциональная система, определяющая оптимальный уровень га- зов в крови. Результат деятельности этой функцио- нальной системы — такой уровень газов в крови, который обеспечивает нормальное течение метабо- лических процессов в тканях. Благодаря активным метаболическим процессам, во внутренней среде организма все время проис- ходит потребление или накопление определенных веществ. Это формирует специальные пищевые, по- ловые, защитные, выделительные и другие биоло- гические потребности живых существ. Удовлетво- рение этих потребностей часто требует активного воздействия живых существ на окружающую их среду. Специальные факторы внешней среды, та- кие, как пища, вода, комфортная температура, особи противоположного пола, защитные приспо- собления и т. п., удовлетворяющие внутренние ме- таболические потребности животных, и составляют находящиеся за пределами организма результаты поведенческих функциональных систем, обеспе- чивающих удовлетворение его внутренних потреб- ностей. Результатами поведенческой деятельности являются и факторы, препятствующие удовлетво- рению метаболических и других потребностей орга- низма, которых животные в своей деятельности пытаются избегать. Примером функциональной системы с поведенче- ским результатом является функциональная систе- ма питания, которая может рассматриваться как подсистема гомеостатической функциональной сис- темы, определяющей оптимальный для метабо- лизма уровень питательных веществ в организме. 14
Функциональная система питания, формируясь на основе пищевой потребности, объединяет меха- низмы, направляющие человека или животное на активный поиск и добывание пищи. Нахождение пищи и ее потребление составляют результат по- веденческой деятельности, обусловленной актив- ностью общей функциональной системы питания. Избегание опасности и действия вредоносных факторов определяет результат деятельности другой, оборонительной функциональной системы, которая мобилизует разнообразные механизмы на защиту организма. Результаты стадной (зоосоциальной) деятельности животных Результаты социальной деятельности человека При объединении животных в сообщества их инди- видуальные потребности подчиняются интересам всей группы. Результаты зоосоциальной деятельно- сти животных представлены определенными иерар- хическими соотношениями в популяциях, общими убежищами, обобщенным удовлетворением пище- вых, половых и других потребностей. Деятельность животных, направленная на достижение зоосоци- альных результатов, нередко приобретает альтру- истический характер в интересах сообщества, и прежде всего его выживания. В стадной деятельно- сти у животных нередко наблюдается изменение характера их индивидуальных биологических по- требностей во имя потребностей стада. Примером группового взаимодействия, направ- ленного на достижение обобщенных результатов, являются и клеточные популяции. Контакты мемб- ран отдельных клеток определяют их взаимодейст- вие по типу десмосом, когда утрачивается индиви- дуальность метаболических процессов отдельных клеток. Объединению отдельных клеток в популя- ции способствуют нейромедиаторы, олигопептиды и гормоны, а также информационные свойства по- лимукосахаридов и гликокаликса, находящихся на поверхности клеточных мембран. Результаты социальной деятельности человека представлены прежде всего результатами его учеб- ной и производственной деятельности, бытовой активности, мероприятиями по защите общества, общением с Предметами культуры и искусства, религиозными культами и т. д. В процессе производственной деятельности че- ловек с помощью различных функциональных 15
систем метаболического, гомеостатического и пове- денческого уровня достигает социально значимых результатов, постоянно взаимодействует с ними и совершенствует их. Социальная деятельность человека в значитель- ной степени строится специальными функциональ- ными системами, включающими его психическую и мыслительную деятельность. Функциональные системы психической деятельности человека фор- мируются информационными процессами. Резуль- таты их деятельности представлены отражением в сознании человека жизненно важных понятий, абстрактных представлений о внешних предметах и их отношениях, инструкций, знаний и т. д. Совокупная деятельность людей составляет соци- альные функциональные системы, направленные на создание общественного продукта, охрану окру- жающей среды, мероприятий по общественной защите и др. Многообразие полезных для организма приспосо- бительных результатов указывает на то, что число функциональных систем, составляющих различ- ные стороны жизнедеятельности целого организма, чрезвычайно велико. Одни функ- циональные системы своей дея- тельностью определяют различные \ 1 показатели внутренней среды орга- низма — гомеостазис и ведущие к нему процессы гомеокинеза. Дру- гие функциональные системы \ II своей деятельностью обуславлива- ют поведение живых существ, их взаимодействие с окружающей сре- кр дой и себе подобными (рис. 3). Одни функциональные системы, осо- бенно метаболического и гомео- статического уровня, генетически \ детерминированы, другие склады- I I ваются по мере формирования и \ i удовлетворения отдельных, особен- но поведенческих, потребностей — организма. Рис. 3. Взаимосвязь функциональных систем различного уровня организации: I, ZI, III — функциональные системы соответственно метаболического, гомеостатиче- ского и поведенческого уровня; КР — кровяное русло; РП — результат поведения; P'i-Р'з. — метаболические результаты; — гомеостатические результаты 15
1.2.3. Саморегуляция Любая функциональная система различного уровня организации строится по принципу саморегуляции. В самой общей форме принцип саморегуляции был обнаружен И. П. Павловым при исследовании деятельности сердца и кровообращения. И. П. Пав- лов отметил, что при небольших кровопусканиях у ряда животных кровяное давление быстро возвра- щается к исходному уровню. Позднее И. П. Павлов распространил этот принцип на деятельность орга- низма в целом. Принцип саморегуляции физиологических функ- ций нашел развитие в работах ряда исследователей (У. Кеннон, Р. Эшби, Г. Дришель и др.). В функциональных системах саморегуляция приобретает специальную направленность. Здесь отклонение результата деятельности функциональ- ной системы от уровня, обеспечивающего нормаль- ный метаболизм (жизнедеятельность) организма и его адаптацию к окружающей среде, является стимулом к мобилизации необходимых элементов системы для обеспечения этого результата. Благодаря динамической саморегуляторной дея- тельности различные функциональные системы определяют необходимую для нормальной жизне- деятельности устойчивость метаболических процес- сов в организме и их динамическую уравновешен- ность с внешней средой. Процесс саморегуляции функциональных систем всегда является циклическим и осуществляется на основе общего правила: Всякое отклонение от жизненно важного уровня какого-либо фи- зиологически значимого фактора служит причиной немедленной мобилизации многочисленных аппаратов соответствующей функци- ональной системы, вновь восстанавливающих этот жизненно важ- ный приспособительный результат. При этом в нормальных условиях в деятельности каждой функциональной системы проявляется сле- дующая закономерность: общая сумма механизмов, возвращающая отклоненный результат к исходно- му уровню, всегда превышает сумму отклоняющих механизмов. Иными словами, в каждой функцио- нальной системе имеется «запас прочности», позво- ляющий ей справиться с любыми возможными от- клоняющими воздействиями.
Жесткие и пластичные константы организма Так, например, в функциональной системе, опре- деляющей оптимальный для организма уровень кровяного давления, общая сумма депрессорных механизмов в нормальных условиях с избытком превышает прессорные механизмы. В функцио- нальной системе питания механизмы насыщения всегда достаточны, чтобы затормозить механизмы голода. Удержание различными функциональными сис- темами различных, постоянно меняющихся физио- логических показателей около определенного уров- ня, обеспечивающего нормальный метаболизм, и определяет в конечном счете «постоянство внутрен- ней среды организма», о котором писал известный французский физиолог К. Бернар и которое в тру- дах американского физиолога У. Кеннона получило название гомеостазиса. Функциональные системы, обуславливающие своими саморегуляторными механизмами устойчи- вость различных показателей внутренней среды, и представляют конкретные аппараты, обеспечиваю- щие гомеостазис. Результаты деятельности этих функциональных систем можно рассматривать как относительные константы внутренней среды орга- низма. Это уровень артериального давления, темпе- ратуры крови, осмотического давления, реакции крови и т. д. Поскольку обмен веществ в организме происходит непрерывно, различные показатели внутренней среды организма постоянно или периодически из- меняются под воздействием внутренних факторов и факторов внешней среды. Следовательно, различ- ные показатели деятельности функциональных си- стем, обеспечивающих различные стороны обмена веществ, и параметры результатов их деятельности должны также непрерывно меняться. Только бла- годаря механизмам саморегуляции функциональ- ных систем эти показатели удерживаются около оп- ределенного оптимального для жизнедеятельности организма уровня. Из этого следует, что понятие «константа» в организме условно. Можно говорить о жестких константах, ко- торые напряженно удерживаются соответствующи- ми функциональными системами у определенного значения. Отклонение от этого уровня приводит к 18
необратимым нарушениям метаболизма и смерти организма. Наряду с этим имеются пластичные кон- станты, отклонение которых от определенного уровня возможно даже относительно длительное время, на фоне чего осуществляется относительно нормальная жизнедеятельность организма. При- мером жестких констант является уровень осмоти- ческого давления, реакция крови. Пластичные константы — уровень кровяного давления, темпе- ратуры, питательных веществ в крови и т. д. Все изложенное выше показывает, что: Гомеостазис целого организма определяется содружественной и со- гласованной саморегулирующейся деятельностью различных функ- циональных систем. Гомеокинезис Метаболические и социальные потребности Метаболические потребности Поскольку в организме отсутствует абсолютное по- стоянство внутренней среды и все его константы ди- намичны и взаимосвязаны, более точным термином является не гомеостазис, а гомеокинезис. С точки зрения теории функциональных систем гомеокинезис представляет динамическое взаимо- действие различных жизненно важных показателей внутренней среды, каждый из которых определяет- ся деятельностью специальной саморегулирую- щейся функциональной системы. Различной длительности и выраженности откло- нения разных показателей внутренней среды орга- низма от уровня, обеспечивающего нормальный метаболизм, составляют в каждый данный момент времени внутреннюю биологическую, или мета- болическую, потребность организма. Благодаря многогранности обменных процессов, в каждый данный момент времени в организме происходит одновременное изменение ряда показателей внут- ренней среды. Субъекты могут одновременно испытывать не- сколько потребностей. Однако всегда налицо име- ется ведущий параметр общей метаболической по- требности — доминирующая потребность, наиболее важная для выживания особи, ее рода или вида, которая возбуждает доминирующую функциональную систему и строит поведенческий 19
Социальные потребности Саморегуляция в функциональ- ных системах метаболического уровня акт, направленный на ее удовлетворение. Удовлет- ворение ведущей потребности приводит к тому, что начинает доминировать другая важная для сохра- нения вида или рода индивида потребность. Теперь она формирует доминирующую функциональную систему и т. д. Потребностей у живого организма множество. Все они объединяются в большие группы основных биологических пищевых, половых и оборонитель- ных потребностей, обеспечивающих выживание индивидов и продление их рода. Ведущими био- логическими потребностями являются: пищевая потребность, характеризующаяся уменьшением уровня питательных веществ; питьевая потреб- ность, связанная с возрастанием осмолярности крови; температурная потребность при изменении температуры тела; половые потребности и т. д. У человека ведущее значение приобретают соци- альные потребности, которые возникают не только на метаболической основе, но и в результате общественного и индивидуального обучения, мо- ральных и правовых законов общества и т. п. Удов- летворение той или иной потребности и представля- ет для каждого индивида определенный результат его приспособительной деятельности. Саморегуляция присуща и функциональным систе- мам метаболического уровня. Цитоплазматическая гипотеза нервно-мышечной синаптической передачи возбуждения — пример мо- лекулярных механизмов саморегуляции. Под влиянием нервного импульса происходит поступ- ление ионов кальция з пресинаптическую область. Каль- ций действует на специфические белки пресинаптической мембраны, которые формируют каналы для ацетилхоли- на. При продолжающейся стимуляции в цитоплазму из пресииаптических везикул начинает поступать ацетилхо- лин, а пресииаптические везикулы при этом захватывают входящий в клетку кальций. Ацетилхолин на постсивап- тической мембране разрушается холинэстеразой на холин и уксусную кислоту. При возвращении в состояние покоя кальций из везикул, возможно путем экзоцитоза, вы- свобождается за пределы нервного окончания. Уксусная кислота и холин из синаптической щели проникают в синаптическое окончание, где при участии холинацетил- трансферазы из них синтезируется ацетилхолин. Образу- ющиеся новые везикулы и ацетнлхолин внутри синапти- 20
Торсионный механизм саморегуляции ческого окончания распределяются таким образом, что достигается исходный баланс между содержанием ацетилхолина в везикулах и цитоплазме. По принципу саморегуляции осуществляется и молекулярный механизм поддержания концентра- ции кальция в клетке. При увеличении содержания кальция в окружающей среде и в клетке за счет энергии АТФ против градиента концентрации усиливается работа кальциевого насоса мембраны клетки. Эта реакция побуждается специаль- ным белком — кальмодулином. Последний активирует АТФазу и ее сродство к кальцию. В плазматической мем- бране клеток наряду с кальциевым насосом, кроме того, активируется особый переносчик, который осуществляет обмен внутриклеточного кальция на внеклеточный на- трий. Указанные процессы ведут к понижению концент- рации свободного кальция в цитоплазме. Еще одним примером молекулярной саморегу- ляции функций является цикл биосинтеза проста- ноидами циклического аденозинмонофосфата (цАМФ). Начинается цикл с высвобождения из фосфолипидов с помощью ферментов фосфолипаз арахидоновой кислоты. Арахидоновая кислота в процессе двух последовательных ферментативных реакций окисляется в тромбоцитах до тромбоксана и в эндотелиальных клетках кровеносных сосудов до простациклина. Оба эти вещества тормозят фермент аденилатциклазу. В результате подавляется син- тез цАМФ из АТФ. Вследствие этого снижается актив- ность фосфолипаз, и в конечном счете арахидоновая кис- лота высвобождается из фосфолипидов в меньшем коли- честве. Процессы саморегуляции обуславливают оптималь- ный уровень любого показателя внутренней среды организма, определяющего ту или иную сторону процессов метаболизма. Отклонение гомеостати- ческого показателя внутренней среды от уровня, обеспечивающего нормальную жизнедеятельность организма, немедленно вызывает цепь центральпо- периферических процессов, направленных на вос- становление оптимального уровня данного резуль- тата. То же самое относится к поведенческим функ- циональным системам, деятельность которых направлена на достижение субъектом или сообще- ством биологических или социальных результа- тов во внешней среде. В этом случае поведение 21
определяется потребностью индивида или сообще- ства, и достигнутые результаты деятельности по принципу саморегуляции постоянно оцениваются с точки зрения удовлетворения исходной потребно- сти. Наряду с этим поведение детерминируется и корригируется многочисленными внешними воз- действиями по так называемому возмущению, а также генетическим и индивидуальным опытом каждого субъекта. Итак, с одной стороны, имеется постоянная из- менчивость внутренней среды, а с другой — жиз- ненная необходимость ее постоянства. Именно эти противоречия и разрешают своей деятельностью функциональные системы благодаря саморегуля- ции. Любое отклонение того или иного показателя внутренней среды, а также результата поведенче- ской деятельности от уровня, обеспечивающего нормальную жизнедеятельность организма, вы- званное внутренними или внешними воздействия- ми, вызывает цепь саморегуляторных процессов, направленных на восстановление исходного жиз- ненно важного уровня этих показателей. При этом чем значительнее отклоняется адаптивный резуль- тат от уровня нормального метаболизма, тем силь- нее возбуждаются механизмы, направленные на его возвращение к оптимальному уровню. Механизм саморегуляции функциональных сис- тем подобен торсионным механизмам на атомном уровне. Известно, что торсионные поля, действующие в пространстве, обусловлены враща- тельными моментами спинов взаимодействующих частиц. Рождаясь под влиянием информации, спин направлен в одну сторону, и его крутящий момент имеет одно направление. В следующий момент спин под влиянием информации направлен в дру- гую сторону, и его крутящий момент имеет другое направление. Близкие аналогии проявляются в деятельности функциональных систем. Отклонение результата деятельности функциональной системы от уровня, определяющего нормальную жизнедеятельность, вызывает активацию всех элементов функциональ- ной системы, что в конечном счете ведет к возвра- щению результата к оптимальному для жизнедея- тельности уровню. 22
Внутренние и внешние звенья саморегуляции Внутренние звенья саморегуляции Внешние звенья саморегуляции В отдельных функциональных системах можно выделить внутренние и внешние механизмы само- регуляции. Внутренние механизмы саморегуляции, как правило, строятся на генетически детерминиро- ванной основе и проявляются внутри организма. Примером функциональной системы, результат дея- тельности которой обеспечивается внутренними генетически детерминированными механизмами са- морегуляции, является функциональная система, определяющая оптимальный для организма уровень артериального давления. Все компоненты этой функциональной системы находятся внутри орга- низма и складываются в систему на основе генетиче- ски детерминированных механизмов. Внешние механизмы саморегуляции мо- гут быть относительно пассивными, как, например, в функциональной системе дыхания. В этой функ- циональной системе легочный аппарат автоматиче- ски включается метаболической газовой потреб- ностью, и результат деятельности этой системы — определенное количество воздуха, поступающего в альвеолы с потребным количеством кислорода, а также удаление воздуха с избыточным содержани- ем углекислоты, определяется окружающей живые существа средой, позволяющей осуществлять дыха- ние в обычных условиях относительно пассивно. В других функциональных системах внешнее звено саморегуляции включает активную поведенческую деятельность живых существ, направленную на внешнюю среду, ее преобразование в соответствии с потребностями организма и достижение таких пове- денческих результатов, которые удовлетворяют соот- ветствующие потребности организма и обеспечивают в конечном счете его выживаемость. Внешняя среда, таким образом, органически включается в деятель- ность таких функциональных систем организма. Только взаимодействие организма с внешней средой позволяет этим функциональным системам обеспечи- вать свои полезные для организма результаты. Итак, саморегуляция определяет динамическую самоорганизацию функциональных систем. Про- цессы саморегуляции определяют непрерывную активную деятельность функциональных систем любого уровня организации. 23
1.2.4. Изоморфизм функциональных систем Функциональные системы различного уровня орга- низации имеют принципиально однотипную архи- тектонику (рис. 4) и включают следующие общие, притом универсальные для разных систем, перифе- рические и центральные узловые механизмы: • полезный приспособительный результат как ведущее звено функциональной системы; • рецепторы результата; • обратную афферентацию, поступающую от рецеп- торов результата в центральные образования функциональной системы; • центр, представляющий избирательное объедине- ние функциональной системой нервных элемен- тов различных уровней в специальные системные механизмы; • исполнительные соматические, вегетативные и эндокринные компоненты, включающие органи- зованное целенаправленное поведение. ВНЕШНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ОБРАТНАЯ АФФЕРЕНТАЦИЯ Рис. 4. Общая архитектоника функциональной системы (по П. К. Анохину) Принципиально одинаковая организация раз- личных функциональных систем в организме по- зволяет говорить об их изоморфизме. Любое изменение результата, так же как и его оптимальное для метаболизма организма состояние, в каждой функциональной системе постоянно вос- принимается соответствующими рецепторами. Сиг- 24
Системная организация нервных центров Центральная архитектоника функциональных систем нализация (обратная афферентация, по П. К. Ано- хину), возникающая в рецепторах, поступает в соответствующие нервные центры и избирательно вовлекает в данную функциональную систему элементы различного уровня для построения испол- нительной деятельности, направленной на восста- новление потребного для метаболизма результата. Обратная афферентация является той стержне- вой основой, которая определяет процессы саморе- гуляции каждой функциональной системы. На основе обратной афферентации, представлен- ной нервной импульсацией и гуморальными влия- ниями от результата, в каждой функциональной системе постоянно происходит возбуждение специ- альных нервных центров. Функциональные системы для своей деятельности избирательно вовлекают различные уровни цент- ральной нервной системы, как спинальные и под- корковые аппараты, так и определенные отделы коры головного мозга, избирательно включая отдельные синапсы на нервных клетках и постси- наптические метаболические процессы в нейронах до генетического аппарата ядра включительно. Нервные центры с позиций теории функциональ- ных систем представляют, таким образом, избира- тельное динамическое объединение функциональ- ными системами нервных элементов различных уровней нервной системы для обеспечения полезно- го для деятельности системы и организма в целом результата. Любая функциональная система вне зависимости от сложности ее организации имеет однотипную цент- ральную архитектонику. Центральная архитектоника функциональных систем складывается из следующих последовательно сменяющих друг друга узловых стадий: • афферентный синтез, • принятие решения, • акцептор результата действия, • эфферентный синтез, • оценка достигнутого результата. Аналогична центральная архитектоника функ- циональных систем поведенческого уровня (рис. 5). 25
Рис. 5. Центральная архитектоника функциональной системы поведенческого уровня (по П. К. Анохину): ПА — пусковая афферентация; ОА обстановочная афферентация Стадия афферентного синтеза Исходной стадией центральной организации функ- циональной системы поведенческого уровня явля- ется стадия афферентного синтеза. На этой стадии в центральной нервной системе осуще- ствляется синтез возбуждений, обусловленных внутренней метаболической потребностью, обстано- вочной и пусковой афферентацией с постоянным использованием генетических и индивидуально приобретенных механизмов памяти. Стадия принятия решения Стадия афферентного синтеза завершается ста- дией принятия решения, которая по своей физиологической сущности означает ограничение степеней свободы деятельности функциональной системы и выбор единственной линии эффекторно- го действия, направленного на удовлетворение сформированной на стадии афферентного синтеза ведущей потребности организма. Акцептор Следующая стадия в динамике последовательного результата развертывания центральной архитектоники, кото- действия рая осуществляется одновременно с формировани- ем эффекторного действия, — стадия предвидения потребного результата деятельности функциональ- ной системы — акцептор результата дей- ствия. На этой стадии центральной организации 26
Оценка достигнутого результата Стадия эфферентного синтеза Обратная афферентация функциональной системы происходит программи- рование основных параметров потребного результа- та и на основе обратной афферентация о достигну- тых параметрах результатов — их постоянная оценка. Деятельность функциональной системы снижа- ется, если достигнут полноценный результат, удов- летворяющий исходную потребность организма. В противном случае, если параметры достигнутых результатов не соответствуют свойствам акцепто- ра результата действия, возникает рассогласова- ние — ориентировочно-исследовательская реакция, перестраивается афферентный синтез, принимается новое решение, деятельность функциональной си- стемы осуществляется в новом, необходимом для удовлетворения исходной потребности направлении. Эффекторному действию предшествует стадия эфферентного синтеза, когда исполнитель- ный акт складывается центрально в виде опреде- ленного комплекса центрального возбуждения и еще не реализуется на периферии в виде определен- ных действий. Все этапы достижения полезных для организма результатов и их различные состояния постоян- но оцениваются за счет обратной афферентации (рис. 6). Обратная афферентация возникает при раздра- жении параметрами результата соответствующих рецепторов и поступает по соответствующим аффе- рентным нервам и гуморально к структурам, составляющим аппарат акцептора результата дей- ствия. В случае если обратная афферентация не несет полноценную информацию об оптимальном уровне результата, нервные клетки, составляющие акцептор результата действия, возбуждаются, фор- мируется новый афферентный синтез, совершается новое действие, и эти процессы происходят до тех пор, пока не будет достигнут необходимый организ- му результат и не будет получена полноценная ин- формация об оптимальном уровне результата соот- ветствующей функциональной системы, удовлетво- ряющем исходную потребность организма. Таким образом, обратная афферентация о резуль- тате совершенных действий в системной организации 27
целенаправленных поведенческих актов выпол- няет как оценочную, так и санкционирующую роль. Рис. 6. Обратная афферента ция в функциональных системах, обеспечивающих различные показатели внутренней среды (Л Pi, PBt, РВ2) и результаты поведения (PIh РПз) С помощью обратной афферентации центральная нервная система может регулировать приспособи- тельные реакции целого организма в соответствии с условиями окружающей (внешней) и внутренней среды. Функциональные системы - динамические организации Каждая функциональная система представляет ди- намическую саморегулирующуюся организацию. Центральным пунктом функциональной системы различного уровня организации является полезный для организма приспособительный результат. Вся- кое отклонение этого результата от уровня, обеспе- чивающего нормальную жизнедеятельность орга- низма, немедленно воспринимается рецепторными аппаратами и посредством нервной и гуморальной обратной афферентации избирательно мобилизует специальные центральные аппараты. Последние че- рез исполнительные приборы, включая поведение, снова возвращают полезный приспособительный 28
Функциональные системы разного уровня организации Функциональные системы метаболического уровня результат к необходимому для нормального метабо- лизма уровню. Все эти процессы протекают непре- рывно с постоянным информированием центра функциональной системы об успехе достижения по- лезного приспособительного результата, т. е. по принципу саморегуляции. Несмотря на изоморфизм саморегулирующейся организации, имеются качественные различия функциональных систем разного уровня. В функциональных системах метаболического уровня отсутствует центральная архитектоника. Конечный метаболический продукт просто активи- рует или тормозит течение той или иной хими- ческой реакции (рис. 7). У одноклеточных орга- низмов их специализированные функциональные системы представлены только молекулярными ме- ханизмами, обеспечивающими удовлетворение их различных биологических потребностей. У живот- ных одноклеточного уровня организации имеет- ся молекулярная структура основных функци- ональных систем, обеспечивающих у них процессы питания, дыхания, выделения, размножения и за- щиты. Рис. 7. Функциональная система метаболической саморегуляции: Р — конечный результат; А-Г -этапы химических реакций Функциональные системы гомеостатического уровня Функциональные системы гомеостатического уров- ня могут осуществляться целиком на основе врож- денной внутренней саморегуляции, включающей нервные и гуморальные механизмы. Полезные приспособительные для организма результаты деятельности этих функциональных систем обеспе- чиваются в основном вегетативными, не контроли- руемыми произвольно процессами (рис. 8). Цен- тральная архитектоника этих функциональных систем, как правило, представлена на стволовом или лимбическом уровнях организации мозга. При- мером таких функциональных систем являются 29
функциональные системы, определяющие опти- мальный для метаболизма организма уровень мас- сы крови, форменных элементов, реакции (pH), кровяного давления. Другие функциональные системы гомеостатиче- ского уровня имеют внешнее звено саморегуляции, за счет которого организм взаимодействует с внеш- ней средой (рис. 9). Pl Рис. 9. Функциональная система дыхвния, обеспечивающая полезный для организ- ма результат не только внутренним, но и внешним звеном саморегуляции Функциональная система дыхания, например, наряду с внутренним звеном саморегуляции имеет при наличии достаточного содержания газов в окружающей среде относительно пассивное внеш- нее звено саморегуляции, которое обеспечивает по- ступление воздуха в альвеолы легких, поглощение кислорода и выведение углекислоты организмом. Внешнее звено саморегуляции имеет функциональ- ная система выделения и др. 30
Функциональные системы поведенческого уровня Функциональные системы поведенческого уровня имеют внешнее активное звено саморегуляции, включающее целенаправленное поведение субъек- тов во внешней среде, нередко связанное с преобра- зованием окружающей среды, с активным на нее воздействием. Целенаправленная поведенческая деятельность определяется формированием этими функциональ- ными системами соответствующих биологических мотиваций. Центральная архитектоника этих функцио- нальных систем у высших животных непременно включает корковый уровень. Примером таких функциональных систем явля- ются функциональные системы, обуславливающие своей деятельностью оптимальный уровень пита- тельных веществ в организме, осмотическое давле- ние, уровень продуктов метаболизма, температуру тела и т. д. (рис. 10). Рис. 10. Функциональная система с внешним активным звеном саморегуляции, нключающим специальное поведение Функциональные системы популяционного уровня Функциональные системы популяционного уровня имеют особую организацию. В них отдельные особи со своим набором гомеостатических и поведенче- ских функциональных систем играют роль состав- ляющих компонентов (рис. 11). Конечный резуль- тат деятельности функциональных систем этого уровня организации определяется совокупной деятельностью объединенных в систему индивидов, отдельные из которых осуществляют свои специфи- ческие функции (лидеров, исполнителей, сторожей И т. д.). 31
Рис. 11. Функциональная система группового уровня организации: 1-6 — индивиды групп Функциональные системы социальной, особен- но производственной, деятельности человека вклю- чают взаимодействие людей не только с себе по- добными, но и с определенными техническими устройствами для достижения социально значимых результатов. В функциональные системы социаль- ного уровня для достижения социально значимых результатов объединяются отдельные индивиды и их функциональные системы гомеостатического и поведенческого уровня. На рис. 12 приведен при- мер функциональной системы социально значимой производственной деятельности человека. Мотиви- рованная деятельность завершается промежуточны- ми и конечным социально значимыми результата- ми, которые постоянно оцениваются человеком. На каждом результативном этапе специфически изме- няются физиологические показатели рабочего. Рис. 12. Функциональная система социально значимой производственной деятельности человека: Р1-Р4- промежуточные результаты В функциональных системах популяционного уровня животных функцию центральной архи- тектоники выполняют специальные, как правило, лидирующие особи, а в человеческих популяци- ях — государственные и общественные органы управления. В функциональных системах группового и соци- ального уровня результат их деятельности, нахо- дящийся, как правило, за пределами организма, часто бывает непосредственно не связан с метаболи- ческими потребностями, хотя может косвенно их обеспечивать. 32
Функциональные системы психической деятельности человека 1.2.5. Такие функциональные системы могут опреде- ляться целиком функциями мозга и производной от этих функций психической и поведенческой дея- тельностью, обеспечивающей достижение тех или иных полезных для организма приспособительных результатов. Примером такой функциональной сис- темы может служить производственная деятель- ность человека, направленная на получение соци- ально значимого для него и общества результата, например сборка определенных деталей, констру- ирование специальных устройств, написание кни- ги и т. п. Иногда результат деятельности функциональ- ной системы не выносится за пределы мозга, как, например, в случае творческой мыслительной дея- тельности человека. Функциональные системы психического уровня, определяющие мыслительную деятельность челове- ка, имеют звено саморегуляции внутренней речи, которое постоянно взаимодействует с внешним по- веденческим звеном, определяющим воспроизведе- ние устной или письменной речи или формирова- ние соответствующего поведения. Однако и в этом случае архитектоника функциональных систем мыслительной деятельности изоморфна по своим механизмам. Приведенные примеры свидетельствуют о том, что, несмотря на качественные особенности функци- ональных систем разного уровня, они тем не менее всегда сохраняют изоморфизм их саморегулирую- щихся организаций, обеспечивающих различные полезные для функциональных систем и для орга- низма в целом приспособительные результаты. Голографический принцип построения функциональных систем_________________________ В функциональных системах каждый входящий в них элемент в своих свойствах отражает деятель- ность всей функциональной системы в целом и осо- бенно состояние ее полезного приспособительного результата. Этот принцип организации функциональных си- стем отражает их голографические свойства. Голографический принцип обнаружен в оптике Денисом Габором. В построении голограммы обычно 2—292S 33
световая волна расщепляется специальной призмой на две волны. Одна — опорная волна, а другая — предметная волна — отражается от объекта, кото- рый должен быть сфотографирован. Для восстанов- ления голограммы может быть использована одна волна. По аналогии с физической голографией обратная афферентация, поступающая в центральные аппа- раты функциональной системы от смещенного уровня результата, обеспечивающего оптимальный метаболизм организма, т. е. от потребности, может рассматриваться как «опорная» волна. С другой стороны, сигнализация о различных параметрах результата, удовлетворяющего ту или иную потреб- ность, может рассматриваться как «предметная» волна. На рис. 13 сигнализация от потребности Рис. 13. Голографические аналогии: I — в кинетике фотохимических реакций; II — в формировании функциональной системы ЗЕРКАЛО ЛАЗЕР II I УДОВЛЕТВОРЕНИЕ | ПОТРЕБНОСТИ МЕТАБОЛИЧЕСКАЯ ПОТРЕБНОСТЬ ОПОРНАЯ НЕРВНАЯ И ГУМОРАЛЬНАЯ СИГНАЛИЗАЦИЯ О ПОТРЕБНОСТИ ПРЕДМЕТНАЯ СИГНАЛИЗАЦИЯ О ПОД КРЕПЛЕНИИ 34
Голографические свойства компонентов центральной архитектоники функциональных систем выступает в качестве «опорной», а от подкрепле- ния — «предметной» волны. Восстанавливать свойства потребного результата с этих позиций может одна «опорная» волна. Вот почему при возникновении потребности отдельные элементы начинают объединяться в функциональ- ные системы и отражать в своей деятельности свой- ства потребного результата. Взаимодействие сигнализации о потребности и ее удовлетворении происходит на интерференционной основе на специальных информационных экранах, в качестве которых выступают мембраны клеток, молекулы ДНК и РНК генетического аппарата кле- ток, матрикс соединительной ткани и специально организованные структуры нервных ганглиев и го- ловного мозга (акцептор результата действия, по П. К. Анохину). В соответствии с теорией гологра- фии каждый элемент (клетки и органы), включен- ный в соответствующую функциональную систему, в своей ритмической деятельности отражает состоя- ние результата ее деятельности: исходную форми- рующую ее потребность и разную степень удовлет- ворения этой потребности. Голографический принцип прослеживается и в дея- тельности отдельных элементов, составляющих центральную архитектонику функциональных сис- тем. Особенно отчетливо голографический принцип просматривается в генезе мотивационного состоя- ния. Любая доминирующая биологическая мотива- ция строится на основе первичных метаболических изменений в тканях организма, которые нервным и гуморальным путем приводят в возбуждение сис- темные организации корково-подкорковых меха- низмов соответствующей мотивации. Мотивацион- ное состояние осуществляет своеобразную настрой- ку структур мозга и периферических рецепторов к соответствующим раздражителям внешней среды, удовлетворяющим лежащую в ее основе доминиру- ющую потребность. Мотивационное состояние вме- сте с формирующими его факторами условно может рассматриваться как «опорная» волна. Разнообразные раздражители внешней среды, и особенно подкрепляющие воздействия, также нервным и гуморальным путем вызывают потоки возбуждений, которые адресуются к возбужденным 35
Голографические свойства популяций Динамическая голограмма доминирующей потребностью элементам мозга. Эти потоки возбуждений в плане голографии составля- ют «предметную» волну. Установлено, что мотивационное и подкрепляю- щее пищевое возбуждение у животных может взаи- модействовать на отдельных нейронах различных участков коры мозга и гипоталамуса. Раздраже- ние мотивациогенных центров гипоталамуса суще- ственно повышает чувствительность отдельных нейронов мозга к подкрепляющим воздействиям. Отдельные нейроны различных областей мозга, ра- нее не отвечающие на пищевое воздействие, после электрического раздражения «центра голода» лате- рального гипоталамуса приобретают способность отвечать на него. С другой стороны, действия подкрепляющих раз- дражений существенно изменяют чувствительность нейронов мозга к мотивационным воздействиям. К тому же возбуждения, вызванные действием под- крепляющих агентов, запечатляются в мозге и при последующих возникновениях соответствующей доминирующей потребности могут, в свою очередь, извлекаться из памяти мотивационным возбужде- нием по голографическому принципу, т. е. одной «опорной» волной. Голографический принцип просматривается не только в деятельности функциональных систем ор- ганизменного, но и популяционного уровня. Пока- зано, что у стадных животных отдельные индивиды в ритмической деятельности сердца и дыхания от- ражают свойства функциональных систем, склады- вающихся в популяции. Приведенные примеры указывают на то, что голо- графические свойства, открытые как физическое яв- ление, имеют место в деятельности функциональных систем различного уровня организации. Однако, в отличие от статической физической голографии, в функциональных системах проявляются закономер- ности динамической голографии: сигнализация от достигнутого результата все время осуществляет коррекцию на информационных экранах состояний, обусловленных сигнализацией об исходной потреб- ности. 36
1.2.6. Избирательная мобилизация органов и тканей Каждая функциональная система для обеспечения своего, полезного для организма в целом результата объединяет тканевые элементы различного уровня, принадлежащие к различным анатомическим обра- зованиям. В каждую функциональную систему, определяю- щую тот или иной жизненно важный для организма результат, различные органы и даже тканевые про- цессы объединяются подчеркнуто избирательно, не- зависимо от их принадлежности к общепринятым анатомическим системам. Каждая функциональная система, кроме того, избирательно включает нерв- ные и гуморальные регуляторные механизмы. Так, например, в функциональную систему, обес- печивающую оптимальный для метаболизма орга- низма уровень СО2 О2, избирательно включаются органы дыхания, сердце, аппарат кровообращения, кровь, органы пищеварения, выделения, централь- ная нервная система, железы внутренней секреции и т. д. В функциональную систему, обеспечиваю- щую оптимальный для метаболизма организма уро- вень температуры тела, включаются легкие, почки, потовые железы, желудочно-кишечный тракт, сер- дечно-сосудистый аппарат, нервная система и же- лезы внутренней секреции. Точно так же избирательно объединяют различ- ные органы и другие функциональные системы. Различные функциональные системы для дости- жения различных приспособительных результатов могут использовать разные или одни и те же внут- ренние органы. Так, работа сердца может быть использована как для поддержания постоянного уровня кровяного давления, так и для обеспечения газообмена, сохранения оптимальной температу- ры тела, питательного гомеостазиса и т. д. Работа почки кроме выделительной функции может быть использована для обеспечения оптимального для метаболизма уровня реакции (pH) крови, оптималь- ного уровня осмотического давления, для поддер- жания температуры тела и т. д. Компенсаторные Внутри каждой функциональной системы имеется свойства возможность чрезвычайной взаимозаменяемости, взаимокомпенсации, особенно их эффекторных механизмов. При выходе из строя одного или 37
Быстро- действующие и медленно- действующие компоненты Системная фрагментация органов нескольких исполнительных компонентов каждой функциональной системы обеспечение ее конечного приспособительного результата может быть осуще- ствлено другими входящими в нее компонентами. В каждом конкретном случае это могут быть раз- личные комбинации органов и центрально-перифе- рических образований, объединяемые нервными и эндокринными влияниями, но, как правило, испол- нительные компоненты функциональных систем объединены избирательной взаимозависимостью и пластично поддерживают друг друга на путях до- стижения функциональной системой конечного приспособительного результата. Среди исполнительных компонентов функциональ- ных систем есть быстродействующие, оперативные, и медленнодействующие, стратегические. Напри- мер, при повышении кровяного давления почти сразу включаются изменения просвета сосудов, сер- дечного ритма, скорости кровотока. Затем меняется масса циркулирующей крови и ее состав. Значи- тельно позднее в процессы саморегуляции могут включаться почечные факторы, кровеобразование и кроверазрушение. Избирательное объединение одних и тех же органов в различные функциональные системы заставляет отказаться от органного принципа построения физиологических функций. Все это заставляет изу- чать отдельные органы не вообще, а в их включе- нии в динамические саморегулирующиеся процес- сы в той или иной функциональной системе. Такой подход определяет место и роль того или иного ор- гана в целостных функциональных системах, его системную фрагментацию. Принцип системной фрагментации, т. е. избира- тельного объединения отдельных органов и тканей в различные функциональные системы, открывает новые подходы к изучению функций отдельных ор- ганов. Специальные эксперименты показали, что мета- болическое обеспечение различных органов различ- но при включении их в разные функциональные системы. Отмечено, например, что пищевая функ- циональная система преимущественно строится на основе серотонинергических механизмов мозга, в то 38
время как защитная функциональная система в основном использует дофаминергические меха- низмы мозга. Один и тот же орган в различных функциональных системах приобретает различные функциональные и даже метаболические свойства. Отдельные элементы в функциональных систе- мах, в том числе и клетки целого организма, явля- ются компонентами различных функциональных систем, обеспечивающих своей деятельностью раз- личные стороны достижения полезных для орга- низма в целом приспособительных результатов. Тем не менее в их деятельности в соответствии с голографическим принципом могут отражаться общие свойства всей функциональной системы, в которую они включены. 1.2.7. Взаимосодействие элементов в функциональных системах, способствующее достижению результата Включение отдельных органов в функциональные системы всегда происходит по принципу в з а и м о - содействия, т. е. каждый элемент не просто пас- сивно включается в функциональную систему, но, взаимодействуя с другими элементами системы, активно способствует достижению функциональной системой ее полезного приспособительного резуль- тата. Взаимосодействие отдельных элементов в функциональной системе всегда осуществляется для достижения оптимального значения полезного для системы и организма в целом приспособитель- ного результата. Избирательное взаимосодействие отчетливо про- слеживается, например, в механизмах включения различных желез внутренней секреции в разные функциональные системы. В каждой функциональ- ной системе имеется своя эндокринная «аранжи- ровка», обеспечивающая достижение результатов деятельности системы. Так, в функциональной сис- теме питания по принципу избирательного взаимо- содействия вовлекаются поджелудочная, щитовид- ная, околощитовидная железы. В функциональной системе избегания опасности для достижения адаптивного результата наблюда- ется взаимосодействие гормонов надпочечников, щитовидной железы и половых желез. Избира- тельно взаимосодействуют достижению полезных 39
приспособительных результатов различные железы внутренней секреции в функциональных системах, определяющих осмотическое давление в организ- ме, процессы размножения и пр. Избирательные взаимосодействующие механиз- мы осуществляются и между объединенными в функциональные системы нервными элементами различных уровней центральной нервной системы. Взаимосодействие составляющих элементов в функциональных системах определяют процессы тканевой и органной корреляции функций, а также процессы тканевой гуморальной, нервной и нервно- гуморальной регуляции. Корреляция Корреляция — такая форма взаимосодействия эле- ментов в системе, при которой ткани под непрерыв- ным корригирующим влиянием результата дея- тельности функциональной системы устанавливают равноправные взаимодействия. В этом случае, по- ложим, вещество «а» входит в метаболизм клетки «/>>>, а вещество «б» — в метаболизм клетки «Ло, не изменяя их специфических свойств. Такими фи- зиологически активными веществами, участвую- щими в коррелятивных взаимодействиях клеток, могут быть олигопептиды, гормоны, медиаторы, простагландины и т. д. Регуляция Регуляция в функциональных системах означает соподчинение деятельности отдельных, составляю- щих функциональную систему элементов, деятель- ности всей системы и всего организма в целом. Обычно регуляция в функциональных системах осуществляется нервными, гуморальными (эндо- кринными) механизмами и специальным поведени- ем. Так, например, в случае производственной дея- тельности человека, направленной на получение значимого для него и коллектива производственно- го результата, деятельность его мышечного аппа- рата, дыхания, сердца, потовых желез и других органов регулируется в организме таким образом, чтобы определять наиболее результативную дея- тельность ведущей социально значимой функцио- нальной системы. В деятельности целого организма наблюдается взаимосодействие различных функциональных систем. 40
1.2.8. Информационные свойства функциональных систем Функциональные системы наряду с физико-хими- ческими свойствами обладают информационными свойствами. Благодаря обратной афферентации от результата действия и наличию аппарата акцептора результа- тов действия, функциональные системы все время осуществляют оценку информационной значимо- сти соответствующих потребностей и их удовлетво- рения. При этом несмотря на смену носителей, информация о потребности сохраняется на всех эта- пах деятельности, направленной на удовлетворение этой потребности. Так, например, потребность в питательных веще- ствах формируется прежде всего как метаболиче- ский процесс в тканях. Потребность в питательных веществах воспринимается без потери информаци- онной значимости с помощью специальных инфор- мационных молекул. Нервным и гуморальным путем информация о потребности (опять без потери ее значения!) пере- дается специальным центрам гипоталамуса, на уровне которых, снова без потери информационной значимости потребности, происходит формирова- ние организованного возбуждения мозга — пище- вой мотивации. Пищевая мотивация, в свою очередь, трансфор- мируется в определенное пищедобывательное по- ведение, в котором также сохраняется информация о потребности. Наконец, параметры достигнутых результатов поведения все время на информационной основе сравниваются с акцептором результата действия, в котором на основе предшествующего опыта зало- жена информация как об исходной потребности, так и параметрах результатов и способов их дости- жения. Информационные свойства функциональных систем строятся в результате интерференции сигна- лизации от потребности и ее удовлетворении на информационных экранах организма по голографи- ческому принципу. 41
1.2.9. Консерватизм и пластичность функциональных систем Консерватизм Результаты действия и рецепторы функциональных результатов представляют консервативную систем часть динамической организации функциональных систем. Специфические свойства рецепторов в каждой функциональной системе охватывают все возмож- ные параметры меняющегося результата. Примером могут служить свойства барорецепто ров, которые воспринимают статические, флуктуи- рующие и вибрационные изменения кровяного давления, т. е. любые перепады возможных изме нений кровяного давления в кровеносных сосудах. Установлено к тому же, что чем резче нарастают изменения кровяного давления, тем активнее воз- буждаются барорецепторы. Иными словами: лю- бые изменения кровяного давления в организме воспринимаются соответствующими барорецепто рами. Характерно, что свойства рецепторов воспри- нимать разные параметры приспособительного результата, как правило, генетически детермини- рованы. Специфична и, таким образом, консервативна и импульсация, возникающая в афферентных нервах, идущих от рецепторов результата в со- ответствующие нервные центры. Она проявляется в определенном рисунке импульсной активности при действии того или иного параметра резуль- тата. Установлено, что информация о результате на- ряду с нервным может осуществляться гумораль- ным путем с помощью специальных веществ-по- средников. Роль посредников выполняют белки, олигопептиды и другие биологиче- ски активные вещества. Это тоже консер- вативный, часто генетически детерминированный, механизм деятельности функциональных систем организма. Консервативны и афферентные центры нервной системы. 42
В свое время знаменитый французский физиолог К. Бернар высказал мысль о том, что: «Условием свободной жизни организма является постоянство внут- ренней среды». Между тем внутренняя среда организма благода- ря активным метаболическим процессам постоян- но изменяется, и ее отдельные показатели удер- живаются около определенных значений только благодаря консерватизму рецепторных образова- ний и деятельности соответствующих функцио- нальных систем. Консерватизм рецепторов является ограничите- лем пластичных изменений внутренних констант организма. Консервативный рецептор во всех случаях вос- принимает состояние полезного приспособительно- го результата и посылает определенную сигнализа- цию в нервные центры, определяя тем самым саморегуляторные процессы восстановления изме- ненного результата. Однако восстановление опти- мального для организма уровня тех или иных по- казателей его внутренней среды определяют уже другие, более пластичные центральные и эффек- торные механизмы деятельности функциональных систем. Пластичность функциональных систем Пластическими свойствами в функциональных системах обладают эффекторные централь- ные и периферические механизмы. Именно эти механизмы определяют взаимозаме- няемость и комепенсацию в деятельности различ- ных функциональных систем при выходе из строя того или иного их звена, органа или ткани. Показано, например, что после удаления одного легкого нагрузка в функциональной системе, обес- печивающей дыхательные функции, ложится не столько на оставшееся легкое, сколько на сердце, почки и дыхательные показатели крови. При удалении почки нагрузка может лечь на ме- ханизмы саморегуляции артериального давления и т. д. 43
1.3. Взаимодействие функциональных систем в организме Взаимодействие функциональных систем в орга- низме определяют следующие принципы: 1. Иерархическое доминирование функциональ- ных систем. 2. Мультипараметрическое взаимодействие функ- циональных систем по конечным результатам. 3. Последовательное взаимодействие функцио нальных систем. 4. Системное квантование жизнедеятельности. 5. Системогенез как общий принцип становления функциональных систем в процессе пре- и пост натального онтогенеза, а также в жизни каждо го индивида. 1.3.1. Иерархическое доминирование функциональных систем В каждый данный момент времени деятельность организма определяет доминирующая в плане вы- живаемости или адаптации к внешней среде функ- циональная система. Доминирование функциональных систем опреде- ляется их б и о л огич е с к ой, а для человека в первую очередь — социальной значимо- стью. По отношению к каждой доминирующей функ- циональной системе все другие функциональные системы в соответствии с их биологической значи мостью и значимостью для социальной деятельно сти человека выстраиваются в определенном иерархическом порядке, начиная от молекулярно го и до организменного и социально-общественного уровня. После удовлетворения ведущей потребности дея тельностью организма завладевает'следующая веду щая по социальной или биологической значимости потребность. Она строит доминирующую функцио нальную систему. По отношению к этой функ циональной системе другие также выстраиваются в иерархическом порядке и т. д. Смена доминирующей функциональной систе- мы на другую динамически осуществляется всю 44
жизнь индивидов — отражая сущность их непре- рывно происходящего обмена веществ и постоян- ного взаимодействия с окружающей средой. Иерархия результатов Иерархия функциональных систем прежде всего включает иерархическое взаимодействие результа- тов их деятельности, когда результат деятельности функциональной системы более низкого уровня организации входит в качестве компонента в ре- зультат деятельности функциональной системы бо- лее высокого уровня организации (рис. 14). Напри- мер, уровень pH определяет значение соотношения СО2 —=-— в организме. Уровень газов в крови, в свою <->2 очередь, определяет поведение живых существ. Рис. 14. Иерарх ическое взаимодействие функциональных систем: Pi Рь - различные иерархически взаимодейст- вующие показатели внутренней среды; Р — результат поведения Иерархическое взаимодействие различных функ- циональных систем всегда строится на основе открытого выдающимся русским физиологом А. А. Ухтомским принципа доминанты. 45
1.3.2. Мультипараметрическое взаимодействие функциональных систем Мультипараметрический принцип взаимодействия различных функциональных систем определяет их обобщенную деятельность. Как правило, изменение одного показателя результата деятельности одной функциональной системы немедленно сказывается на результатах деятельности других функциональ- ных систем, или один параметр сложного результа- та деятельности функциональной системы приво- дит к изменению других его параметров (рис. 15). Рис. 15. Мультипара- метрическое взаимодействие функциональны х систем Обобщенная функциональная система гомеостазиса Принцип мультипара метрического взаимодейст- вия отчетливо выявляется, например, в деятельно- сти функциональной системы, определяющей опти- мальный уровень газового состава крови. В этой функциональной системе одновременно осуществ- ляется взаимодействие нескольких взаимосвязан- ных дыхательных показателей — pH, рСОг, рОг. Изменение одного из этих показателей приводит к перераспределению содержания других. Принцип мультипараметрического взаимодейст- вия распространяется практически на все показате- ли внутренней среды организма (гомеостазиса) и объединяет деятельность различных функциональ- ных систем гомеостатического уровня в единую обобщенную функциональную систему гомеостази- са, которая, динамически изменяясь, определяет состояние многопараметрической внутренней среды организма, различные ее изменения в связи с ме- 46
Обобщенная функциональная система целого организма Многосвязный принцип саморегуляции таболическими процессами и активной деятель- ностью организма во внешней среде. В единую обобщенную функциональную систе- му могут входить отдельные функциональные си- стемы, обеспечивающие различные показатели гомеостазиса внутренней среды организма: функ- циональная система поддержания оптимальной ве- личины кровяного давления, функциональная система поддержания оптимального уровня дыха- тельных показателей организма, функциональная система обеспечения осмотического давления, функциональная система, определяющая свертыва- ние крови, функциональная система поддержания оптимальной температуры тела и т. д. Обобщенная функциональная система может скла- дываться из функциональных систем, одни из ко- торых обеспечивают отдельные гомеостатические показатели внутренней среды организма, другие — направлены на достижение того или иного поведен- ческого результата, удовлетворяющего биологиче- ские и социальные потребности организма. Для функциональных систем многосвязного взаи- модействия характерен качественно иной прин- цип саморегуляции: отклонение от оптимального уровня того или иного параметра результата есть стимул к направленному перераспределению в определенных соотношениях значений всех дру- гих параметров результата обобщенной функцио- нальной системы. 1.3.3. Последовательное взаимодействие функциональных систем В целом организме постоянно проявляется кон тинуум действия различных функциональных сис- тем, когда деятельность одной функциональной системы во времени сменяется другой. Этот прин- цип организации взаимодействия различных функ- циональных систем в организме, хотя и является производным от принципа их иерархии, но иногда имеет самостоятельное значение. Отчетливо принцип последовательного взаимо- действия функциональных систем проявляется, на- пример, в континууме процессов питания и пище- варения. В последовательных процессах приема и обработки пищевых веществ можно убедительно 47
наблюдать динамику последовательной смены раз- личных функциональных систем с их очерченны- ми в каждом случае конечными результатами (рис. 16). Рис. 16. Последовательные .этапы процессов приема пищи и пищеварении Функциональная система, определяющая поиск и нахождение пищи, при употреблении пищи ор- ганизмом сменяется функциональной системой, результатом деятельности которой является обра- ботка принятой пищи в ротовой полости. Эта фун- кциональная система завершается ответственным результатом - актом глотания. Процессы механи- ческой и химической обработки пищи в желудке с конечным результатом — поступлением пищи в двенадцатиперстную кишку определяются актив- ностью последующей функциональной системы. Обработка пищевых веществ в тонком кишечнике завершается их всасыванием. После этого происхо- дит смена пищеварительных функциональных си- стем на функциональную систему формирования и выведения из организма каловых масс, завершаю- щим результатом деятельности которой является акт дефекации. Последовательная деятельность всех приведенных функциональных систем, обес- печивающих питание организма, программируется специальными центрами нервной системы. Каж- дый последующий результат деятельности соответ- 48
Каскадное взаимодействие результатов функциональных систем ствующей функциональной системы на основе обратной нервной и гуморальной сигнализации оценивается соответствующими механизмами, по- сле чего происходит смена одной функциональной системы на другую. Аналогичные процессы последовательной смены функциональных систем наблюдаются в динамике процессов дыхания, выделения, кровообращения и, наконец, — в поведении. В каждой отдельной функциональной системе и в их взаимодействии в целом организме отчетливо проявляется каскадное взаимодействие полезных для организма приспособительных результатов, в их иерархических взаимоотношениях, что обеспе- чивает надежность защиты метаболических процес- сов в тканях организма. Каскадное взаимодействие функциональных сис- тем определяет предупредительную деятельность организма. Оно отчетливо проявляется во взаимо- действии метаболических результатов с результата- ми деятельности соответствующих функциональ- ных систем в жидких средах организма, в частности в крови. Как правило, функциональные системы гомеоста- тического уровня обеспечивают каждый метаболи- ческий результат не непосредственно в процессах тканевого обмена веществ, а определяют предко- не ч п ы й, этапный результат на подступах к тканям, т. е. в жидких средах организма: в крови, лимфе и межтканевой жидкости. Благодаря такому каскадному принципу постоянство жизненно важ- ных метаболических показателей организма опреде- ляется уже в кровеносном и лимфатическом русле. Создав в эволюции механизмы поддержания «предрезультатов» на относительно устойчивом уровне, живые организмы тем самым обеспечили се- бе строгую гарантию устойчивости обменных про- цессов в тканях. По каскадному принципу в крови поддерживает- ся оптимальный уровень питательных веществ, уро- вень кислорода и углекислого газа, осмотическое давление, температура, кровяное давление и пр. Поддержание постоянного уровня определенных показателей в крови есть гарантия нормального течения обменных процессов в тканях организма. 49
1.3.4. Системное квантование жизнедеятельности Периодически возникающие метаболические по- требности живых существ переводят континуум их жизнедеятельности в дискретную форму. В резуль- тате континуум процессов жизнедеятельности, на- чиная с активности генома отдельных клеток и кончая психической деятельностью человека, под- разделяется на дискретные саморегулирующиеся процессы, ограниченные, с одной стороны, потреб- ностью, а с другой — ее удовлетворением. Каждый такой «системоквант» включает формирование на основе потребности и соответствующей деятельно- сти взаимодействие с промежуточными и конеч- ным результатами, удовлетворяющими исходную потребность (рис. 17). В свою очередь, этапные и конечный результаты (удовлетворение соответст- вующей потребности) постоянно оцениваются с по- мощью обратной афферентации. Рис. 17. «Системокванты » метаболического, вегетативного и поведенческого уровня: Pi-Рз— результаты деятельности соответствующих « системок вантов » В каждом «системокванте» жизнедеятельности любого уровня организации имеет место опережаю- щее программирование свойств потребного резуль- тата. Иными словами, деятельность любого «систе- 50
мокванта» всегда направлена на будущие собы- тия — получение полезного для жизнедеятельности результата. Каждый «системоквант» жизнедеятельности опре- деляется специальной функциональной системой. «Системокванты» обнаруживаются на разных уровнях жизнедеятельности. На уровне гомеостати- ческих процессов квантование отчетливо проявля- ется в процессах пищеварения, дыхания, выделе- ния, кровообращения, в половых функциях и т. д. Системное квантование процесса пищеварения рассмотрено выше. В процессе дыхания можно вы- делить следующие «системокванты» со своими ко- нечными результатами: вдох и поступление опреде- ленного количества воздуха в альвеолы; диффузия газов из альвеол в легочные капилляры; транспорт кислорода к тканям; диффузия газов из капилляров в ткани и из тканей в кровь; транспорт газов к легким; альвеолярный газообмен; выдох. «Системокванты» выделения включают: последо- вательные процессы клубочковой фильтрации; ре- абсорбции и секреции в проксимальных канальцах; реабсорбции в петле Генле; реабсорбции и секреции в дистальных канальцах и собирательных трубоч- ках; процессы мочевыделения и мочеиспускания, каждый со своим специальным результатом. В процессах кровообращения квантование скла- дывается из следующих последовательно сменя- ющих друг друга процессов: цикл работы сердца, заканчивающийся определенным сердечным вы- бросом; движение крови по артериальному руслу с определенной скоростью; капиллярное кровообра- щение, обеспечивающее обмен веществ с тканями; венозное кровообращение; регионарные кванты кровообращения в большом и малом круге кровооб- ращения и в отдельных органах. Каждый после- дующий «системоквант» осуществляется только после получения полноценной обратной афферента- ции от предыдущего. Принцип системного квантования распространя- ется и на поведение живых существ. С позиции теории функциональных систем, пове- дение животных и человека развертывается в после- довательности: возникновение ведущей биологиче- ской или социальной потребности, формирование на ее основе доминирующей мотивации, взаимодействие 51
мотивационного возбуждения в центральной нервной системе с обстановочными возбуждениями и меха- низмами памяти, организация на основе принятия решения и формирования акцептора результата действия целенаправленного поведения и, наконец, взаимодействие со средой обитания, направленное на получение результатов поведения, удовлетворяющих исходную потребность (рис. 18). Рис. 18. «Системоквант» поведения: л... А -• Б -• В — Г -* ... п — последова- тельность событий внешнего мира; Pi-Pe — этапные результаты деятельности по удовлетворению потребности; ♦+» - результаты, способствующие достижению ко- нечного результата и удовлетворению исходной потребности; «-♦ — результаты, препятствующие удовлетворению потребности Системное квантование поведения осуществляет- ся по принципу саморегуляции за счет постоянной оценки субъектом с помощью обратной афферента- ции промежуточных (этапных) и конечного резуль- татов, удовлетворяющих его ведущие потребности. Каждый этап поведенческой деятельности, так же как и действие на организм различных факторов внешней среды, всегда оценивается с точки зрения удовлетворения ведущей потребности организма. В плане адекватного приспособления и выживания живых существ ведущие, особенно метаболические, потребности обязательно должны быть удовлетво- рены. Неудовлетворение ведущей метаболической 52
Последовательное квантование процессов жизне- деятельности потребности, как правило, означает гибель индивида, а в случае половых потребностей — вымирание его вида. Неудовлетворение социальной потребности у человека ведет к потере престижа, материальных благ и т. д. С другой стороны, при удовлетворении той или иной потребности каждый «системоквант» закан- чивается, и деятельность человека и животного на чинает определяться новой потребностью, которая формирует следующий «системоквант», и т. д. Удовлетворение любой потребности животных и человека выступает, таким образом, в роли полез- ных для организма приспособительных резуль- татов. Системная центральная архитектоника внутри- мозговой организации каждого «системокванта» включает предложенные II. К. Анохиным механиз- мы афферентного синтеза, принятия решения, предвидения результата, удовлетворяющего веду- щую исходную потребность — акцептора результа- та действия, эфферентный синтез и постоянную оценку достигнутых результатов за счет сравнения обратной афферентации от параметров результатов с механизмами акцептора результата действия. Дискретные «системокванты» поведения могут отражать и эпизодические реакции животных на внешние стимулы, т. е. действие «по возмущению». При этом наблюдается временно различно выра- женное нарушение относительно устойчивых про- цессов саморегуляции организма с их последую- щим возвращением в новое устойчивое состояние. Среди многообразия «системоквантов» жизнеде- ятельности выделено последовательное, иерархиче ское и смешанное квантование. Последовательное квантование процессов жизнедея- тельности состоит в последовательной смене во вре- мени отдельных «системоквантов» различного уров- ня организации. При этом удовлетворение одной потребности приводит к формированию следую- щей; ее удовлетворение, в свою очередь, приводит к формированию следующей потребности, и т. д. (рис. 19, а). Последовательное квантование проявля- ется на всех уровнях организации живой материи от молекулярных процессов до психической и социаль- ной деятельности человека. Оно отчетливо выражено 53
в любой производственной конвейерной операции, в построении устной и письменной речи, фраз, предло- жений и мыслей. Рис. 19. Квлитошшие жизнедеятельности: а последовательное; б иерархическое Иерархическое квантование процессов жизне- деятельности Смешанное квантование жизне- деятельности Иерархическое квантование наблюдается в случа- ях, когда удовлетворение ведущей потребности организма значительно отставлено по времени от ее возникновения. Для удовлетворения этой потреб- ности часто бывает необходимо удовлетворять несколько промежуточных потребностей, объеди- ненных как в последовательный, так и в иерар- хический ряд. Примером иерархического кванто- вания деятельности является конструирование человеком определенного изделия, когда для созда- ния конечного продукта необходимо решить ряд промежуточных задач со своими конечными ре- зультатами. Иерархическое квантование отчетливо проявляется в репродуктивной деятельности жи- вых существ, направленной на зачатие, выживание и воспитание потомства (рис. 19, б). Смешанное квантование на определенных участках жизнедеятельности включает иерархическое, а на других — последовательное квантование. Примером может сложить деятельность студентов высших учебных заведений, имеющих отдаленную цель — получение диплома по специальности. Одна- ко на пути к этому отдаленному социально значимо- му результату включаются ежедневные и многоднев- ные, последовательно сменяющие друг друга «систе- мокванты». 54
1.4. Системогенез Особую разновидность последовательного во вре- мени квантования процессов жизнедеятельности составляют процессы системогенеза. В соответствии с общей теорией функциональ- ных систем под системогенезом понимают процес- сы избирательного созревания функциональных систем и их отдельных компонентов в процессах пре- и постнатального онтогенеза, а также процес- сы становления функциональных систем, особенно поведенческого и психического уровней в динами- ке индивидуальной жизни (системогенез поведен- ческих актов). Теория системогенеза описывает становление функциональных систем у эмбрионов, плодов, но- ворожденных и у взрослых особей в динамике их становления, развития и инволюции. Термин «сис- темогенез» предложен П. К. Анохиным в 1937 г. Системогенез часть общей теории функцио- нальных систем. События, происходящие с живым организмом до момента рождения, характеризуются термином пренатальные. Те события, которые проис- ходят после родов, характеризуются термином и о с т н а т а л ь н ы е. Соответственно этому системо- генез разделяется на пренатальный и постнаталь- ный. Классический системогенез (по П. К. Анохи- ну) рассматривает избирательное становление фун- кциональных систем организма именно в эти два периода, а также описывает системные механизмы акта родов. В настоящее время понятие «системогенез» рас- ширилось. Оно включает не только процесс разви- тия от момента зачатия до состояния зрелости, но и период зрелости, в котором происходит образование функциональных систем, а также процесс угаса- ния, увядания, старения организма. Поэтому наря- ду с пренатальным и постнатальным системогене- зом различают системогенез каждого поведенческо- го акта зрелого животного. Процессы системогенеза, таким образом, охва- тывают практически весь период индивидуальной жизни — от рождения до старческого возраста. Наряду со становлением различных функциональ- ных систем процессы системогенеза включают и 55
Системогенез и морфогенез Особенности системогенеза избирательную инволюцию функциональных сис- тем в пожилом и старческом возрасте, а также проявление в стрессорных ситуациях ранее элими- нированных функциональных систем. Теория системогенеза явилась развитием теории морфогенеза, созданной А. Н. Северцовым. Как полагал А. Н. Северцов, развитие осущест- вляется гетерохронно, т. е. путем более ранней (акселерации) или более поздней (ретардации) за- кладки органов. А. Н. Северцов считал, что эмбрио- генез характеризуется избирательным созреванием отдельных органов. Конечные стадии морфогенеза, по А. Н. Северцову, повторяются у потомков в той же последовательности, в которой они появлялись у их предков в соответствии с биогенетическим за- коном рекапитуляции Геккеля —- Мюллера. В сво- их исследованиях А. Н. Северцов следовал закону «проксимодисталыюго развития органов», согласно которому органы, расположенные в головном конце эмбриона, в эмбриональном развитии опережают развитие органов, расположенных дистально по направлению к хвостовому отделу. В отличие от теории морфогенеза, предложенной А. Н. Северцовым и постулирующей избирательное и последовательное созревание в онтогенезе отдели них органов, в концепции системогенеза подчерки вается избирательное созревание в онтогенезе на морфологической основе различных физиологиче ских функций, каждая из которых определяется своей специфической функциональной системой. Многочисленные наблюдения за эмбриональным развитием животных и человека выявили особенно- сти в темпах закладки и созревания анатомических участков различных органов. Обнаружилось, что участки нервной ткани, мышц и других органов закладываются и созревают не одновременно, а в определенной последовательности. В зависимости от того, происходит ли развитие эмбриона в теле матери или вне его, животные по- являются на свет различными путями. Появление на свет млекопитающих связано с актом рожде- ния. Другие позвоночные животные, эмбриональ- ное развитие которых происходит вне тела матери, вылупляются из яйца, икринки и др. Во всех этих случаях степень зрелости животного в момент вы- 56
хода его в окружающую среду весьма различна у разных видов. Копытные животные — телята, лосята, жеребята — через 15-20 мин после рожде- ния активно встают на ноги и перемещаются, на- ходят сосок матери и могут удовлетворить свои пи- щевые потребности. Цыпленок появляется из яйца зрячим, опушенным, способным самостоятельно двигаться и питаться. В то же время многие гнез- довые птицы (грачи, мухоловки) после вылупле- ния не имеют пухового покрова, лишены зрения, не могут двигаться и питаются пищей, которую родители вкладывают им в клюв. Котята и многие хищники рождаются слепыми. Крысята и другие грызуны — слепыми и без шерстяного покрова. Человеческий детеныш рождается зрячим, однако он долго остается не способным к самостоятельно- му перемещению. Однако все животные и человек — зрелорождаю щиеся и незрелорождающиеся — имеют в полной готовности именно те функциональные системы, которые соответствуют экологическим условиям обитания вида. Эти функциональные системы со- зревают как раз к тому моменту индивидуального развития, когда без них организму грозит гибель. Другие функциональные системы, без которых жи- вотное после рождения может обойтись, moi jt еще находиться в состоянии полной незрелости или недостаточной зрелости. Так, например, представители низших позвоночных — лягушки и аксолотли вылупляются из икринки, не имея конечностей. В то же время первые плавательные движе- ния этих животных обнаруживают полную зрелость ту- ловищной и хвостовой плавательной мускулатуры. В со- ответствующих нервных центрах спинного и головного мозга имеются зрелые нервные клетки, которые посыла- ют командные сигналы к этой мускулатуре. Последую- щий метаморфоз подготавливает переход животного из водной среды обитания к наземному существованию. Еще в водной среде начинается быстрое развитие конечностей. Параллельно созревают нервные элементы спинного моз- га, которые посылают свои отростки к мышцам конечно- стей. Между нервными и мышечными образованиями устанавливаются связи, и в результате всех этих преоб- разований, происходящих еще в водной среде обитания, у земноводных животных формируется функциональная система прыжка, которая понадобится им после выхода на сушу. 57
Яркие примеры избирательного созревания функцио- нальных систем представляет физиология развития птиц. Птенцы грача вылупляются незрелыми, на фоне общей незрелости выделяется их пищевая функциональная си- стема. Сразу после появления на свет она обеспечивает раскрытие клюва в ответ на те явления, которые в нату- ральных условиях обитания сопровождают прилет роди- телей с кормом. Садясь на край гнезда, взрослая птица сотрясает его, издает звук «карр» и, хлопая крыльями, создает дополнительное движение воздуха. Новорожден- ные тонко воспринимают эти факторы, их реакция явля- ется врожденной. Движение воздуха, например, воспри- нимается только рецепторами спинной стороны птенца и не воспринимается рецепторами брюшной стороны. На фоне избирательного созревания пищевой функциональ- ной системы функциональные системы ряда двигатель- ных актов и оборонительная функциональная система оказываются еще не созревшими. У птенцов мухоловки-пеструшки, гнездящейся в дуп- лах и скворечниках, в начальный период после вылупле- ния пищевая реакция возникает в ответ на комплекс звуковых сигналов, связанных с прилетом птицы родите- ля или с кормом (рис. 20). Звуковой спектр этих сигналов строго ограничен определенной частотой колебаний, соот- ветствующей звукам сигналов родителей. В звуковом ана- лизаторе птенцов ранее всего созревают именно те клетки, которые воспринимают звуки данной частоты. Характер- но, что к моменту вылупления птенцов из яйца и в 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Возраст птенца, сут Рис. 20. Изменение сигнального значения раздражителей, вызывающих пищевую реакцию птенцов-дуплогнездников после вылупления (по С. Н. Хаютину, Л. П. Дмитриевой) 58
последние дни существования в яйце у них избирательно созревают не только слуховой анализаторный аппарат, но и нервные пути, проводящие возбуждение к соответству- ющим центрам, отдельные клеточные группы в чувстви- тельных центрах, нисходящие нервные пути к двигатель- ным центрам, а от них к мышцам, обеспечивающим вытягивание шеи и раскрытие клюва, что и определяет врожденную пищевую реакцию. Пока глаза птенцов за- крыты, слуховые и тактильные ощущения имеют веду- щее сигнальное значение в возникновении пищевой реак- ции. До 6-го дня световые сигналы не воспринимаются. С 10-12-го дня зрительный анализатор становится веду- щим в организации пищевого поведения. Птенцы дупло- гнездники начинают сначала воспринимать перепад осве- щенности при закрытии летка телом птицы, позднее для них становится различимым силуэт птицы, а затем и направленные ее движения. Слуховой, тактильный, мы- шечный стимулы постепенно теряют свое сигнальное пи- щевое значение. Таким образом, обнаруживается опре- деленная последовательность вступления в функцию отдельных функциональных систем и их частей. В формировании последовательности избиратель- ного созревания различных функциональных сис- тем ведущая роль принадлежит экологическим факторам: функциональная система оказывается морфологически созревшей именно к тому момен- ту, когда на животное начинают действовать специ- альные раздражители из внешней среды. Несмотря на очень ранние сроки созревания у птиц пищевой функциональной системы, ее опережает функ- циональная система вылупления из яйца. Она начинает созревать уже в середине инкубационного периода и за- канчивает свое полное развитие за 1 2 дня до вылупле- ния птенцов. Птенцы, которые в течение 2 первых меся- цев жизни получают корм от родителей, появляются на свет совершенно беспомощными и имеют в состоянии готовности лишь функциональную систему пищевого по- ведения и функциональную систему дефекации. В отличие от птенцовых, выводковые птицы выходят из яйца значительно более зрелыми. Они приспособлены к самостоятельному существованию и с первых дней рас- полагают значительно большим набором зрелых функ- циональных систем. Цыпленок на 2-й день после вы- лупления осуществляет сложные поведенческие реакции: самостоятельно передвигается, находит и клюет пищу, убегает от опасности. Двигательные компоненты его пи- щевой, оборонительной, ориентировочно-исследователь- ской деятельности к моменту вылупления находятся в состоянии готовности к вступлению в функцию. Экология этих животных определяет значительно более раннее их созревание. 59
Опережающая направленность системогенеза Сумчатая крыса рождает незрелое потомство, фактиче- ски не закончившее свой эмбриогенез. Дальнейшее дозре- вание в течение последующих 26 суток происходит в брюшной сумке матери. Однако животное должно по- пасть туда после выхода из родовых путей. Цепляясь за шерсть матери, детеныш заползает в сумку и присасыва- ется к соску. К моменту рождения он имеет избирательно созревшими только те нервные, мышечные и централь- ные образования, которые обеспечивают хватательное движение передних конечностей и волнообразное движе- ние туловища. Функциональная система, обеспечивающая пе- ремещение за счет хватательных движений, рано созревает у всех лазающих животных, а также и у человека. У человека, как и у млекопитающих животных, ра- но созревает функциональная система сосания. Уже на 4-м месяце внутриутробного развития человеческого эмбриона в центральной нервной системе обнаруживают- ся ранее других созревающие, специальные клетки в ядре лицевого нерва. Часть волокон этого нерва рано вступает в контакт и образует синапсы на созревающих к этому времени сосательных мышцах лица. Новорожденный ребенок, несмотря на свою общую незрелость, имеет в полной готовности функциональную систему сосания, ко- торая обеспечивает его питание, а следовательно, выжи- вание в первые моменты постнатальпой жизни. Из приведенных примеров следует, что основной особенностью системтитшеза является его опере- жающая направленность на будущие события: эмбриональный системогенез направлен на избира- тельное созревание тех функциональных систем, которые обеспечивают полноценное созревание плода к моменту рождения; в пренатальном систе- могенезе происходит созревание функциональных систем и их отдельных фрагментов, обеспечиваю- щих адаптацию новорожденного к условиям суще- ствования сразу после рождения; в постнатальпом системогенезе происходит созревание функцио- нальных систем, обеспечивающих индивиду в бу- дущем процессы размножения и индивидуальной адаптации к условиям существования. Каждый из этих периодов системогенетического развития характеризуется своими качественными особенностями. 60
1.4.1. Пренатальный системогенез В период внутриутробного развития плода функ- циональные системы плода наряду с генетической детерминацией определяются влияниями на него функциональных систем материнского организма, имея с ними за счет общего плацентарного кровооб- ращения общие адаптивные результаты. Такими функциональными системами являются: • функциональная система питания; • функциональная система выделения; • функциональные системы, определяющие раз- личные показатели внутренней среды: газовые показатели, pH, осмотическое давление, кровя- ное давление, температуру и др. В условиях пренатального развития плода полез- ные приспособительные результаты указанных функциональных систем осуществляются, глав- ным образом, за счет активности соответствующих функциональных систем и гуморальных влияний на плод организма матери, на который во время бе- ременности ложится дополнительная нагрузка. Геном клеток плода под влиянием биологически активных веществ организма матери (и в первую очередь — регуляторных олигопептидов и гормо- нов) определяет у плода развитие функциональных систем гомеостатического уровня, большинство из которых опережающе созревает к моменту его рож- дения. Системогенез В исследованиях с применением методики искусст- гомеостазиса венного плацентарного кровообращения показано, что у эмбрионов плодов морской свинки к моменту рождения избирательно созревают функциональные системы, обеспечивающие разные показатели гоме- остазиса (кровяное давление, уровень газов в крови и др.). Эти функциональные системы у плода самосто- ятельно еще не функционируют. Их деятельность определяется результативной деятельностью орга- низма матери. Сразу после рождения или после ис- кусственного пережатия пуповины включается внешнее звено саморегуляции функциональных сис- тем дыхания, выделения, питания, механизмы кото- рых начинают усовершенствоваться в постнаталь- ном периоде развития новорожденных. 61
Одной из рано созревающих функциональных систем является функциональная система поддер- жания газового состава организма. В пренатальный период оптимальный для жиз- СО2 недеятельности уровень — в крови эмбриона со- С>2 храняется за счет материнского организма. Пере- ход на самостоятельное дыхание осуществляется сразу после рождения. К этому времени созревают все центральные и периферические механизмы функциональной системы, обеспечивающей посто- янство газового состава крови новорожденного. Системогенез внешнего дыхания Наиболее полно изучено созревание подсистемы внешнего дыхания, которая входит в состав функ- циональной системы поддержания газового состава организма и может быть условно выделена в виде самостоятельной функциональной системы. Дея- тельность этой подсистемы обеспечивается сигнала- ми, поступающими с рецепторов сосудистого русла, дыхательных путей и легких, переработкой этих сигналов в структурах, лежащих в различных обла- стях головного мозга, и выходом ин<]х>рмации на :»<}х|)екторпый путь к дыхательным мышцам. В пре- натальный период у 8 14-недельного эмбриона че- ловека происходит избирательное и ускоренное со- зревание всех указанных структур. Это позволяет 12 13-недельному эмбриону производить нерегу- лярные движения вдоха, которые носят название «вздохов». Они продолжаются до 20 21-й недели и представляют собой вдохи судорожного характе- ра, сопровождаемые движениями рук, ног и голо- вы. Они возникают в ответ на частичную асфиксию при повышении содержания двуокиси углерода в крови плода. Активный выдох формируется па 21- 22-й неделе внутриутробной жизни и сопровожда- ется звуками типа чиханья или стона. В период с 21 й по 24-ю неделю у плода могут наблюдаться пе- риоды регулярных дыхательных движений, про- должающихся в течение суток и более. Они могут быть зарегистрированы как движения передней брюшной стенки беременной, ire совпадающие с пульсом и дыханием. Однако наиболее ценный материал по развитию дыхательной функции дают наблюдения над плодами, извлеченными из матки досрочно с помощью кесарева сечения по различ- 62
ным медицинским показателям. С 26-27-недельно- го возраста такой плод может дышать неопределен- но долгое время. Раннее созревание подсистемы внешнего дыхания обеспечивается ранней закладкой и ускоренным созреванием ее структурных элементов. У 3-недель- ного зародыша уже имеется закладка диафрагмы. Закладка легкого обнаруживается у зародыша дли- ной 6 мм. Весь нервно-мышечный аппарат функцио- нальной системы внешнего дыхания опережает в сво- ем развитии другие мышцы туловища и конечностей. Нервные центры спинного мозга, иннервирующие межреберные мышцы и диафрагму, развиваются зна- чительно быстрее, чем клетки, иннервирующие глу- бокие мышцы шеи, спины, туловища. Последние необходимы ребенку значительно позднее, когда надо держать голову, переворачиваться, поддерживать позу. Нервные центры спинного, продолговатого, среднего мозга и моста, обеспечивающие дыхание, созревают в первые месяцы пренатального развития. В дальнейшем связи между ними усложняются. Весь пренатальный период развития функци- ональной системы внешнего дыхания можно раз- делить па два этапа: • на первом этапе — рр 20-21-й недели— завер- шается созревание основной массы структурных элементов и появляется возможность к осуществ- лению единичных дыхательных движений; • на втором этапе - 21-24-й неделе — созревшие структуры объединяются (консолидируются) в еди- ную функциональную систему, в результате чего появляется способность к ритмическому дыханию. Чем более совершенными становятся нервные связи, тем более ритмичным делается дыхание. Если сравнить дыхание плода или недоношенного ребенка с дыханием своевременно родившегося ре- бенка, следует отметить у недоношенных детей меньшую регулярность и ритмичность дыхания. Первый ВДОХ К моменту рождения функциональная система новорожденного внешнего дыхания структурно уже оформлена и го- това к осуществлению своей функции. Началом ее работы является первый вдох новорожденного. Условием его возникновения является возрастание возбудимости дыхательных структур среднего и продолговатого мозга, в первую очередь за счет 63
повышения содержания в крови двуокиси углеро- да. В момент рождения ребенок получает множе- ство сенсорных возбуждений при прохождении по родовым путям: при смене температуры, давления, при изменении положения тела и др. Перевязка пу- повины ведет к резкому падению содержания кис- лорода в крови и увеличению содержания двуокиси углерода. Это действует возбуждающе на хеморе- цепторы сосудов и на сами клетки дыхательного центра. В результате огромного притока импульса- ций и при нарастании асфиксии резко повышается возбудимость центральных структур, и в первую очередь ретикулярной формации среднего и про- долговатого мозга. В этих условиях пробуждаются автоматические свойства клеток дыхательного цен- тра продолговатого мозга и возникает ритмическое дыхание. В постнатальный период продолжают дозревать звенья функциональной системы дыхания, связан- ные со становлением психической деятельности ребенка, в частности со способностью к его произ- вольному контролю. Родовой акт в системогенезе плода На примере формирования дыхательной функции хорошо видно, что акт рождения является критиче- ским моментом в жизни человека и животного. Акт рождения вызывает критическую перестройку дея- тельности мозга и вегетативных функций плода, стабилизацию его сердечной деятельности и актив- ное включение созревших в пренатальном периоде, но еще не функционировавших внешних звеньев функциональных систем дыхания и питания. В процессе родов у плода доминирует особая, иерархически построенная функциональная систе- ма рождения. Как подсистемы, в нее включаются система внешнего дыхания и система поддержания кровяного давления. Деятельность ее продолжается в течение часа после рождения (рис. 21). Резкая смена температуры, изменение положения головы и тела, тактильные, мышечные раздражения и из- менения химического состава крови, повышающие возбудимость дыхательного центра, одновременно действуют на соседний сосудодвигательный центр и центр блуждающего нерва. Дыхание появляется только при определенном уровне кровяного давле- ния. Появление дыхания может провоцироваться 64
тактильными раздражениями и извлечением голо- вки плода из околоплодной жидкости. Начало ды- хания сопровождается значительным учащением сердцебиений, повышением кровяного давления и десинхронизацией электрической активности коры мозга. Необходимость достижения полезного ре- зультата — выживания организма в условиях воз- душной среды — строит новую функциональную систему рождения из полностью созревших к этому времени элементов. Меняются экологические усло- вия, и тут же организм включает новые функцио- нальные системы. -► КРОВЯНОГО РАБОТА ДЫХАТЕЛЬНОЙ - МУСКУЛАТУРЫ (ПЕРВЫЙ ВХОД) УЧАЩЕНИЕ ' СЕРДЦЕБИЕНИЙ Рис. 21. Динамика системных процессов, обеспечивающих первый вдох новорож- денного ДАВЛЕНИЯ ПОВЫШЕНИЕ Избирательный и гетерогенный рост структур за- родыша охватывает, таким образом, разные органы и не связан с созреванием целого организма, как это постулирует теория морфогенеза. В процессах созревания функциональных систем между часто еще не совсем созревшими различными органами и тканями и даже их закладками устанавливаются многообразные нейрогуморальные связи, обеспечи- вающие адаптивную деятельность соответствую- щих функциональных систем и в целом — выжи- вание новорожденного. Морфофункциональное изучение функциональ- ных систем в эмбриональный период позволило вы- делить три основных принципа их формирования: 1) принцип гетерохронии развития; 2) принцип консолидации элементов в функцио- нальную систему; 3) принцип минимального обеспечения формирую- щейся функции. 3—2929 65
Внутрисистемная гетерохрония Различают внутрисистемную и межсистемную гетерохронию развития. Внутрисистемная гетерохрония разви- тия представляет собой неодновременную закладку и различные темпы созревания отдельных фраг- ментов одной и той же функциональной системы. Например, у мальков некоторых костистых рыб выпадает хрящевая стадия развития позвоночника. Мягкая соединительная ткань сразу превращается в костную. Это ускоряет созревание мальков и спо- собствует их лучшей выживаемости. У других ви- дов рыб брюшные плавники приобретают большее значение в плавании и начинают развиваться уско- ренно по сравнению с другими органами. При этом ускоряется развитие соответствующих мышечных, нервных и центральных аппаратов. При созревании пищевой функциональной систе- мы гнездовых птиц в первую очередь оказываются готовыми мышцы, поддерживающие шею и рас- крывающие клюв, и их иннервация. Опорные мыш- цы туловища и крыльев к этому времени еще не способны функционировать так же, как и зритель- ные структуры, которые в дальнейшем обеспечат зрительное восприятие обстановки. Их дальнейшее дозревание, происходящее уже после вылупления птенцов, обеспечивает дальнейшее совершенствова- ние пищевой функциональной системы и ее полез- ный результат переход птенцов на самостоятель- ное питание. Внутрисистемная гетерохрония хеморецепторов и механорецепторов языка прослежена в функцио- нальной системе питания крысят и морских свинок. У новорожденных крысят хеморецепторы языка не развиты: вкусовые поры сосочков отсутствуют, ультра- структура вкусовых клеток не развита. Животное не об- наруживает вкусовой чувствительности даже на отверга- емые вещества. На 2-й неделе начинают гетерохронно развиваться хеморецепторы только той области, которая соприкасается с соском матери, но вкусовое восприятие еще отсутствует. Оно появляется лишь на 3-й неделе. Механорецепторы также избирательно развиваются толь- ко в области тех мышц, которые обеспечивают создание вакуума при сосании. В дальнейшем, после 3-й недели, происходит дозревание всего рецептивного поля. Морские свинки рождаются значительно более зрелы- ми, чем крысята. У них вкусовой аппарат имеет к момен- ту рождения небольшое число действующих вкусовых 66
сосочков. Это обеспечивает с момента рождения возмож- ность активного выбора пищевого вещества. В связи с более самостоятельным питанием морских свинок с мо- мента рождения дозревание их вкусового аппарата идет более ускоренными темпами и на 3-и сутки достигает такой же степени развитости, как у крысят на 3-й неделе. У обезьян и обезьяноподобных предков человека особое значение для выживания новорожденного приобрела функциональная система лазания и по- висания на деревьях и на теле матери. Раннее со- зревание элементов этой функциональной системы определило опережение ими развития соответству- ющих нервных и мышечных образований, обеспе- чивающих другие формы движения. Ускоренное созревание структур, связанное с лазанием и хвата- нием, сохранилось и у человека (рис. 22). Рис. 22. Раннее развитие функционал ьной системы лаза ния и хватания у человека (но К. В. Шулейкиной) Целостному формированию этой функциональной сис- темы предшествует появление элементарных Двигатель- ных актов: сгибание шеи, пальцев, предплечья. Эти пер- вые движения возникают у плода человека на 8-й, 10-й, 12-й неделях внутриутробного развития. Вместе с ранним созреванием мышц, сгибающих пальцы, в общем нервном стволе избирательно миелинизируются нервы, иннерви- рующие эти мышцы, и в спинном мозге на уровне VIII шейного сегмента ускоренно созревают нервные клетки, от которых отходят эти нервные волокна. 67
На 10-й неделе и позднее созревают клетки на уровне V шейного сегмента. От них отходят нервные волокна, регулирующие движения проксимальных мышц верхней конечности. В результате этого движения руки приобре- тают более сложную форму. Одновременно с избиратель- ным созреванием нервных клеток в спинном мозге к ним подрастают нисходящие волокна от вышележащих цент- ров продолговатого и среднего мозга. Так же избиратель- но и ускоренно созревая, они спускаются вдоль спинного мозга, поворачивают на уровне указанных сегментов спинного мозга под прямым углом и подрастают к нахо- дящимся здесь клеткам. Появление этих волокон совпа- дает со сроками созревания нервных клеток VIII и V сег- ментов (рис. 23). Клетки, дающие начало волокнам, Рис. 23. Схема структур и проводящих путей, участвующих в осуществлении хватательной реакции: 1 — тактильные рецепторы ладони; 2 - веточка срединного нерва; 3 — чувствительный нейрон задних рогов спинного мозга; 4 двигательные нейроны передних рогов спинного мозга; 5 -- мышцы- сгибатели пальцев; 6, 7 — нейроны ретикулярной формации ствола мозга МОСТ СПИННОЙ мозг спускающимся вдоль спинного мозга, находятся в ядрах ствола, в ядрах моста и продолговатого мозга. В то время как основная масса этих ядер представлена незрелыми клетками — нейробластами, ускоренно созревающие клетки выделяются из их числа более крупными разме- рами, большим количеством цитоплазмы, большей про- зрачностью и величиной клеточного ядра. Закономерности внутрисистемной гетерохронии могут быть прослежены и на примере формирования 68
Межсистемная гетерохрония Химическая гетерохрония функциональной системы сосания. В центральной нервной системе первоначально созревают клетки, волокна которых в составе лицевого нерва направля- ются к сосательным мышцам. Одновременно созрева- ет сосательная мускулатура. Лицевой нерв плода человека уже на 4-е сутки эмбриогенеза имеет кон- тактные образования на сосательных мышцах. Даль- нейшее дозревание структур и связей делает поведен- ческий акт сосания более тонким и градуальным. Межсистемная гетерохрония развития определяет опережающее развитие одних функцио- нальных систем по отношению к другим. В прена- тальном онтогенезе опережающе созревают те функ- циональные системы, которые обеспечивают ново- рожденному выживание сразу после рождения. В индивидуальном развитии головастика лягушки на смену функциональной системе плавания приходит функ- циональная система прыжка в связи со сменой водной среды обитания на сухопутную. В связи с этим в опреде- ленный момент времени начинается развитие передних и задних конечностей и одновременно начинается диффе- ренцировка нейробластов III—IV и VIII—IX сегментов спинного мозга, которые ранее отставали в своем разви- тии от других нервных клеток. В дальнейшем нервные отростки этих клеток врастают в мышцы конечностей и обеспечивают их иннервацию. Нервные элементы III— V сегментов спинного мозга имеют преимущественное сродство к мышцам передних конечностей, а нервные элементы VIII--IX сегментов — к мышцам задних конеч- ностей. У человека избирательно и ускоренно на различ- ных уровнях спинного и головного мозга созревают группы клеток и волокон, которые обеспечивают после рождения наиболее ранние функции организ- ма: хватание, сосание, дыхание. Функциональные системы, обеспечивающие эти акты, вступают в ра- боту ранее, чем другие функциональные системы, например обеспечивающие плавание или ходьбу. Органную системную гетерохронию развития опре- деляет химическая гетерохрония, которая появля- ется у эмбриона еще на ранней стадии нервной пла- стинки, когда различные участки нейрональной за- кладки уже проявляют неоднородность характера обмена веществ. Химическая гетерогенность одно- родной ткани может быть выявлена методами гис- тохимии. 69
Химическая гетерогенность органов Химическая гетерогенность сохраняется в те- чение всего дальнейшего развития организма и усложняется. Это доказывается опытами на нерв- но-мышечном синапсе. Яд кураре парализует нервно-мышечный синапс и де- лает неактивной мышцу при раздражении ее нерва. Если подействовать кураре на позднюю личинку аксолотля, то его плавательные движения будут парализованы за счет выключения проведения возбуждения с нерва на мышцу. Однако помещение в кураре личинки на 5 сут. раньше не влияет на ее двигательную активность. На протяжении этих пяти дней можно проследить, как парализующее действие кураре постепенно начинает захватывать раз- личные группы мышц и плавание постепенно нарушает- ся. В ходе индивидуального развития химическая чувст- вительность мышечных синапсов к кураре меняется. Эти изменения протекают с различной скоростью в разных мышечных элементах. В развитии высших центров мозга — клеток ко- ры больших полушарий можно выделить стадии, когда они оказываются по-разпому чувствительны- ми к активным химическим веществам и лекарст- венным препаратам. В то время как одни группы клеток приобретают чувствительность к этим веще- ствам, другие ее еще не имеют. Химические особенности клеток регулируются особенностями их генетического аппарата. Если ка- кая-либо группа клеток начинает синтезировать ка- кой-либо фермент, а другая группа клеток одновре- менно синтезирует белок-рецептор этого фермента, это значит, что генетические аппараты этих клеток работают согласованно. Поскольку клеточные системы, развивающиеся син- хронно, располагаются в различных участках тела эмбриона и в разных органах, то в одном и том же органе располагаются клетки разных функциональ- ных систем. Согласно этому, клетки одного и того же органа могут быть разделены на гетерогенные груп- пы. Гетерохрония их развития создает фрагмента- цию органа или ткани на отдельные участки, при- надлежащие разным функциональным системам. Каждый из участков имеет генетическую програм- му, по которой он должен начать свое созревание в определенный момент эмбриогенеза. За счет этого в разных участках развивающегося эмбриона возни- 70
Консолидация функциональных систем кают очаги дифференцировки, которые опережают в своем развитии соседние участки ткани. Объединение синхронно развивающихся клеток в функциональные системы происходит на основе их функциональной значимости. Общая генетическая программа и клеточное сродство возникают на осно- ве естественного отбора именно тех функциональ- ных систем, которые приобрели приспособительное значение в процессе эволюции. Закрепляются те связи между клетками и те временные параметры их развития, которые оказались наиболее удачными для осухцествления функции. Естественный отбор, как стабилизирующий фактор, закрепил опреде- ленную генетическую программу развития и объе- динения клеток. Системогенетическое развитие включает еще одну важную закономерность — консолидацию элемен- тов функциональных систем в онтогенезе. Она состо- ит в том, что как только в процессе развития компо- нентов функциональных систем происходит созрева- ние их целостной организации, обеспечивающей приспособительную функцию, в них осуществляется реорганизация структурно-функциональных отно- шений и акценты переносятся на те структурно-фун- кциональные связи, которые обеспечивают достиже- ние полезных для развивающегося организма при- способительных результатов. При этом происходит объединение дистантно расположенных элементов в различные функцио- нальные системы. Эта закономерность отчетливо проявляется, например, при формировании функциональной системы прыжка морской свинки. Первые двигательные реакции на так- тильные и электрокожные раздражения наблюдаются у плодов морских свинок в возрасте 28 30 дней. Они за- ключаются в движении головы и шеи в сторону пункта раздражения с одновременным вовлечением передних ко- нечностей. Задние конечности в реакцию пока не вступа- ют. Таким образом, на ранних этапах развития плода морской свинки передние конечности с их иннерва- цией опережают в своем развитии задние конечности. Это вполне соответствует известному для высших позвоноч- ных и человека закону антеро-дорсального и проксимо- дистального развития. Согласно этому закону, закладка и развитие передних конечностей у высших животных происходят ранее, чем задних. Части этих конечностей, ближайшие ’ к центру тела, развиваются раньше, чем 71
более удаленные. У морской свинки задние конечно- сти включаются в общую двигательную реакцию на 32- 35-й день. Как следствие этого появляется характерная реакция прыжка, и с этого момента задние конечности начинают преобладать по своему функциональному раз- витию над передними. Реакция прыжка представляет собой резкое отталки- вающее движение задних конечностей при одновремен- ном выбрасывании вперед передних конечностей. Ее фи- зиологическая роль в период внутриутробного развития сводится к изменению положения тела в матке, что спо- собствует правильному кровоснабжению плода и, следо- вательно, его выживанию. Функциональное значение за- дних конечностей возрастает как раз в тот момент, когда к ним подрастают отростки клеток, расположенных в стволовой части мозга и идущие в виде нисходящего пути в спинном мозге. Центральные влияния из стволовой части мозга оказываются в данном случае консолидиру- ющим фактором. Вышележащие отделы центральной нервной системы, связываясь в первую очередь с центра- ми спинного мозга, иннервирующими нижние конечно- сти, определяют тем самым ведущую функциональную роль для выживания эмбриона. В начале развития сег- ментов спинного мозга морской свинки действует закон антеро-дорсального развития (он иначе называется «зако- ном осевого градиента»). Плечевые сегменты закладыва- ются и дифференцируются ранее, чем люмбальные, хотя и те и другие гетерохронно ускоряют свое развитие по сравнению с другими структурными образованиями спин- ного мозга. Однако как только нисходящие пути из ствола мозга дорастают до плечевых и люмбальных сегментов, последние под влиянием высшей интеграции сразу при- обретают ведущую роль в функциональной системе прыжка. Градиентный путь развития сменяется систем- ным развитием. Произошла консолидация функцио- нально связанных элементов: мышц, спинномозговых элементов, центров ствола головного мозга, их объедине- ние для достижения конкретного приспособительного результата. Таким образом, под консолидацией функциональ- ной системы в процессе индивидуального развития следует понимать критический момент объединения центральных и периферических компонентов, сопро- вождаемый установлением их системной значимости в конкретном поведенческом акте для достижения жизненно важного для организма результата. В развитии хватательной реакции эмбриона че- ловека также имеет место явление консолидации и консолидирующее влияние вышележащих нерв- ных образований. 72
У 8-недельного эмбриона иннервация мышц плечевого пояса и рук, так же как и развитие самих мышц, сначала идет в проксимо-дистальном направлении. В эмбриогене- зе раньше развивается плечо, затем предплечье, а потом кисть. Но как только на стадии 12-14-й недель нейроны стволовой части головного мозга связываются своими отростками с нейронами плечевых сегментов спинного мозга и начинают контролировать их работу, проксимо- дистальные отношения радикально изменяются. Спуска- ющиеся вдоль спинного мозга волокна первичного пучка уже на 11-й неделе дают самое первое ответвление на уровне VIII сегмента и связываются в первую очередь только с клетками, иннервирующими сгибатели пальцев и мышцы кисти. Приспособительные флексорные движе- ния пальцев получают интегрирующее влияние из цент- ров еще до развития иннервации плечевой и туловищной мускулатуры. Совпадение момента появления хвататель- ного движения с моментом прорастания нисходящих во- локон указывает на то, что это движение с самого начала обуславливается не только деятельностью спинального уровня нервной системы, но связано с различными ее уровнями, т. е. имеет системный характер. Существование градиентного пути развития на ранних стадиях эмбриогенеза является одним из проявлений биогенетического закона Геккеля — Мюллера. Согласно этому закону, эмбриогенез по- вторяет свойства филогенеза вида, его далеких предков. Градиентный характер системогенеза свидетель- ствует о том, что процесс развития высших живот- ных не всегда следует биогенетическому закону Геккеля — Мюллера. Процесс консолидации эле- ментов функциональной системы в онтогенезе у высших животных и у человека всегда носит изби- рательный системный характер, а не только следу- ет проксимо-дистальному градиенту развития, как это преимущественно наблюдается у низших животных, таких, например, как черви, планарии и др. Принцип консолидации элементов в функцио- нальных системах состоит, таким образом, в том, что формирующиеся в эмбриогенезе сначала дис- тантно и изолированно и функционирующие раз- дельно морфологические элементы объединяются в функциональные системы, как только достигаются их полезные для организма приспособительные ре- зультаты. 73
Результат как ведущий фактор консолидации функциональных систем Опережающие процессы пренатального системогенеза Ведущая роль в процессах консолидации функцио нальных систем принадлежит полезным приспосо бительным результатам. Специальные исследования показали, что дости жение результата через обратную афферентацию существенно изменяет свойства генома нейронов мозга. У животных, ранее обученных удовлетворению потребности, т. е. достижению полезных приспосо- бительных результатов, активируемый потребно- стью и мотивацией белоксинтезирующий аппарат генома начинает экспрессировать специальные бел- ковые молекулы, организующие эффекторную дея- тельность соответствующих функциональных сис- тем. Так, при поедании животными пищи в ответ на электрическое раздражение «центров голода» латерального гипоталамуса изменяются свойства белоксинтезирующего аппарата генома мозга. При очередном возникновении мотивации голода белок- синтезирующий аппарат нейронов начинает про- дуцировать специальные белковые молекулы, уча- ствующие в организации пищевого поведения. Образование этих молекул начинает подавляться блокаторами синтеза белка, например циклогекси- мидом. Заблокированное циклогексимидом пи- щевое поведение у кроликов при электрическом раздражении латерального гипоталамуса восстанав- ливается, если животным дополнительно в боковые желудочки мозга вводится пентагастрин. Заблоки- рованное циклогексимидом поведение самораз- дражения восстанавливается у кроликов и после дополнительного введения в боковые желудочки мозга АКТГ4 io- Оборонительная реакция, наблю- даемая у кроликов при электрическом раздраже- нии вентромедиального отдела гипоталамуса, вос- станавливается при введении на фоне действия циклогексимида брадикинина. Оценивая в целом процессы пренатального системо- генеза, следует подчеркнуть, что они направлены в первую очередь на опережающее созревание у плода функциональных систем, обеспечивающих те пока- затели гомеостазиса, которые необходимы к момен- ту его рождения. Сначала эти процессы определяют- ся функциональными системами организма матери, которые обеспечивают у плода поддержание на опти- 74
Пренатальный системогенез движения Принцип минимального обеспечения функций мальном уровне таких показателей гомеостазиса, как уровень питательных веществ, соотношение со2 газов -г-—, реакцию (pH), осмотическое давление, '-’2 температуру, кровяное давление и выделение избы- точных продуктов жизнедеятельности. К моменту рождения у плода млекопитающих и человека созре- вают функциональные системы, обеспечивающие своей деятельностью газовый гомеостазис, процессы питания и выделения. В процессе пренатального системогенеза у животных созревают механизмы движения. Созревание механизмов движения в пренаталь- ном онтогенезе тоже происходит гетерохронно. У от- дельных животных (птицы, млекопитающие) меха- низмы движения полностью созревают к моменту рождения. У обезьян и человека плод рождается с еще только созревающими элементами двигатель- ной функции. Это так называемые двигательные автоматизмы. Характерной чертой пренатального системогене- за плода является созревание двигательных функ- ций навстречу экологическим факторам. Ярким примером этого является избирательное созревание у новорожденного кенгуру двигательного аппарата, обеспечивающего ему сразу после рождения воз можность надежного перемещения в сумку матери, где происходит его дальнейшее дозревание. В процессе пренатального онтогенеза процессы гетерохропного созревания отдельных органов не- редко обеспечивают самый минимум входящих в функциональную систему элементов и процессов, определяющих необходимый в определенных эко- логических ситуациях полезный приспособитель- ный результат. Этот принцип системогенетическо- го становления функциональных систем получил название принципа минимального обеспечения функций. Созревающая функциональная система начинает работать задолго до того, как все ее структурные компоненты оказываются окончательно оформлен- ными. Недоношенный плод человека массой 560 г проделывает координированные сосательные дви- жения и высасывает до 10 см молока. Это указывает 75
на то, что консолидация функциональной системы сосания у него уже произошла. Но у нормального, доношенного ребенка акт сосания совершается со значительно большей силой и сопровождается более сложными движениями. Стало быть, у плода чело века первоначально объединяется в функциональную систему лишь минимальное число компонентов, которые могут обеспечить целостный полноценны!! акт сосания. В функциональной системе внешнего дыхания к моменту рождения тоже работает лишь часть входящих в нее центральных структур. Феномен минимального обеспечения функции можно про следить на примере любого двигательного акта человека и высших позвоночных, который, как правило, начинается при консолидации минималь- ного количества созревших нервных и мышечных элементов. Это относится к таким движениям, как поворот шеи, поддержание головы, поворот тулови- ща, прыжок, которые входят в состав различных функциональных систем. Принцип минимального обеспечения функции имеет несомненное приспособительное значение. Основные поведенческие акты человека и животно- го после рождения: его двигательное, пищевое, обо- ронительное поведение — должны обеспечить ему выживание и, следовательно, приспособленность к основным параметрам внешнего мира. Эта приспо- собленность закреплена генетически в результате естественного отбора из поколения в поколение. Структурные компоненты, обеспечивающие ран- ние поведенческие реакции, таким образом, опе- режающе созревают в пренатальный период, до непосредственного соприкосновения с внешними раздражителями. В то же время функциональные системы к мо- менту рождения обладают достаточным запасом не- зрелых клеточных элементов. Их созревание проис- ходит под непосредственным влиянием внешней среды и обеспечивает более тонкое приспособление функций к внешней среде. Число входящих в функциональную систему компонентов может увеличиваться по мере со- вершенствования деятельности функциональных систем и снова уменьшаться при автоматизации их деятельности. 76
Примером гетерохронного и минимального созревания компонентов функциональной системы сосания является становление соотношений между клетками тройничного и лицевого нервов, которые закладываются уже на стадии незакрытой нервной трубки. В этот период избирательно и ускоренно созревают только те структуры черепно-моз- говых нервов, которые обеспечивают созревание функ- циональной системы сосания к моменту рождения и тем самым обеспечивают выживание новорожденного. Нерв- ные волокна, идущие к сосательной мышце, обеспечива- ющей наиболее ответственный момент сосания — вакуум, к моменту рождения оказываются уже миелинизирован- ными и образовавшими синаптическую связь с мышеч- ными волокнами сосательной мышцы. В то же время другие волокна лицевого нерва, иннервирующие, напри- мер, лобные мышцы, не имеют еще миелинизации и синаптических образований. Все это еще раз указывает на то, что в процессе эмбриогенеза орган не созревает одновременно и равномерно как целое. Созревают избирательно и ускоренно только те части и структуры органов, ко- торые необходимы для осуществления жизненно важных функций животных сразу же после рожде- ния. Следовательно, процесс развития эмбриона радикально отличается от того, что предполагает понятие «органогенез», постулирующее более или менее равномерное созревание органов в целом. Си- стемогенез предполагает гетерохронное и избира- тельное созревание часто очень удаленных друг от друга анатомических структур, которые сначала за- кладываются и развиваются изолированно, а впос- ледствии консолидируются, образуя динамическую функциональную систему, обеспечивающую полез- ные приспособительные результаты деятельности плодов и новорожденных. Системогенез Наиболее значимым компонентом функциональ- нервной ткани ных систем, избирательно созревающих в организ- ме, является центральная нервная система. Эле- менты центральной нервной системы, включаясь в различные функциональные системы, осуществля- ют сложные процессы интегрирования их деятель- ности в целом, регулируя пространственно-времен- ные соотношения входящих в них элементов. Как правило, нервные центры, обеспечивающие различные функции, нередко закладываются и со- зревают по времени раньше, чем закладывается и созревает иннервируемый ими субстрат. 77
Фрагментация органов Рис. 24. Схема фрагментации органов функциональной системы, необходимых для се функционирования (но II. К. Анохину): • — фрагменты системы, уже вступившие в стадию консолидации; О фрагменты, еще не имеющие функционального контакта Роль генома в пренатальном системогенезе Избирательное и гетерохронное созревание компо нентов функциональных систем определяет еще один важный принцип системогенеза — принцип фрагментации органов в процессе эмбрионального развития. При включении в различные функцио нальные системы могут избирательно включаться только части органа, его отдельные элементы. В дру гие же функциональные системы эти же органы включаются своими другими элементами. Вследст- вие этого в деятельности включенных в функцио- нальные системы органов проявляется структурная (пространственная) и функциональная гетерохрония (рис. 24). Направляющим фактором пренатального системо- генеза является геном эмбриона и плода. Геном определяет сроки и темпы экспрессии определен ных биологически активных веществ и остановку их действия на разных стадиях пренатального онтогенеза плода. Экспрессируемые геномом био логически активные вещества определяют диф ференцировку тканей и их функционирование. В свою очередь, растущие ткани, продуцируя опре деленные биологически активные вещества, влия ют на активность генома, очень тонко контроли- руют и корригируют его. В этом плане особо важ ная роль принадлежит организму матери. Проду- цируемые тканями матери и плода биологически активные вещества, и в частности — гормоны и 78
олигопептиды, осуществляют синхронизацию ак- тивности генетических механизмов у плода в разных тканях. Именно эти процессы определяют гетерохро- нию закладок и темпов развития различных струк- турных образований и функциональных проявлений зародыша. Системная Отдельные, особенно эффекторные, компоненты синхронизация развивающихся функциональных систем могут функций проявлять ритмическую активность. Это — сердце- биение, дыхание, моторика желудочно-кишечного тракта, импульсная разрядная деятельность от- дельных нейронов мозга. При включении в разные функциональные систе- мы наблюдается синхронизация ритмов входящих в них элементов с соответствующим полезным для организма приспособительным результатом. Ритмическая деятельность органов, включенных в деятельность различных функциональных систем, отражает состояние их адаптивных результатов деятельности. В этом проявляется голографический принцип организации функциональных систем. Между различными функциональными системами в процессе эмбрионального развития тоже устанав- ливаются корреляционные соотношения ритмов их деятельности. Молекулярно- Отдельные эмбриональные клетки, расположенные генетический дистантно, но обеспечивающие одну конечную системогенез функцию организма, имеют синхронизированную во времени генетическую программу развития. Эти механизмы обеспечивают синхронное включение в работу определенных генных локусов. Установлено существование системы генов в пределах одной клетки и в пределах геномов различных клеток, а также возможность онтогенетических перестроек генетического аппарата. Подтверждением генетической детерминации функци- ональных систем является избирательное становление нейрональных связей в культуре нервной ткани. Выделе- ны две основные формы образования контактов между развивающимися нервными клетками. При одной форме процессы морфогенеза жестко детер- минированы генетическим аппаратом клетки. В этом слу- чае ориентация клеток по отношению к соседним элемен- там, пути их миграции и рост отростков строго определе- ны процессами ядерного синтеза. В конце своего пути 79
аксоны таких клеток обычно встречают клетки-реципи енты, мембрана которых компетентна к образованию межклеточных контактов. Другая форма клеточного поведения развивающихся нейронов детерминирована факторами внешней среды В этом случае клетки мигрируют, и их отростки при росте «ищут» адекватную ткань. Активный поиск допускает отступление от строгой пространственной детерминации клеточных систем. Происходит активное адаптивное вое приятие клетками химических, механических и электри ческих факторов среды. Контакты активно образуются со специальными клетками. Периоды адаптивно и жестко детерминированного по- ведения одной и той же клетки могут чередоваться во времени. Пространственно-временное жесткое и адаптив- ное поведение различных клеток в конечном итоге создает определенные клеточные объединения. Клеточная основа функциональных систем формируется до того, как эти системы начнут выполнять свои конечные приспособи- тельные функции. Для каждого вида животного имеется свой ха- рактерный для его экологии набор наиболее уско- ренно созревающих функциональных систем, обес- печивающих оптимальное выживание, т. е. свой специфический системогенез. Уже сейчас в ряде исследований раскрыт ме- ханизм генетической детерминации отдельных функций от специальных генов и экспрессии специ- альных олигопептидов. Наиболее впечатляющими в этом плане являют- ся эксперименты Р. Шеллера с соавт., которым у апплизии удалось выделить ген, экспрессирующий белковые факторы, организующие в процессе созре- вания поведение откладывания яиц. 1.4.2. Постнатальный системогенез Постнатальный системогенез составляет существен- ный раздел теории системогенеза. Процессы пост- натального системогенеза определяют развитие детеныша после рождения и характеризуются вы- раженным избирательным его приспособлением к условиям существования, его избирательным созре- ванием навстречу экологическим факторам. Каж- дый вид живых существ имеет к моменту рождения качественные особенности приспособительных ре- акций. У одних животных жизнь новорожденного полностью зависит от родителей (высшие обезьяны, 80
Системогенез поведенческих актов человек), у других — процессы эмбриогенеза пол- ностью подготавливают их к самостоятельной жиз- ни сразу после рождения. В последнем случае про- является инстинктивная деятельность, когда все этапы поведения от возникновения потребностей до их удовлетворения развертываются на основе гене- тически детерминированных механизмов. Внешние средовые факторы при этом играют только пуско- вую (ключевую) роль релизоров поведения. У высших животных к моменту рождения созре- вает ориентировочно-исследовательская деятель- ность и только небольшой набор генетически детер- минированных биологических мотиваций: страха, голода, сна и позывов. На этой основе с помощью родителей, а затем самостоятельно, в играх и в процессах взаимодей- ствия с природными условиями осуществляется обучение новорожденных средствам и способам удовлетворения их ведущих потребностей. По мере созревания соответствующих внутренних механиз- мов и под влиянием факторов окружающей среды набор биологических мотиваций возрастает (у жи- вотных — мотивации агрессии, половые, темпера- турные, а у человека — еще и многочисленные социальные мотивации). В реализации этих моти- ваций по сравнению с мотивациями, сформирован- ными на поздних стадиях пренатального и раннего постпатального онтогенеза, значение внешних фак- торов в их организации становится более сущест- венным. Примером этому являются мотивации агрессии и страха, а также половые мотивации, которые формируются под влиянием либо незнако- мого животного, либо полового партнера. Под влиянием обучения и познания социальных норм поведения у человека формируются разнооб- разные социальные мотивации, направленные на получение знаний, умений, на творчество, эстетиче- ские удовольствия и т. д. В процессе индивидуального развития человека и животных происходит усовершенствование двига- тельных навыков, ведущих к удовлетворению их различных потребностей. При этом совершенству- ются средства достижения полезных приспособи- тельных результатов, механизмы принятия реше- ний и предвидения свойств потребных результатов. 4-2929 81
Процессы системогенеза поведенческих актов лежат в основе формирования динамических сте- реотипов. Системогенез поведения у человека включает и процессы избирательного становления функцио- нальных систем психического уровня организации. Возрастной Каждый возрастной период жизни человека и жи- системогенез вотных характеризуется своими особенностями становления и элиминации определенных функ- циональных систем. Принято говорить о «критиче- ских» периодах развития. Критические периоды характеризуются определенной устойчивостью или, наоборот, предрасположенностью тех или иных функций к действию на организм патогенных факторов. В постнатальный период начинают действовать функциональные системы, сформировавшиеся до рождения. В связи с тем, что они развивались гете- рохронно еще в пренатальный период и к моменту рождения достигли разной степени зрелости, вступ- ление этих систем в функцию происходит также последовательно. Первыми вступают в функцию функциональные системы, поддерживающие посто- янство внутренней среды организма. Сразу же после рождения начинает действовать функциональная система питания. Постепенно усложняются функциональные системы двигатель- ных поведенческих актов: хождения, плавания, прыжка, лазания и др. Степень их сложности у но- ворожденных зависит от того, насколько зрелыми они появляются на свет. У новорожденных живот- ных и человека отсутствует оборонительное поведе- ние. Оборонительная функциональная система вступает в действие в первые месяцы жизни. Все врожденные функциональные системы при вступлении в действие проходят три этапа: 1) этап функционирования по принципу мини- мального обеспечения, когда система строится из минимума компонентов, созревших к момен- ту рождения; 2) этап, когда в функциональную систему включа- ется ряд дополнительных компонентов, также созревших до рождения и участвующих в запе- 82
чатлении способа достижения полезного при- способительного результата; 3) этап, когда происходит полное дозревание мор- фологических элементов, позволяющих воспри- нять самые разнообразные параметры внешнего мира. Структура функциональных систем усложняет- ся, число взаимодействующих элементов в них уве- личивается. Помимо врожденных компонентов, в функциональные системы включаются компоненты приобретенных реакций. Начинают действовать та- кие факторы, как обучение и индивидуальный опыт. Наиболее поздно, по сравнению с другими функ- циональными системами, созревает функциональ- ная система полового поведения. В развитии каждой функциональной системы имеется стадия, которая жестко определяется гене- тической программой, и стадия, когда система адаптируется и фактор обучения начинает играть существенную роль в ее дозревании. В тех случаях, когда онтогенез организма достаточно затянут, как, например, у человека, его чувствительность к внешним воздействиям будет повторно изменяться, в зависимости от того, проходит ли доминирующая в данный момент функциональная система через стадию жестко генетически программированную и относительно не зависимую от изменений факторов внешней среды, или через стадию адаптации к из- менениям среды и обогащения акцептора результа- та действия. Это является причиной выделения особых сен- сорных или адаптивных периодов в онтогенезе человека. Такие сенсорные периоды отмечаются в возрасте от момента рождения до 5 лет; с 7 до 10 лет ис 1 5 до 17 лет. В функциональных систе- мах различных поведенческих актов в эти периоды отмечается повышение общей возбудимости, а так- же снижение порогов реакции на зрительные, слу- ховые и други^ раздражения. Наряду с этим выделяются периоды, когда чувст- вительность к внешним стимулам оказывается сравнительно пониженной. Это возрастные перио- ды с 5-го по 7-й год, с 10-го по 15-й год и с 18-го по 20-й год. 83
Повышение порогов на внешние раздражители в эти периоды говорит о том, что ведущие функ- циональные системы строятся в данные периоды в основном под влиянием жесткой генетической про- граммы. Популяционный Объединение отдельных особей в стадо существен- СИСТемогенез но изменяет деятельность их индивидуальных функциональных систем. Отдельные особи популя- ции животных вступают в контакт друг с другом. Основной вид взаимодействий, которые начинают проявляться в ранний постнатальный период, — это игровые и агрессивные взаимодействия. В ре- зультате повседневного взаимодействия устанавли- вается структура группы животных: выделяются лидер, доминирующие особи, нейтральные особи и подчиненные особи. Полезным приспособительным результатом такой системы является поддержание жизнеспособности целой группы животных и ее относительной устойчивости. В результате этого выживаемость отдельной особи становится зависи- мой от ее значения для выживания группы. В ин- тересах сохранения структуры группы отдельные особи могут погибать или изгоняться из группы, если они окажутся слишком слабыми или некон- тактными. Структура группы зависит от вида животного. Известны объединения стадных животных: овец, оленей, маралов н других, которые включают сотни особей. Другие животные живут значительно мень- шими группами: обезьяны, слоны, некоторые ко- пытные. В хозяйственных целях животные, ведущие ин- дивидуальный образ жизни, могут быть объеди- нены в искусственные группы. В этом случае во взаимоотношения с группой животных вступает человек. Включаясь, например, в группу разви- вающихся лосят, человек может стать лидером, объединяющим всю группу. Групповые взаимоотношения, которые создаются между особями, объединенными в одну популя- цию, — это новое направление системогенеза — по- пуляционный системогенез. В популяционных взаимоотношениях сущест вует явление акселерации. Под этим термином 84
Парные отношения Синхронизация функциональных систем в групповом онтогенезе понимается ускорение развития отдельных особей в интересах выживания вида. Примером могут служить закономерности развития, которые отмечаются в семье птицы мухоловки-пеструш- ки. Птенцы мухоловки-пеструшки вылупляются в тече- ние двух суток. Те из них, которые появились на свет раньше, сначала опережают в своем развитии тех, кото- рые вылупились позднее. Однако к моменту вылета из гнезда степень зрелости пищевой и оборонительной функ- циональных систем, а также функциональной системы вылета из гнезда у всех особей оказывается одинаковой. Птенцы, вылупившиеся позднее, проходят свое развитие во время гнездового периода несколько быстрее и к мо- менту вылета догоняют тех, которые вылупились из яйца раньше. Это обеспечивает одновременность вылета, что важно для выживания потомства. Одновременность вы- лета является тем полезным приспособительным резуль- татом, который ускоряет развитие отдельных особей. Особым видом групповых взаимоотношений явля- ются парные отношения между животными. Пар ные отношения служат основой формирования групповых взаимоотношений. Примером парных взаимоотношений является отношение матери и но ворожденного, а затем матери и детеныша. У взрос лой лосихи-матери ко времени появления потомст- ва созревает функциональная система материнства. В нее включаются все те нейрогуморальные и желе- зистые образования, которые участвуют в продуци- ровании и отдаче молока, в контактном и дистант- ном взаимодействии с новорожденным. Для дея- тельности этой функциональной системы имеют значение те сигналы, тактильные и звуковые, кото- рые поступают от детеныша. Функциональная сис- тема материнства является сложной и иерархиче- ской по своей структуре. В качестве подсистем в ее состав входят другие функциональные системы: пищевая, оборонительная, игровая, компоненты этих систем участвуют в организации материнского поведения. Полезным приспособительным резуль- татом данной системы является обеспечение выжи- вания потомства. При наличии доминантной деятельности популя- ции физиологические показатели особей, например дыхание и сердцебиение, синхронизируются. На основе синхронизации деятельности отдельных особей формируются функциональные системы 85
популяционного уровня. Избирательное объедине- ние отдельных особей в популяционные функцио- нальные системы имеет практическое значение. Как правило, сельскохозяйственные животные объединяются в функциональные системы часто не в соответствии с полезными для их жизнедеятель- ности результатами, а в соответствии с результата- ми (например, молокопродукция, шерсть и т. д.), полезными для человека. Это, в свою очередь, ча- сто приводит к нарушению естественных законо- мерностей популяционного системогенеза и к раз- витию у животных стрессорных состояний. 1.4.3. «Системокванты» системогенеза Благодаря периодически возникающим потребно- стям, особенно в пищевых (энергетических) вещест- вах, кислороде, в необходимости удаления вредных для жизнедеятельности продуктов метаболизма уже у одноклеточных организмов сложились пред- посылки активного воздействия на окружающую их среду с целью удовлетворения этих ведущих ме- таболических потребностей. Это привело к форми- рованию специальных функциональных систем мо- лекулярного уровня, обеспечивающих своей дея- тельностью оптимальный уровень ведущих показа- телей внутренней среды одноклеточных и аппарата движения, определяющего у них перемещение ме- таболических продуктов внутри организма, а также активное перемещение самих одноклеточных в ок- ружающей их среде. Для нормальной жизнедеятельности оказалось необходимым поддерживать метаболические пока- затели в пределах, не допускающих нарушения жизнедеятельности. Эту сторону жизнедеятельно- сти обеспечили процессы саморегуляции деятель- ности функциональных систем организма. Самой сущностью обмена веществ и адаптации к окружающей среде процессы жизнедеятельности в эволюции приобрели дискретную форму. Дискрет- ность жизнедеятельности, обусловленная возникно- вением метаболических потребностей и процесса- ми, ведущими к их удовлетворению, в процессе эволюции тесно связалась с активностью соответ- ствующих функциональных систем. 86
Другим важнейшим приобретением эволюцион- ного развития живых существ, также определив- шим дискретность их жизнедеятельности, оказа- лось включение в их деятельность и постоянное совершенствование быстрых энзиматических реак- ций, осуществляющихся в миллисекундные интер- валы времени. Наряду с пространственно-временным контину- умом окружающего мира сформировался быстроте- кущий химический континуум процессов жизнедея- тельности. Это, в свою очередь, явилось предпосыл- кой формирования опережающих действительные события процессов жизнедеятельности, с которыми живые существа могли активно сравнивать воздей- ствия внешних факторов и даже заранее подготав- ливаться к их действию. Создались предпосылки к активному программированию поведения. Програм- мирование поведения также приобрело в эволюции дискретную форму, будучи в каждом случае на- правлено на предвидение определенного результа- та, удовлетворяющего ведущую потребность орга- низма. В постоянных условиях жизнедеятельности про- граммирование приобрело жесткую форму и спо- собность передаваться по наследству путем запоми- нания жизненно важных воздействий. На этой ос- нове сформировалась генетическая детерминация функций. С другой стороны, в изменяющихся усло- виях существования сложились динамические про- граммы поведения. «Системокванты» Процессинг генов носит дискретный характер, генома В организации генома у высших организмов уста- новлены многочисленные, повторяющиеся последо- вательности ДНК. В геноме установлено три класса последовательностей: 1) сателлитная ДНК представлена простыми по- следовательностями длиной от нескольких нук- леотидов до нескольких сот их, повторением сотни тысяч, иногда и миллионы раз; 2) умеренно повторяющиеся последовательности, рассеянные по геному, образующие отрезки от нескольких сот до нескольких тысяч нуклеоти- дов; 87
«Системокванты» эмбриогенеза 3) уникальные последовательности, которые встре- чаются в геноме один или небольшое число раз. Именно различные последовательности наборов нуклеотидов могут экспрессировать биологически активные факторы, определяющие дискретные процессы жизнедеятельности. С другой стороны, гуморальный, в частности эндокринный, фон. со- здаваемый активностью геномов, в свою очередь, расчленяет деятельность геномов клеток организ- ма. Он определяет активацию или, наоборот, тормо- жение деятельности отдельных кодонов. Процессы эмбрионального и пренатального систе- могенеза осуществляются также поэтапно, путем последовательного раскрытия «системоквантов» наследственной информации генома эмбриона и ре- ализации этой генетически детерминированной ин- формации в организацию результативных процес- сов жизнедеятельности. Результативная жизнедеятельность эмбриона на разных стадиях развития прослеживается совер- шенно четко. • Первым «системоквантом» эмбриогенеза явля- ется процесс оплодотворения яйцеклетки. Этот «системоквант» заканчивается слиянием ядер сперматозоида и яйцеклетки и образованием зи- готы; • Второй «системоквант» завершается формирова- нием центросомы и расхождением разделенных хромосом; • Последующие «системокванты» связаны с этап- ным делением зиготы, вплоть до стадии образо- вания многоклеточной бластулы. Стадия ранней гаструлы завершается образованием экто-, мезо- и энтодермы. Стадия поздней гаструлы харак- теризуется образованием ранней нервной пла- стинки. Стадию ранней нейрулы завершает формирование выраженной нервной пластинки и полости первичной кишки. Стадия поздней нейрулы характеризуется замыканием нервной трубки. Дифференцировка первичной эктодермы завер- шается образованием нервной трубки, нервного гребня, ганглиозных пластинок, плакозы, кожной 88
«Системокванты» критических периодов развития плода эктодермы, прехордальнои пластинки, а также вне- зародышевой эктодермы. Дифференцировка мезодермы включает нес- колько результативных стадий: • Начиная с головного конца дорсальный отдел ее сначала подразделяется на сомиты. • В каждом сомите из наружной части дифферен- цируется дерматом и мезенхима, из внутрен- ней — источник хрящевой и костной ткани — склеротом мезодермы. • Из центральной части формируется миотом — источник скелетной мышечной ткани. • Из сегментных ножек (нефрогонотом) закладыва- ется эпителий почек и гонад. • Вентральная мезодерма (спланхнотом) расщепля- ется на два листка, из которых образуются на- ружные и серединные оболочки многих внутрен- них органов. Дифференцировка эктодермы завершается фор- мированием кишечной трубки, ротовой ямки, которая в будущем превращается в ротовое отвер- стие. Указанные дискретные процессы, по существу, завершают эмбриональное развитие плода. Затем в пренатальном онтогенезе начинается также по- этапное дискретное развитие специфических орга- нов и функциональных систем плода. С различными «системоквантами» эмбриогенеза связаны критические периоды развития. Приспособительными результатами деятельно- сти этих «системоквантов» в пренатальном онто- генезе человека являются оплодотворение, имп- лантация зародыша в стенку матки (7-8-е сутки развития), развитие осевых зачатков и формирова- ние плаценты (3-8-я неделя), формирование внеза- родышевых органов и установление гематотрофно- го типа питания (14-17-е сутки); обособление тела зародыша от внезародышевых органов (20-е сутки), ускоренный рост и развитие головного мозга (15- 20-я недели), формирование основных функцио- нальных систем и дифференцировка полового аппа- рата (20-24-я недели). 89
1.5. Функциональные системы - единицы интегративной деятельности организма Функциональные системы, отработанные длитель- ным эволюционным развитием живых существ, являются единицами интегративной деятельности организма. Если сравнить функциональные систе- мы различного уровня организации, то во всех этих системах можно выделить общие свойства: О Устойчивость результата деятельности системы, ко- торая достигается соответствующими механизмами саморегуляции. @ Постоянная оценка достигнутого результата с по- мощью обратной афферентации. © Наличие множественных исполнительных меха- низмов активного воздействия на результат. О Взаимосодействие отдельных элементов системы достижению полезного для системы результата. © Общая функциональная архитектоника. Кибернетические свойства функциональных систем Динамическая организация функциональных систем Каждая функциональная система воплощает в себе основные кибернетические принципы регуляции по конечному результату с обратными связями и ин- формационную оценку конечного результата. Зна- менательно, что общекибернетические закономер- ности в работе функциональных систем в процессе эволюции сложились за много миллионов лет до того, как ум человека обнаружил их в живых орга- низмах и в технических устройствах. Характерно, что активная деятельность функци- ональных систем в живых организмах обусловлена в первую очередь самой сущностью метаболических процессов, постоянным обменом веществ. Любые, даже саморегулирующиеся технические устройства пока еще представляют продукт деятельности чело- века, созданный для удовлетворения человеческих потребностей. Каждая функциональная система, даже та, которая складывается на генетически детерминированной основе, является динамическим образованием, фор- мируемым соответствующим результатом ее дея- тельности. При изменении параметров соответству- ющего результата, вызванном метаболическими процессами или изменениями окружающей среды, за счет обратной афферентации изменяются свойства акцептора результата деятельности соответствую- щей функциональной системы, и ее архитектоника 90
Г радуальное восприятие результата Взаимодействие нервной и гуморальной сигнализации о результате Динамическая мобилизация исполнительных органов перестраивается в направлении наиболее адекватно- го достижения этого потребного результата. В любой функциональной системе интенсивность обратной афферентации о результате находится в прямой зависимости от величины отклонения ре- зультата ее деятельности от уровня, определяющего нормальную жизнедеятельность организма. Чем сильнее отклонение результата от уровня, определя- ющего нормальную жизнедеятельность организма, тем интенсивнее обратная афферентация, поступаю- щая в центральные образования функциональной системы, и тем активнее ее исполнительная деятель- ность, направленная на обеспечение оптимального уровня полезного для организма результата. Как правило, сигнализация от рецепторов резуль- тата в любой функциональной системе является наи- более быстрой. За счет нервной сигнализации функ- циональные системы динамически быстро пере- страивают свою деятельность. Включаются рсзерв- пые компенсирующие механизмы, например выброс в кровь специальных биологически активных ве- ществ. Гуморальная сигнализация в функциональ- ных системах является, как правило, вторичной. Однако она определяет длительность и устойчивость сигнализирующего воздействия на специальные центры функциональной системы. В функциональных системах нервная и гумораль- ная сигнализации в результате все время взаимо- действуют, дополняя друг друга. .Этим определяется надежность в работе функциональных систем. Это правило отражает широту охвата функциональ- ными системами исполнительных аппаратов орга- низма. Оно показывает, что функциональные систе- мы не всегда являются жесткими детерминирован- ными образованиями. Включение исполнительных аппаратов в их деятельность может изменяться. Автоматизированные функциональные системы включают минимум исполнительных аппаратов. С другой стороны, набор исполнительных механиз- мов может значительно увеличиваться в случае пре- пятствий для достижения того или иного полезно- го приспособительного для организма результата, включая наряду с вегетативными гормональные и поведенческие звенья. Это наблюдается, например, при эмоциональных стрессах. 91
Функциональные системы — центрально- периферические образования Организм — интеграция функциональных систем Функциональные системы для удовлетворения метаболических и поведенческих потребностей че- ловека и животных избирательно объединяют периферические образования и различные струк- туры нервной системы. Исключение составляют функциональные системы психической деятельно- сти человека, строящиеся целиком на информаци- онных процессах мозга. Тем не менее даже эти функциональные системы в своей деятельности за- висят от процессов кровообращения, а в свою эф- фекторную деятельность включают как вегетатив- ные процессы, так и поведение. Целостный организм представляет из себя слажен- ное взаимодействие множества функциональных си- стем различного уровня организации. В каждый данный момент времени деятельность целого орга- низма определяется ведущей по социальной или биологической значимости саморегулирующейся функциональной системой. В это время все другие саморегулирующиеся функциональные системы взаимосодействуют достижению организмом резуль- тата деятельности доминирующей функциональной системы. Целостный организм в каждый данный момент времени представляет слаженное взаимосодейст- вие — интеграцию (по горизонтали и вертикали) различных функциональных систем, что определя- ет нормальное течение метаболических процессов. Таким образом, жизнедеятельность осуществля- ется не только по принципу рефлекса, т. е. от сти- мула к действию, но и по принципу самоорганиза- ции и саморегуляции: отклонение того или иного физиологического показателя в организме от уров- ня, обеспечивающего его нормальный метаболизм, немедленно приводит в действие активный систем- ный процесс, направленный на восстановление оптимального уровня измененного метаболизма. В отличие от рефлекса, который в любой его фор- ме является реакцией организма на тот или иной стимул, функциональные системы, участвующие в построении гомеостазиса и поведенческих актов, обладают рядом новых свойств. Они не только ре- агируют на внешние стимулы, но и по принципу обратной связи отвечают на различные смещения контролируемых ими жизненно важных результа- тов. Кроме того, в них формируются опережающие 92
действительные события реакции, а также проис- ходит сличение (коррекция) достигнутых результа- тов с текущими потребностями организма. В отличие от распространенных взглядов на сис- темы как на упорядоченное множество составляю- щих их элементов, функциональные системы пред- ставляют собой динамические саморегулирующиеся организации, все элементы которых в целом содей- ствуют достижению полезных для системы и для ор- ганизма в целом приспособительных результатов. В каждую функциональную систему, имеющую подчеркнутый жизненно важный для организма в целом результат, объединяются различные органы и ткани строго избирательно, независимо от их принадлежности к анатомическим системам. Каж- дая функциональная система, кроме того, избира- тельно включает нервные и гуморальные регуля- торные механизмы. Включенные в функциональную систему элемен- ты по голографическому принципу отражают в своей деятельности свойства всей функциональной системы в целом, и в первую очередь— состояние ее полезного для организма результата. В целостном организме функциональные систе- мы взаимодействуют по принципу иерархии, муль- типараметрического взаимодействия результатов и системного квантования. Динамику становления функциональных систем в процессе онтогенеза и индивидуального обучения характеризует принцип системогенеза. ,11 и т е р а т у р а t (('новы физиологии функциональных систем / Иод ред. К. 15. Судакова. М.: Медицина, 1983. - 272 с. t истемогенез / Под ред. К. В. Судакова. — М.: Медицина, 1980. 280 с. (истемокванты физиологических процессов / Под общ. ред. К. В. Судако- ва. — М.: Межд. Гуманитарный фонд Арменоведения им. акад. Ц. П. Агаяна, 1997. - 152 с. Гидаков К. 13. Общая теория функциональных систем.— М.: Медицина, 1984. — 224 с. <'ц<)аков К. 13. Рефлекс и функциональная система. — Новгород, 1997. — 399 с. <'1/<)аков К. 13. Теория функциональных систем.— М.: Изд-во «Медицин- ский музей», 1996. — 95 с. Теория системогенеза / Под ред. К. В. Судакова. — М.: Горизонт, 1997. — 567 с. Функциональные системы организма / Под ред. К. В. Судакова. — М.: Ме- дицина, 1987. — 432 с. 93
ГЛАВА 2 ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ГОМЕОСТАТИЧЕСКОГО УРОВНЯ ОРГАНИЗАЦИИ 2.1. Функциональная система, поддерживающая оптимальный для метаболизма клеточный состав крови Общая характеристика функциональной системы Клеточный состав крови представляет собой неодно- родный показатель. Наиболее быстро сказывается на метаболизме изменение количества эритроцитов. Функциональная роль лейкоцитов приобретает осо- бое значение в условиях воспалительных реакций и в иммунных процессах. В начальных процессах свертывания крови существенная роль принадлежит* тромбоцитам. Форменные элементы, составляющие вместе G плазмой особый вид ткани - кровь, функционируй ют в тесном взаимодействии по принципу много-1 связного регулирования. Данная функциональная система тесно связана^ с функциональными системами, определяющими массу циркулирующей крови, pH и газовые показа тели организма (рис. 25). Рис. 25. Взаимодействие функциональной системы, определяющей оптимальное для метаболизма количество форменных элементов крови, с другими функциональными системами: ФУС - функциональная система ФУС, ' ОПРЕДЕЛЯЮЩАЯ l КОЛИЧЕСТВО \ ФОРМЕННЫХ \ ЭЛЕМЕНТОВ / ФУС, г ОБЕСПЕЧИВАЮЩАЯ, ОБЪЕМ J ЦИРКУЛИРУЮЩЕЙ / КРОВИ / ФУС рСОг, рО? ФУС СВЕРТЫВАНИЯ КРОВИ ФУС pH КРОВИ 94
Системные механизмы регуляции клеточного со- става крови, исходя из теории функциональных систем, представлены на рис. 26. ДЕПОНИРОВАНИЕ КРОВИ СКОРОСТЬ КРОВОТОКА КРОВООБРАЗОВАНИЕ КРОВОРАЗРУШ1НИ1 РЬЦЕПТОРЬГ костного МОЗГА, СЕЛЕЗЕНКИ. ЛИМФАТИЧ УЗЛОВ / MF !А ЬОЛИЗМ Рис. 26. Функциональная система, определяющая оптимальное для метаболизма количество форменных элементов щюни ОРМО НАПЬНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ ГИПОТАЛАМО- ЛИМБИКО РЕТИКУЛЯРНЫЕ СТРУКТУРЫ КОЛИЧЕСТВО ФОРМЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КРОВИ Параметры результата I Голезным приспособительным результатом рас- сматриваемой функциональной системы является оптимальное для метаболизма содержание в крови эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов, обознача- емых в совокупности как форменные элементы крови. 2.1.1. Характеристика результатов деятельности функциональной системы ЭРИТРОЦИТЫ Количество эритроцитов в среднем составляет 3,9 5,0- 1012/л. Эритроциты — безъядерные форменные элемен- ты, содержащие гемоглобин, благодаря которому осуществляется дыхательная функция крови — пе- ренос О2 и СОг. Активная часть жизненного цикла эритроцитов протекает в периферической крови, куда они посту- пают в стадии ретикулоцитов и созревают в течение 13 сут. Эритроциты составляют основную массу крови, они же определяют ее цвет. Зрелые эритроциты млекопитающих имеют фор- му двояковогнутых дисков диаметром 7-10 мкм, В силу большой эластичности эритроциты легко 95
проходят по капиллярам, имеющим вдвое мень- ший, чем они, диаметр (3-4 мкм). Общая площадь поверхности всех эритроцитов — около 3800 м , т. е. в 1500 раз больше поверхности тела. Цито- плазма эритроцитов содержит гемоглобин. Боль- шинство эритроцитов имеют диаметр 7,5 мкм (нормоциты); клетки диаметром менее 6 мкм на- зываются микроцитами, более 3 мкм — макроци- тами. Примерно 1-2 % эритроцитов, называемых рети- кулоцитами, посредством пиноцитоза активно поглощают ферритин; через 24-36 ч после выхода в кровеносное русло они превращаются в зрелые эритроциты. Плазмалемма эритроцитов состоит из четырех слоев. Она имеет определенный заряд ((^-потен- циал— дзета-потенциал), а также обладает избира- тельной проницаемостью: свободно пропускает газы, воду, ионы Н+, анионы ОН , С1 , НСО3; хуже — глюкозу, мочевину, ионы К* и Na'; прак- тически не пропускает большинство катионов и со- вершенно не пропускает белки. На поверхности эритроцитов обнаружены ре- цепторы, способные адсорбировать различные био- логически активные, в том числе токсические, вещества. Крупномолекулярные белки А и /1, лока- лизованные в мембране эритроцитов, определяют групповую принадлежность крови в системе ЛИО и резус-фактор (Rh-фактор) — ее иммунологические свойства. В эритроцитах содержится ряд ферментов (угольная ангидраза, фосфатаза) и витаминов (Вц Вз, В(>, аскорбиновая кислота). В норме продолжительность жизни эритроци- тов— 120 сут. За это время часть из них разруша- ется, причем число разрушенных эритроцитов в здоровом организме эквивалентно числу вновь образующихся. Благодаря этому сохраняется их оптимальное количество. ЛЕЙКОЦИТЫ Количество лейкоцитов в крови составляет в сред- нем 4,0-9,0* 109/л. Лейкоциты—шаровидные клетки крови, имеющие ядро и цитоплазму. Вместе с кроветвор- ной тканью они образуют белый росток крови. Лейкоциты выполняют многообразные функции, направленные прежде всего на защиту организма 96
Функции отдельных форм лейкоцитов Нейтрофильные гранулоциты от агрессивных чужеродных влияний. Одни из них обеспечивают специфический иммунитет, другие фагоцитируют микроорганизмы и уничтожают их с помощью ферментов; третьи оказывают бактери- цидное действие. Лейкоциты обладают амебоидной подвижностью. Они могут выходить путем диапедеза (просачива- ние) через эндотелий капилляров по направлению к раздражителям — химическим веществам, микро- организмам, бактериальным токсинам, инородным телам, комплексам антиген — антитело. Для этого они входят в контакт с эндотелием, затем образуют псевдоподии — лишенные органелл выросты ци- топлазмы, покрытые плазмалеммой, которые внед- ряются в межклеточные щели между эндотелиоци- тами и проникают в соединительную ткань. После этого содержимое клетки как бы перетекает в псев- доподию. Это происходит благодаря наличию в клетке растворимых сократительных белков (акти- на и миозина), которые полимеризуются, взаимо- действуют между собой при участии АТФ, в ре- зультате чего и возникает сила, необходимая для движения. Лейкоциты выполняют секреторную функцию: выделяют антитела с антибактериальными и анти- токсическими свойствами; ферменты — протеазы, пептидазы, диастазы, липазы и др. За счет этих веществ лейкоциты могут повышать проницае- мость капилляров и даже повреждать эндотелий. Различные формы лейкоцитов выполняют в орга- низме. разные функции. Нейтрофильные гранулоциты составля- ют около 95 % общего количества гранулоцитов. Из них 60 % находится в костном мозге, 40 % — в других тканях и менее 1 % — в периферической крови. Примерно половина нейтрофильных грануло- цитов крови находится в сосудах, другая — депони- руется в капиллярах. В норме нейтрофильные гранулоциты распределены в двух секторах крове- носного русла: одни из них свободно циркулируют в осевом слое кровотока, другие образуют присте- ночный слой — примыкают к эндотелию микро- сосудов и практически не участвуют в кровотоке. 97
В кровеносном русле они находятся 8-12 ч, а затем мигрируют в ткани. Основные зоны внесосудистой локализации гра- нулоцитов — легкие, печень, селезенка, желудоч- но-кишечный тракт, мышцы, почки. Время жизни гранулоцитов в тканях зависит от многих причин и может колебаться от нескольких минут до несколь ких (4-5) суток. Вернуться из тканей в сосудисто! русло клетки не могут, т. е. тканевая фаза их жиз ни является завершающей. Зрелый нейтрофильный гранулоцит представ ляет собой сферическую клетку диаметром 10- 12 мкм. Нейтрофильные гранулоциты — наиболее важ- ные элементы неспецифической защитной системы крови; они способны обезвреживать инородные тела при первой ясе встрече с ними, скапливаясь в местах повреждения тканей или проникновения микробов, фагоцитируя и разрушая их своими лизосомальными ферментами. Кроме того, нейтро- филы адсорбируют на своей плазматической мем- бране антитела против микроорганизмов и чуже- родных белков. Осуществляя фагоцитоз продуктов распада и микроорганизмов, нейтрофильные гра- нулоциты погибают, а освобождающиеся при этом лизосомальные ферменты разрушают окружающие ткани, способствуя формированию гнойника. В со- став гноя обычно входят разрушенные нейтро- фильные гранулоциты и продукты распада ткани. Количество нейтрофильных гранулоцитов резко возрастает при острых воспалительных и инфек- ционных заболеваниях. Нейтрофилы содержат также гранулы с биоло- гически активными веществами, расщепляющими базальные мембраны и повышающими проницае- мость микрососудов. К ним относятся кислые гид- ролазы (например, p-глюкорупидаза, катепсин D), нейтральные протеазы (эластаза, катепсин) и бак- терицидные ферменты (миелопероксидаза, лизо- цим). В стимулированных нейтрофилах, т. е. подверг- шихся действию токсинов при воспалении, иммун- ных комплексов, различных фракций комплемента и др. резко усиливаются процессы свободно-ради- кального (перекисного) окисления. Выделяются избыточные количества перекиси водорода (Н2О2), 98
активные формы восстановленного кислорода; супероксидазный радикал Ог и синглетный кис- лород, а также другие вещества, обладающие вы- сочайшей реакционной способностью. Все они ока- зывают повреждающее действие на клеточные мембраны, усиливая в них перекисное окисление липидов. Стимулированные нейтрофилы являются источ- ником и некоторых важных биологически актив- ных веществ. При окислении циклооксигеназой арахидоновой кислоты, входящей в состав фосфо- липидов мембран, образуются простагландины. Одни из них (группа Е) резко увеличивают прони- цаемость эндотелия и расширяют микрососуды; другие (группа F) вызывают спазм микрососудов и уменьшают их проницаемость. При окислении арахидоновой кислоты другим ферментом — липоксигеназой — в нейтрофилах об- разуются так называемые лейкотриены. Они принимают участие в некоторых патологических реакциях аллергического характера (анафилаксия), повышают проницаемость капилляров и усиливают агрегацию тромбоцитов. Оказавшись в очаге воспаления, нейтрофилы вза- имодействуют с другими клетками крови и тка- ней — лимфоцитами, макрофагами и тучными Эозинофильные (ацидофильные) гранулоциты клетками. Эозинофильные (ацидофильные) гра- нулоциты составляют 0,5-5 % всех циркулиру- ющих лейкоцитов периферической крови. После созревания в костном мозге они менее одного дня циркулируют в крови, а затем мигрируют в тка- ни, где продолжительность их жизни составляет 8-12 сут. Количество этих клеток подвержено су- точным колебаниям, которые связаны с ритмом секреции глюкокортикоидных гормонов корой над- почечника. Между количеством эозинофильных гранулоцитов и уровнем глюкокортикоидов суще- ствует обратная пропорциональная связь. В пол- ночь количество эозинофилов достигает максиму- ма, рано утром — минимума; они циркулируют в крови не более 8 сут., после чего покидают крове- носное русло через мелкие венулы и проникают в рыхлую соединительную ткань. Особенно много их в собственной пластинке слизистой оболочки кишечника и дыхательных путей. 99
Эозинофильные гранулоциты фагоцитируют не которые микроорганизмы, однако менее активно, чем нейтрофильные гранулоциты; они менее по- движны. Эозинофильные гранулоциты участвуют в иммунных реакциях: фагоцитируют комплексы антиген — антитело, участвуют в разрушении гис- тамина, каким-то образом уменьшают альтератив- ные процессы при местных аллергических реак- циях. Количество эозинофильных гранулоцитов в циркулирующей крови (эозинофилия) увеличи- вается при паразитарных заболеваниях, аллергиче- ских и аутоиммунных процессах. Эозинофилы участвуют во всех аллергических реакциях (гиперчувствительность немедленного типа), инактивируя гистамин. Число эозинофилов значительно увеличивается при аутоиммунных заболеваниях, когда в организме образуются анти- тела против собственных клеток. Базофильные Базофильные гранулоциты- самая ма- гранулоциты лочисленная часть лейкоцитов периферической крови — 0,5-1 %; продолжительность жизни - 8 12 сут., время циркуляции в крови - несколько часов. Базофильные гранулы окружены мембрана- ми и заполнены гранулами размерами около 15 нм, содержащими гистамин и гепарин. В цитоплазме находятся рибосомы, небольшое количество мито- хондрий и элементов гранулярной эндоплазмати- ческой сети, хорошо развитый комплекс Гольд- жи, множество включений гликогена размерами 25-30 нм. Плазматическая мембрана формирует небольшое количество коротких микроворсинок. Базофилы, как и тучные клетки соединительной ткани, имеют на своей поверхности специальные рецепторы для антител класса IgE (иммуноглобулин Е). В резуль- тате образования иммунного комплекса между' антигеном и IgE из гранул базофилов высвобожда- ются биологически активные вещества —- гепарин, гистамин, серотонин, фактор, активирующий тромбоциты, медленно действующее вещество ана- филаксии и другие вазоактивные амины. Эти процессы лежат в основе аллергической реакции гиперчувствительности немедленного типа (ГНТ): появляются зудящая сыпь, спазм бронхов, расширяются мелкие сосуды. 100
Моноциты Моноциты составляют от 3 до 11 % циркулиру- ющих лейкоцитов крови (200-600 в 1 мм')- Время их пребывания в кровеносной системе — 2-3 дня, после чего они мигрируют в ткани: костный мозг, лимфатические узлы, селезенку, печень и др. В цитоплазме моноцитов содержатся пероксидаза, лизоцим, кислые гидралазы и другие ферменты. Продолжительность пребывания моноцитов в кро- веносном русле — 8,5 ч; при переходе в ткани они превращаются в макрофаги. Макрофаги В зависимости от места «обитания» (легкие, печень и др.) макрофаги приобретают специфические свой- ства, позволяющие отличать их друг от друга. В норме обмен макрофагов в тканях происходит медленно: например, купферовские клетки печени и альвеолярные макрофаги обмениваются в течение 50-60 сут. Для всех макрофагов — и фиксирован- ных, и свободных — характерна выраженная спо- собность к фагоцитозу и пипоцитозу чужеродных частиц, макромолекул, коллагена, клеток крови и гемоглобина, иммунных комплексов, продуктов клеточного распада. Макрофаги участвуют в развитии иммунных ответов. Взаимодействуя с Т- и В-лимфоцитами, они фиксируют на своей поверхности антиген и делают его более доступным для лимфоцитов. Способность к фагоцитозу делает макрофаги цен- тральным клеточным звеном воспаления, особен- но хронического. При этом они фагоцитируют не только возбудитель, но и иммунные комплексы с фиксированным антигеном, продукты клеточного метаболизма, выделяют биологически активные ве- щества, взаимодействуют с плазменными и ткане- выми факторами свертывания крови, выделяют пирогенные (повышающие температуру) вещест- ва — ингибиторы воспаления и др. Таким образом они очищают очаг воспаления и подготавливают почву для регенерации ткани. Лимфоциты Лимфоциты составляют 25-40 % всех лейко- цитов (1000-4000 в 1 мм ), преобладают в лимфе и ответственны за иммунитет. В организме взрос- лого человека их число достигает 6-10 . Большая часть лимфоцитов постоянно циркулирует в орга- низме. Все лимфоциты имеют сферическую форму, но отличаются друг от друга своими размерами. 101
Диаметр большей части лимфоцитов около 8 мкм (малые лимфоциты); примерно 10 % клеток имеют диаметр около 12 мкм (средние). В органах иммун ной системы имеются и большие лимфоциты - диаметром около 18 мкм. Последние в норме и циркулирующей крови не встречаются. Лимфоциты являются главными клеточными элементами иммунной системы, способной отли чать свои антигены от чужих и образовывать к ним антитела. Эти функции разделены между двумя классами лимфоидных клеток — Т-лимфоци тами (тимусзависимые) и В-лимфоцитами (от лат. Bursa of Fabricius — фабрициева сумка у птиц — орган, где происходит антителообразова- ние и где они были впервые обнаружены). Общая популяция лимфоцитов состоит из корот- коживущих (20 % общего количества) и дол- гоживущих (80 % клеток). Продолжительность жизненного цикла первых — 3-7 сут, вторых — 100-200 сут. и более. Т- и В-лимфоциты развиваются независимо друг от друга после отделения от общего предшественни- ка лимфопоэза. Часть клеток поступает из костного мозга в ви- лочковую железу (тимус), где под влиянием тимо- зина дифференцируется в Т-лимфоциты. Последние мигрируют в циркулирующую кровь и перифериче- ские лимфоидные органы — селезенку, миндали- ны, лимфатические узлы. Другие клетки-предшественники, выйдя из кост- ного мозга, проходят дифференцировку в лимфоид- ной ткани миндалин, кишечника и червеобразного отростка. Отсюда зрелые В-лимфоциты поступают в кровоток, а затем в лимфатические узлы, селезен- ку и другие ткани. Т- и часть В-лимфоцитов находятся в постоянном движении в периферической крови и в тканевой жидкости, причем 25 -30 % составляют В-клетки и 60 % — Т-клетки. Нулевые Около 10-20 % общего количества представляют так лимфоциты называемые нулевые л и м ф о ц и т ы, на поверх- ности которых нет ни Т-, ни В-рецепторов. Эти лим- фоциты не проходят исходную дифференцировку в органах иммунной системы, но в определенных условиях могут превращаться в В- и Т-лимфоциты. 102
-Лимфоциты В-лимфоциты при контакте с различными ан- тигенами вырабатывают специфические антите- ла— иммуноглобулины — IgM, IgG, IgA, которые нейтрализуют и связывают эти вещества, подготав- ливая их к фагоцитозу. Кроме этого, при первич- ном ответе образуется клон В-лимфоцитов, облада- ющий иммунологической памятью. В ряде случаев собственные белки организма изменяются таким образом, что лимфоциты принимают их за чуже- родные, и возникают тяжелые аутоиммунные забо- левания. Большинство В-лимфоцитов принадлежит к ко- роткоживущим, Т-лимфоциты — к долгоживущим; наибольшую продолжительность жизни (до 20 лет) имеют клетки клонов. -лимфоциты Т-л имфоциты ответственны за распознавание чужих антигенов; отторжение чужеродных и даже собственных клеток, измененных антигенами (бел- ками, вирусами, гаптенами), вызывает реакции клеточного иммунитета. Они делятся на несколько групп, которые выполняют различные функции и отличаются биологическими свойствами. Т-киллеры— убивают чужеродные или собст- венные клетки-мишени, на поверхности которых в комплексе с аллоантигенами находятся чужерод- ные антигены — вирусы, гаптены и др. Т В- хелперы — помогают дифференцировке В-лимфоцитов в антитеплопродуцирующие клетки. Эффекторы гиперчувствительности замедленного типа (Г 3 Т) — выделяют гу- моральные медиаторы (лимфокины), которые из- меняют поведение других клеток; хемотаксические факторы для нейтрофилов, эозинофилов, базофи- лов; действуют на проницаемость сосудов, облада- ют противовирусной активностью (лимфотоксин, интерферон) и др. Т-суп рессоры — клетки, тормозящие иммун- ный ответ. В каждой из перечисленных групп Т-лимфоцитов обнаружены «клетки памяти», которые при по- вторном контакте с антигенами реагируют быстрее и интенсивнее, чем при первом контакте с тем же антигеном. 103
Лейкоцитарная антигенная система человека ТРОМБОЦИТЫ В начале 5О-х годов XX в. французский ученый П. Доссе открыл систему антигенов, представлен- ную на лейкоцитах крови (аллоантигены клеток собственного организма). Позже эта система полу- чила название «лейкоцитарная антигенная система человека» (от англ. Human Leichocyte antigens). Сегодня известно около 80 антигенов, относящихся к этой системе; их назвали трансплантацион- ными антигенами. Поскольку антигены, относящиеся к разным ге- нетическим системам, наследуются независимо, то число возможных антигенных сочетаний у одного индивидуума, определяющее антигенную уникаль- ность каждого человека, крайне велико. Широкий набор лейкоцитарных антигенов известен у мышей, крыс, овец, свиней, коров, кур. Проблема антигенной индивидуальности приоб- рела особое значение в связи с трансплантацией ор- ганов и тканей — именно она является главным препятствием па пути успешной пересадки органов, инициируя выработку антител к пересаженному органу и его отторжение. Общее количество тромбоцитов в крови 180 320 • 109/л. Увеличение свыше 4,0 • 105 в 1 мкл кро- ви называется тромбоцитоз; уменьшение от 2,0 10’’ до 1,0• 105 — тромбоцитопения. Тромбоциты (кровяные пластинки) — плоские безъядерные клетки неправильной округлой фор- мы, образуются в костном мозге при отщеплении участков цитоплазмы от мегакариоцитов. Период созревания тромбоцитов — 8 сут. В норме 1/'з вышедших из костного мозга тромбо- цитов депонируется в селезенке, остальная часть циркулирует в крови, выполняет свои функции и подвергается разрушению под влиянием различ- ных причин и в результате старения. Время их циркуляции в крови не превышает 7 сут., после че- го они попадают в селезенку и легкие, где разруша- ются. Тромбоциты являются источником большого ко- личества биологически активных веществ, в том числе серотонина и гистамина, которые влияют на просвет и проницаемость мелких сосудов. Тромбо- циты содержат вещества, участвующие в свертыва- нии крови, — тромбопластин и многие другие. 104
Функции тромбоцитов По отношению к сосудистой стенке тромбоциты выполняют трофическую функцию — вы- деляют вещества, способствующие нормальному функционированию эндотелия. Сами по себе тром- боциты способны к адгезии (склеиванию) и агрега- ции (скучиванию), что обеспечивает сосудисто- тромбоцитарный гемостаз. Тромбоциты вследствие большой подвижности и образования псевдоподий фагоцитируют инородные тела и вирусы, участвуют в иммунобиологических реакциях благодаря спо- собности фагоцитировать вирусы, иммунные комп- лексы и неорганические частички. Тромбоциты участвуют в свертывании крови, ос- тановке кровотечения и защите организма. При повреждении эндотелия, в том числе ране- вом или атеросклеротической бляшкой, и сопри- косновении с обнаженными коллагеновыми волок- нами тромбоциты прилипают к ним и агрегируют, в результате чего увеличивается проницаемость мембран тромбоцитов. Из них высвобождаются серотонин, катехоламины, АТФ и фосфолипид — тромбоцитарный фактор (ТФ-3). Серотонин и кате- холамины вызывают сужение сосудов, а АТФ уси- ливает адгезию тромбоцитарных пластинок. Под действием ТФ-3 в присутствии ионов кальция Са2+ белок плазмы протромбин, образу- ющийся в печени, превращается в тромбин, кото- рый вызывает переход плазменного белка фибри- ногена, также образующегося в печени, в фибрин. Последний и формирует основную часть кровяного тромба. При повреждении мелких кровеносных сосудов тромбоциты образуют большое количество тонких отростков, содержащих множество актиновых ни- тей, которые формируются из растворимого акти- на. В результате их взаимодействия с молекулами миозина отростки укорачиваются, что играет важ- ную роль в образовании кровяного сгустка и его ретракции. Количество форменных элементов представляет собой довольно пластичную константу организма, способную изменяться даже в нормальных услови- ях в широком диапазоне без существенных наруше- ний метаболизма в тканях. 105
Рецепция результата Нервные центры Исполнительные механизмы 2.1.2. эритроциты Образование эритроцитов Количество элементов крови воспринимается инте рецепторами костного мозга, селезенки, лимфати ческих узлов, что показали многочисленные экспе рименты с перфузией этих органов растворами, содержащими разное количество форменных эле ментов. Предполагают, что существуют и центральные рецепторы форменных элементов крови, располо женные в лимбико-гипоталамической области. Отклонение числа форменных элементов от уров ня, обеспечивающего нормальный метаболизм, че рез рецепторные аппараты включает совокупност), процессов, обеспечивающих по принципу саморегу ляции возвращение данного показателя к опти мальному уровню. Вопрос о центрах рассматриваемой функциональной системы все еще не вполне ясен. Центральная нерв нал система, получая информацию об изменении ко личества форменных элементов в крови, включает ряд различных исполнительных механизмов. Ведущим звеном в саморегуляции количества фор- менных элементов крови является соотношение между процессами кровообразования и кроворазру- шения. Меньшее значение имеет изменение сосуди- стого тонуса, скорости кровотока и депонирование крови. Эволюция форменных элементов Образование эритроцитов (эритропоэз) происходит в красном костном мозге из коммитированных стволовых клеток в обязательном присутствии ви- тамина В]2, железа и фолиевой кислоты. Витамин Bn поступает с пищей и в тощей киш- ке соединяется с гастромукопротеидом. После вса- сывания в кровь этот комплекс поступает в печень, а затем в костный мозг, где стимулирует размноже- ние стволовых клеток и созревание их до нормаль- ных эритроцитов. Железо, необходимое для построения гемогло- бина, составляет около 60 % всего содержащегося в организме железа (3 4 г у здорового человека). Утилизация его и кинетика в организме достаточно 106
сложны. С пищей, как правило, поступает трехва- лентное железо (Fe3+). Под влиянием аскорбиновой кислоты в кислой среде желудка оно превращается в двухвалентное железо (Fe2+). Основная часть ионизированного железа всасывается клетками слизистой оболочки двенадцатиперстной кишки и соединяется в крови с белком трансферином (Pi-глобулиновая фракция крови). Последний депо- нируется в печени, селезенке, кишечнике и посту- пает по мере необходимости в костный мозг. Транс- ферин имеет сродство к эритроидным элементам костного мозга: железо отщепляется и включается в построение гемоглобина. Важнейшей и уникальной особенностью обмена железа является его реутилизация — повторное многократное использование в процессах цикличе- ского характера. После отщепления железа от трансферина (ферритина) остается белок [й-глобу- лин (апоферритин), который может вновь присое- динять железо и превращаться в ферритин. Около 40 % освободившегося при разрушении гемоглоби- на железа появляется в новых эритроцитах в тече- ние 12-14 сут. Остальная его часть существует в форме ферритина и гемосидерина (депо железа в печени, селезенке, костном мозге, слизистой обо- лочке кишечника) и включается в обмен повторно, но более медленно (на протяжении 140 сут.). Каж- дые сутки для обеспечения эритропоэза из плазмы в костный мозг поступает до 25 мг железа. При дефиците железа нарушается эритропоэз. Недостаток железа может наступить при дисбалан- се между поступлением и выведением его из орга- низма. Дефицит поступления железа связан либо с недостаточным содержанием его в пище, либо с на- рушением всасывания; может возникнуть также при повышенных затратах его при беременности, интенсивном росте, занятиях спортом. Избыточное выведение железа наблюдается при хронических кровопотерях. Фолиевая кислота необходима для нормаль- ного созревания эритроцитов и перехода их в кровь. Недостаток фолиевой кислоты встречается редко, так как помимо поступления с пищей фоли- евая кистота синтезируется микробной флорой тол- стой кишки. 107
Разрушение эритроцитов Осмотический гемолиз Авитаминоз может возникнуть при избыточном приеме лекарств, подавляющих рост этих бактерий в кишечнике. Скорость образования эритроцитов, если Hei дефицита железа, увеличивается после кровопуска ния. Умеренное однократное кровопускание увели чивает в 2 3 раза (по сравнению с нормой) образе вание эритроцитов. Разрушение эритроцитов (гемолиз) может про изойти под влиянием различных случайных факте ров, связанных с движением крови (механический гемолиз) и изменением физико-химических свойств плазмы (физический гемолиз, химический гемо лиз, осмотический гемолиз), а также в результате естественного старения. Различают несколько видов гемолиза. Все они связаны с изменением резистентности эритроци тов — их способности противостоять разрушитель ным воздействиям. Осмотический гемолиз возникает в гипото ническом растворе, осмоляльность которого мень ше, чем самого эритроцита (рис. 27). В этом случае по законам осмоса растворитель (вода) движется че рез хорошо проницаемую для нее мембрану эритро- цитов в цитоплазму. Эритроциты набухают, а при значительном набухании разрушаются; кровь ста новится прозрачной («лаковая» кровь). Рис. 27. Кривая осмотической резистентности эритроцитов 108
Механический гемолиз Биологический гемолиз Химический гемолиз Термический гемолиз Мерой осмотической резистентности считают концентрацию раствора хлорида натрия, при кото- рой начинается гемолиз. Его определяют по легко- му порозовению раствора (0,65 % NaCl), а полный гемолиз — по интенсивной красно-лаковой окраске крови (0,4-0,32 % NaCl). Механический гемолиз возникает при интенсивных физических воздействиях на кровь. Значительная часть эритроцитов подвергается раз- рушению при длительной циркуляции крови в сис- теме аппаратов искусственного кровообращения (АИК). Как бы совершенны ни были физические свойства этих аппаратов (упругость, эластичность, гладкость внутренней поверхности), у них отсутст- вует главный фактор — электростатические силы отталкивания эндотелия сосудистой стенки и эри- троцитов друг от друга. Именно эти силы в физио- логических условиях препятствуют механическому трению эритроцитов и их разрушению. Механический гемолиз консервированной крови может произойти при неправильной ее транспорти- ровке - грубом встряхивании и др. У здорового человека незначительный механи- ческий гемолиз наблюдается при длительном беге по твердому покрытию (асфальт, бетон); при рабо- тах, связанных с продолжительным сильным со- трясением тела — у шахтеров при бурении породы и др. Биологический гемолиз связан с попада- нием в кровь веществ, образующихся в других жи- вых организмах животного и растительного проис- хождения; при повторном переливании несовмести- мой по резус-фактору крови, при укусе змей, ядо- витых насекомых, при отравлении грибами. Во всех случаях, как правило, эти реакции имеют им- мунный характер. Химический гемолиз происходит под воздействием жирорастворимых веществ, нару- шающих фосфолипидную часть мембраны эри- троцитов — наркотических анестетиков (эфир, хлороформ), нитритов, бензола, нитроглицерина, соединений анилина, сапонинов. Термический гемолиз возникает при непра- вильном хранении крови — ее замораживании и 109
последующем быстром размораживании. Внутри клеточная кристаллизация биологической воды приводит к разрушению оболочки эритроцитов. Внутриклеточный гемолиз Внутрисосудистый гемолиз Внутриклеточный гемолиз. Стареющи, эритроциты удаляются из циркулирующей крови и разрушаются в селезенке, печени и немного — и костном мозге клетками системы фагоцитирующих мононуклеотидов. Фракции IgG сыворотки содер жат аутоантитела против старых эритроцитов, при крепление которых к эритроцитам приводит к их фагоцитозу. Кинетика гемоглобина. Продукты, осво бождаемые при внутриклеточном разрушении ге моглобина — аминокислоты (из глобина) и железо (из гема), реутилизируются для построения гемо глобина. Гем после отщепления железа в микросо мах превращается сначала в биливердин, а затем и билирубин. Билирубин освобождается из клеток в кровь, где связывается с плазменным белком аль бумином (непрямой билирубин; в норме 8,6 20,5 ммоль/л), и транспортируется с кровью в пе- чень. В гепатоцитах печени непрямой билирубин соединяется с глюкуроновой кислотой и превраща- ется в прямой билирубин, поступающий в составе желчи в кишечник. Внутрисосудистый гемолиз. В норме часть эритроцитов разрушается в сосудистом русле. Гемоглобин соединяется с а-гликопротеином плаз- мы (гаптоглобин) в необратимый комплекс, ко- торый из-за большой молекулярной массы не проходит через почечный фильтр, а подвергается быстрому ферментативному расщеплению, в основ- ном в печени. Если внутрисосудистый гемолиз настолько значителен, что гаптоглобин не может связать весь освобождаемый гемоглобин, его избы- ток поступает в почки. При этом часть гемоглобина выделяется ими, а часть реабсорбируется в прокси- мальном отделе канальцев нефронов. Некоторое ко- личество гемоглобинового железа откладывается в эпителии канальцев в виде ферритина и гемоси дерина и постепенно выделяется с мочой. Механизм кинетики гемоглобина идентичен для всех видов гемолиза, вне зависимости от его причины. 110
Факторы, влияющие на количество эритроцитов Количество эритроцитов подвергается незначитель- ным дневным колебаниям. Возрасту новорожденных число эритроцитов выше (5,7 • 10 /мкл), чем у взрослых (4,6 • 10 /мкл); ко 2-4-му мес. жизни оно значительна снижается и до 14 лет составляет примерно 4,2 • 10 /мкл, затем соответствует уровню у взрослого. Пол. Женщины имеют значительно меньше эри- троцитов (4,2 • 106/мкл) по сравнению с мужчина- ми (4,6 • 106/мкл). Это связано с ингибирующим действием эстрогенов на эритропоэз. В допубертат- ном периоде и в старческом возрасте разницы в числе эритроцитов у лиц мужского и женского по- ла нет. Физическая и эмоциональная нагруз- ка. Интенсивная физическая нагрузка и сильные волнения могут значительно повысить число эрит- роцитов в крови. Положение тела. При взятии крови в поло- жении пациента лежа число эритроцитов на 5,7 "/<> ниже, чем в положении стоя. Концентрация крови. Усиленная потеря во- ды организмом (дегидратация) при повышенном потоотделении, массивных ожогах может привести к резкому увеличению числа эритроцитов и гема- токрита за счет уменьшения объема плазмы. Кислород. Наиболее мощным регулятором эри- тропоэза является количество кислорода, достав- ляемого эритроцитами к различным органам и тканям. Гипоксия любого происхождения (при снижении парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе, дыхательная недостаточность сердечного или легочного происхождения, наруше- ние сродства гемоглобина к кислороду) являются важнейшим стимулом к повышению эритропоэти- ческой активности. Эритропоэтины. Важнейшим фактором, сти- мулирующим образование эритроцитов костным мозгом, являются эритропоэтины — гормоны гли- копротеиновой природы, содержащие сиаловую кислоту. Эритропоэтины регулируют интенсив- ность пролиферации и направление дифференци- ровки стволовых клеток — предшественников (эритропоэтинчувствительных клеток), влияют на 111
процесс созревания эритроцитов (ускоряют синтез гемоглобина, способствуют освобождению ретику лоцитов из костного мозга). Основное место продукции эритропоэтинов (90 "... общего количества) — юкстагломерулярный аппа рат почки, где образуется неактивная форма веще ства, названная «почечный эритропоэтический фактор». Только после взаимодействия с белками плазмы крови этот фактор приобретает так называ емую эритропоэтическую активность, т. е. преобра зуется в собственно эритропоэтин. Предполагают, что клетки коркового вещества почек имеют специальный механизм (сенсор), чув ствительный к гипоксии, а точнее, к снижению парциального напряжения кислорода в капиллярах почечного тельца, и стимулирующий образование эритропоэтинов. Некоторое количество эритропоэтинов вырабаты вают клетки сосудистого эндотелия, а также печени и селезенки. Гормоны. Некоторые гормоны, в частности анд рогены, стимулируют биосинтез эритропоэтинов либо непосредственно воздействуют на клетки - предшественники в костном мозге. В том и в дру- гом случае эритропоэз усиливается. Соматотропин, кортикотропин, тироксин и ан- дрогены стимулируют эритропоэз, увеличивая активность эритропоэтинов; показано также, что андрогены могут действовать непосредственно на эритропоэз костного мозга. Противоположное, угнетающее действие на эрит- ропоэз оказывают эстрогены, по-видимому, подав- ляя выработку эритропоэтинов. Роль центральной нервной системы в эритропоэзе Экспериментально показано, что при раздражении задней гипоталамической области наблюдаются ак- тивация эритропоэза и увеличение образования эритропоэтинов. При разрушении супраоптических ядер гипоталамуса кровь подопытных животных теряет свою эритропоэтическую активность и обога- щается ингибиторами эритропоэза. Нормальное содержание эритроцитов связано с активностью двух факторов: с одной стороны, эритропоэтинов, а с другой — ингибитора эритропоэтинов. 112
Ингибиторы эритропоэза. В условиях экс- перимента выявлены ингибиторы эритропоэза — так называемые эритроцитарные кейлоны. Это клеточные регуляторные субстанции, тормозящие митоз (пролиферацию эритроцитов). ЛЕЙКОЦИТЫ Более 50 % всех лейкоцитов находится в тканях за пределами сосудистого русла, 30 % — в костном Образование мозге и около 20 % составляют непосредственно лейкоцитов клетки крови. В зависимости от наличия в цитоплазме зерни- стости лейкоциты делят на две группы: • гранулоциты, • агранулоциты. Родоначальником их, как и других форменных элементов крови, считается коммитированная ство- ловая клетка. 11редшественниками клеток гранулоцитарного ряда являются клетки костного мозга — миело- бласты (базофильный, эозинофильный, нейтро- фильный); промиелоциты, миелоциты, метамие- лоциты. Предшественниками агранулоцитарного ряда являются монобласт и лимфобласт (Т- и В-формы). Общее количество лейкоцитов, процентное и аб- солютное содержание отдельных форм в крови взрослого человека представлены в табл. 1. Таблица 1 Количество форменных элементов в крови взрослого человека Форменные элементы В среднем Г раницы нормы Процент общего числа в среднем Общее число лейкоцитов 9000 5000-11000 Эозинофилы 275 100-400 3,0 Базофилы 25 20-30 0,27 Нейтрофилы 5000 3000-7000 55,50 Моноциты 400 100-600 4,44 Лимфоциты 2000 1000-3000 22,22 Вещества, стимулирующие лейкопоэз, действуют на костный мозг не прямо, а через систему лейко- поэтинов. Лейкопоэтины же влияют на красный костный мозг, стимулируя образование и диффе- ренцировку различных форм лейкоцитов. 2929 113
Факторы, влияющие на количество лейкоцитов Регуляция лейкопоэза ТРОМБОЦИТЫ Факторы, влияющие на количество тромбоцитов Увеличение числа лейкоцитов выше нормального! называется лейкоцитозом, уменьшение — I лейкопенией. j Физиологический лейкоцитоз—нор-! мальное явление. Число лейкоцитов зависит от !> многих факторов: возраста, времени суток (нор- ? мальные биоритмы), приема пищи. Значительное увеличение числа лейкоцитов в крови возникает: • после физической нагрузки (до 2,5 • 104); 4 • во время беременности (1,7-9,4 • 104); I • при эмоциональном напряжении (до 1,8- К)’1); I • во время наркоза; I • после ультрафиолетового облучения. I Физиологический лейкоцитоз является исрерас-1 пределительным: в нем участвуют костный мозг, селезенка, легкие. Реактивный лейкоцитоз характерен длЯЯ воспалительных процессов и инфекционных болез-Я ней. Он связан с повышением выброса клеток изЯ органов кроветворения с преобладанием молодыхЯ форм. I Лейкопения часто сопровождает длительнуюИ лекарственную терапию, поражение костного мо.чгаИ ири лучевой болезни, недостаточность витаминовИ Bia и фолиевой кислоты, тяжелые бактериальные и1 вирусные инфекции, воздействие ионизирующейИ радиации. Н Решающее значение в регуляции постоянства коли-И чества лейкоцитов принадлежит гормональными факторам. Как уже говорилось, в крови обнаруже-И ны вещества, стимулирующие лейкопоэз, — лейко-И поэтины. Увеличивают количество лейкоцитовИ глюкокортикоиды и андрогены. И В свою очередь, эстрогены и тироксин тормозятИ лейкопоэз. В отношении влияния ЦНС на процессьИ лейкопоэза, за исключением предположения о ре-И гулирующей роли гипоталамических образованийИ известно крайне мало. И Количество тромбоцитов увеличивается под влияЯ нием эстрогенов. АКТГ, адреналин, серотонин быИ стро мобилизуют тромбоциты из очагов гемопоэзаИ Количество тромбоцитов достоверно увеличивается при физическом напряжении, стрессе, что, возЯ 114
можно, связано с повышением синтеза катехола- минов. Большое значение в регуляции содержания тромбоцитов принадлежит селезенке. В ней проис- ходит их гибель, депонирование и выработка осо- бого вещества спленина, тормозящего тромбо- цитопоэз. Очевидно, что регуляция тромбоцитопоэза осу- ществляется: • гуморальными стимуляторами (тромбопоэ- тины); • ингибиторами (тромбоцитопениям), происхож- дение которых не вполне ясно. 2.1.3. Динамика работы функциональной системы Различные исполнительные механизмы рассматри- ваемой функциональной системы играют неодно- значную роль для восстановления оптимального ко- личества форменных элементов. При отклонении уровня форменных элементов наиболее быстро изменяются процессы депонирова НИЯ крови, скорость кровотока и величина просвеча сосудов. При длительных изменениях клеточного состава крови, например в условиях высокогорья, а также при различных формах анемий включаются наибо- лее мощные, долгосрочные механизмы кровообра- зования и кроворазрушения. В вовлечении этих ме- ханизмов ведущее место занимают гуморальные влияния: эритропоэтины, лейкопоэтины, спленин, в то время как «быстрые» механизмы реагирования реализуются преимущественно за счет нервных влияний. Для функциональной системы, определяющей оптимальное для метаболизма количество формен- ных элементов крови, характерно наличие внутрен- него звена саморегуляции. Особое место занимает специфический для нее местный механизм: распад форменных элементов, происходящий не непосредственно в крови, а в се- лезенке, лимфатических узлах, костном мозге, спо- собен стимулировать соответственно эритропоэз, лейкопоэз и тромбоцитопоэз. 115
2.2. Функциональная система, обеспечивающая оптимальный для метаболизма объем циркулирующей крови Общая Для рассматриваемой функциональной системы ха характеристика рактерным является наличие как внутреннего, тат и внешнего звеньев саморегуляции (рис. 28). Веду щее значение в ее деятельности принадлежит впут ренним механизмам, прием воды извне, как внепг нее звено саморегуляции, включается при особые обстоятельствах. Рис. 28. <.^хема функциональной системы, определяющей оптимальный для метабо- лизма тканей объем циркулирующей крови Объем циркулирующей крови тесно связан с ве- личинами кровяного и осмотического давлений в организме. Величины объема циркулирующей кро- ви, кровяного и осмотического давлений крови имеют некоторые общие центральные и перифери- ческие звенья соответствующих функциональных систем (рис. 29). 116
Рис. 29. Соотношение между объемом циркулирующей крови и средним давлением в сердечно- сосудистой системе Обьем циркулирующей крови, % от нормального Характеристика результата функциональной системы Объем крови Полезным приспособительным результатом данной функциональной системы является общее количе- ство циркулирующей в сосудах крови. Этот пока- затель представляет собой относительно жесткую гемодинамическую константу. Объем крови у взрослого человека колеблется от 5 до 6 л, что составляет 6-7,5 % массы тела. Объем крови у мужчин достигает 75-80 мл/кг, у женщин оп несколько меньше — 65-70 мл/кг. Постоянство объема циркулирующей крови включает два факто- ра: постоянство объема плазмы и постоянство эрит- роцитарной массы. Таким образом, из 5,5 л крови взрослого мужчины массой 70 кг на долю плазмы приходится 3 3,5 л (55 60 %), остальное количест- во составляет доля форменных элементов (в основ- ном эритроцитов). У детей объем крови менее постоянен и подвер- жен значительным колебаниям в зависимости от массы тела и возраста. Объем циркулирующей кро- ви у новорожденного составляет в среднем 15% массы тела, у детей 1 года— 11 % и далее посте- пенно снижается, достигая к 9 годам 7-8 % . Для измерения объема циркулирующей крови используется метод разведения. Для этого в крове- носное русло вводится известное количество краси- теля, например синька Эванса или какой-нибудь индикатор, который в основном сохраняется в плазме (например, изотопы хрома или йода). После того как краситель полностью смешается с кровью 117
(примерно через 10 мин), оценивается степень его разведения: Объем плазмы х 100 Объем крови = % плазмы при этом: Количество введенного красителя Объем плазмы = ~Е-----------------------------, Концентрация красителя в крови Эритроцитарную массу измеряют непосредствен- но определением степени разведения эритроцитов, меченных 59Fe, 32Р или 51Сг. Поддержание оптимального объема циркулирую- щей крови зависит от соотношения ее объема и ем- кости сосудов (главным образом, эластичности вен). При увеличении кровяного давления не только ве- ны, но и артерии способны вмещать некоторое доба- вочное количество крови. Но этой способностью во многих случаях можно пренебречь в связи с тем, что вместимость всего артериального русла отно- сится к таковой всего венозного как 1 :18. Именно в венозной части сосудистого русла содержится &4 объема циркулирующей крови. Примерно 84 % объема крови взрослого человека находится в большом круге кровообращения, 9 % — в малом круге кровообращения и примерно 7 % в сердце. Детальное распределение всего объе- ма крови в сердечно-сосудистой системе представ- лено в табл. 2. Таблица 2 Распределение объема крови в сердечно- сосудистой системе человека Отдел сердечно-сосудистой системы Объем МЛ общий, мл % общий, % Сердце (в диастоле) 360 7.2 Легочное кровообращение: артерии 130 440 2,6 8,8 капилляры 110 2,2 вены 200 4,0 Системное кровообращение: аорта и крупные артерии 300 4200 6,0 14,0 84,0 мелкие артерии 400 8,0 капилляры 300 6.0 мелкие вены 2300 46,0 64,0 крупные вены 900 18,0 118
Объем крови, как и объем других жидкостных про- странств организма (внеклеточных и внутриклеточ- ных), постоянен. Однако величина объема крови в за- висимости от ряда факторов и обстоятельств может претерпевать значительные изменения как функцио- нального, так и патологического характера. Постоянная физическая деятельность животных и людей вызывает увеличение объема крови на 1 кг массы тела. У животных с активным передвижени- ем на большие расстояния (например, собаки, ло- шади) объем крови на 1 кг массы тела больше этого же показателя у малоподвижных животных — крыс, кроликов, овец, коров (табл. 3). У спортсме- нов объем циркулирующей крови больше, чем у не- тренированных людей. На величину объема цирку- лирующей крови влияет изменение положения те- ла. Объем циркулирующей крови кратковременно уменьшается при переходе в вертикальное положе- ние в результате депонирования крови в венах ко- нечностей и брюшной полости и увеличивается по- сле перехода в горизонтальное положение. Сниже- ние физической нагрузки при длительном лежании также может вызвать уменьшение объема циркули- рующей крови. Таблица Объем крови у различных видов млеко- питающих Вид Объем крови МЛ мл/кг в день (основной обмен), мл/кал Крыса 12,3 54,3 0,25 Морская свинка 31,0 72,0 0,79 Кролик 124 56,4 0,93 Собака 2840 92,5 3,5 Овца 2480 58,0 2,0 Корова 24100 57,4 4,1 Лошадь: беговая 42750 109,6 6.2 рабочая 48400 71,6 5,0 Человек: мужчина 5420 77,7 3,2 женщина 3960 66,1 2,9 Изменение объема крови при температурных сдвигах связано со снижением или увеличением то- нуса поверхностных сосудов как одного из факторов регуляции температурной схемы тела. Повышение 119
температуры окружающей среды приводит к боль- шему расширению прекапиллярных сосудов, чем посткапиллярных, в результате отмечается повы- шение капиллярного давления, и некоторое количе- ство жидкости выходит из сосудов. Кроме того, при повышении температуры окружающей среды необ- ходимо учитывать и усиление потоотделения, при- водящее к обезвоживанию организма. В результате при повышении температуры отмечается некоторое уменьшение объема циркулирующей крови. При кратковременной физической нагрузке, со- провождающейся функциональной гиперемией, также отмечается увеличение капиллярного давле- ния (за счет большего расширения прекапилляр- ных сосудов по сравнению с посткапиллярными) и дополнительная потеря жидкости из сосудистого русла (за счет повышения осмотического давления тканей работающих мышц). После выполнения в течение 15 -20 мин тяжелой физической работы временное уменьшение объема плазмы циркулиру- ющей крови может достигать 1 5 % . Снижение атмосферного давления в связи с низ- ким парциальным давлением кислорода вызывает компенсаторное возрастание объема циркулиру- ющей крови за счет увеличения количества ее форменных элементов (полицитемия). При поли- цитемии как одном из проявлений хронической гипоксии объем циркулирующей крови может уве- личиваться на 40 -60 %. Уменьшение объема крови отмечается при крово- течениях, в том числе внутренних, и при потере значительного количества плазмы при отеках по- врежденных конечностей. Рецепторы Отклонение величины объема циркулирующей результата крови от оптимального для метаболизма уровня воспринимается рецепторными образованиями. На изменение объема крови, если оно сопровождается снижением или увеличением артериального давле- ния, реагируют барорецепторы дуги аорты и сино- каротидной области. Кроме этих главных рецептивных зон существуют рецепторы в левом желудочке сердца, коронарных артериях и др. К чувствительным образованиям, стоящим на страже изменения объема крови, относятся и ре- 120
цепторы объема — волюмрецепторы (барорецепто- ры низкого давления), расположенные в правом и левом предсердиях, правом желудочке, устьях ле- гочных вен, каротидном синусе, в месте отхожде- ния щитовидной артерии от внутренней сонной артерии. При кровопотере, сопровождающейся уменьше- нием объема циркулирующей крови, в рецепцию результата вовлекаются и хеморецепторы синока- ротидной, аортальной областей сосудистого русла, левой и правой подключичных артерий. Эти рецеп- торы при уменьшении объема крови реагируют не только на изменение напряжения кислорода крови (рОг), но и на снижение уровня кровоснабжения тканей. В связи с тем, что в состав крови входит внутри- сосудистая жидкость — плазма, объем крови в зна- чительной степени зависит от водно-электролитно- го баланса организма и особенно от распределения воды между кровеносными сосудами и внеклеточ- ным, интерстициальным пространством. При изме- нении объема крови в связи с увеличением или уменьшением ее осмотического давления включает- ся и сигнализация от раздражения осморецепторов. Центральное и эндокринное звенья саморегуляции Возбуждения от аортальной и синокаротидной ре- флексогенных сосудистых зон по депрессорному и синокаротидному нервам поступают в продолгова- тый мозг к сосудо двигатель ном у центру. Это способствует немедленному включению в про- цесс саморегуляции обз>ема крови таких «аварий- ных» механизмов, как изменение частоты и силы сердечных сокращений, изменение тонуса и просве- та сосудов, скорости кровотока и т. д. От волюмрецепторов информация об изменении объема циркулирующей крови достигает супраопти- ческого и парафасцикулярных ядер гипоталамуса, оказывающих регулирующее влияние на водно-соле- вой обмен организма, регуляцию синтеза вазо- прессина и регуляцию выделения надпочечника- ми альдостерона. Благодаря этому изменяется деятельность почек, изменяется скорость всасывания воды в желудочно-кишечном тракте, деятельность потовых желез, поступление воды извне и т. д. Важная роль в регуляции давления и объема крови, а также в выведении из организма воды, 121
натрия и калия принадлежит гормону пептидной природы — предсердному натрийурети- ческому гормону (атриопептиду). Этот гор- мон секретируется кардиомиоцитами правого и левого предсердий. Экспериментальные и клини- ческие исследования показали, что сильнейшиий стимулятором секреции предсердного натрийурети! ческого гормона является степень растяжения предсердий. Повышение концентрации предсердной го натрийуретического гормона наблюдается во вре! мя физического труда, при изменении положения тела, а также на разных стадиях гипертонии. 1 Растяжение кардиомиоцитов приводит к выброся из них предсердного натрийуретического гормонай| Попав в кровь, он переносится по сосудам к орга- нам-мишеням — почкам, надпочечникам, голов- ному мозгу и другим органам. Общий эффект пред- сердного натрийуретического гормона состоит в изменении активности ренинангиотен.зиновой сис- темы, сложного гомеостатического механизма, регулирующего объем и давление крови. Полагают, что предсердный натрийуретический гормон подавляет эффект ангиотензина-П, тормо- зит выработку почками ренина, а также подавляет секрецию альдостерона надпочечниками. Кроме того, он подавляет секрецию вазопрессина гипота- ламусом. Предсердный натрийуретический гормон также непосредственно воздействует на различные струк- туры почек, регулируя выведение воды из почек: он усиливает фильтрацию натрия и воды в клу- бочках, а также, влияя на дистальные канальцы и собирательные трубочки, противодействует реаб сорбции воды и натрия в кровь. Местные механизмы саморегуляции Поддержание постоянства объема циркулирующей крови обеспечивается регуляторными механизмами на уровне отдельных органов. При уменьшении объема крови происходит снижение кровотока че- рез печень, что меняет ее функциональное состоя- ние, снижает скорость инактивации альдостерона и вазопрессина (антидиуретического гормона). Кон- центрация альдостерона и вазопрессина в крови возрастает, что ведет к угнетению диуреза и задер- жке воды в организме для компенсации уменьшен- ной массы циркулирующей крови. Другим приме- 122
ром местных механизмов может служить интракар- диальная система регуляции деятельности сердца. В сердце существуют нервные клетки, способные функционировать в условиях изолированного серд- ца, вне всякой его связи с центральной нервной си- стемой. Если на изолированном сердце с помощью резинового баллончика увеличивать объем правого предсердия (имитируя таким образом увеличение объема крови), то можно зарегистрировать резкое увеличение силы сокращения миокарда левого же- лудочка в условиях стабилизированного притока крови к левому сердцу и постоянного уровня давле- ния в полостях правого сердца (рис. 30). Рис. 30. Зависимость изменения минутного объема сердца от изменении объема циркулирующей крови На рис. 30 показано изменение минутного объема сердца при изменении объема циркулирующей кро- ви. Пересечение двух жирных линий на графике отражает условия гемодинамики в норме. Точка А пересечения этих линий соответствует минутному объему, равному 5 л/мин, и давлению в правом предсердии, равному нулю. Кривые притока веноз- ной крови, лежащие выше нормальной кривой и правее, отражают влияние увеличения количества циркулирующей крови на приток, а точки пересе- чения их с кривой минутного объема сердца отра- жают непосредственные сдвиги минутного объема после внезапного повышения количества крови. Так, например, увеличение количества крови, до- статочное для возрастания среднего давления на 2 мм рт.ст., приведет к повышению минутного объема сердца с 5 до 8 л/мин. 123
Исполнительны» механизмы О Депонирование крови и перерас- пределение кровотока Кривые притока венозной крови, лежащие слева и ниже нормальной кривой, отражают влияние бы- строго уменьшения количества циркулирующей крови. Например, снижение давления с 7 до 5 мм рт. ст. вызывает уменьшение минутного объема сер- дца с 5 до 3 л/мин. Необходимость поддержания постоянного уровня кровяного давления и стабилизированного притока крови к сердцу, на фоне которых изменяется объем правого предсердия, связана с исключением в опи- санном опыте влияния закона Старлинга (закон гемо- динамической регуляции деятельности сердца). Центральные структуры, получая сигнализацию об изменении объема циркулирующей крови от рецеп- торных аппаратов, обеспечивают включение испол- нительных механизмов, с помощью которых осу- ществляется возвращение объема циркулирующей крови к оптимальному уровню. Исполнительные механизмы рассматриваемой фун- кциональной системы следующие: При уменьшении объема циркулирующей крови определенное ее количество компенсаторно посту- пает в общий кровоток из сосудистых депо печени, селезенки, кожи, мышц и легких. В этих условиях движение крови может осуществляться через арте- риовенозные шунты, минуя капилляры. Такие шунты между артериолами и венулами описаны в легких, коже, подкожной клетчатке, стенке желу- дочно-кишечного тракта, почках, мочевом пузыре и скелетных мышцах. В печени за счет сокращения мышечных сфинктеров междольковых вен и арте- рий широкие синусоидальные капилляры выклю- чаются из деятельности как депо крови. Сосудистое русло легких также представляет собой важное де- по крови. У большинства животных в легких нахо- дится 10" 12 % общего количества крови в организ- ме. После кровопотери в общий кровоток компенса- торно поступает дополнительное количество крови из легочного депо. При изменении объема крови артериолы и вены меняют свой просвет. При кро- вопотере сужение сосудов более выражено в коже, костной ткани, кишечнике, как тканях, более приспособленных к условиям гипоксии, что также позволяет увеличить объем крови в общем русле циркуляции. 124
© Транс- капиллярный обмен жидкости Этот механизм представляет собой ведущий фактор регуляции объема крови. Именно в процессе обмена жидкости между клеточным веществом и плазмой крови происходит изменение объема последней. Пе- рераспределение жидкости в процессе транскапил- лярного обмена зависит от гидростатического и коллоидно-осмотического давления, электролитно- го состава, pH крови, степени проницаемости мемб- ран капилляров. При уменьшении объема крови она восполняется за счет перевода воды в сосуди- стое русло из интерстициальных пространств и со- провождается увеличением продукции плазменных белков, в частности усиливается секреция печенью альбумина, который по лимфатическим сосудам по- падает в кровь. © Изменение просвета сосудов вен 0 Изменение работы сердца и скорости кровотока Особое место в процессе саморегуляции объема крови занимает изменение тонуса венозного отдела сосудистого русла, в котором содержится 64 'X. общего объема крови. Именно этот отдел кровенос- ного русла в связи с особенностями строения стен- ки способен менять свой объем приспособительно к изменению объема крови. При уменьшении цир- кулирующей крови в первую очередь уменьшается емкость вен, а только потом отмечается сужение артериальных сосудов как компенсаторный меха- низм, поддерживающий соотношение объема крови и просвета сосудистого русла. При введении в вену даже незначительных коли- честв крови или плазмы увеличивается минутный объем сердца, который восстанавливается до исход- ных величин через 10-20 мин. При кровопотере от- мечается преходящее снижение минутного объема сердца. Уменьшение объема крови приводит к сни- жению венозного притока к сердцу, что уменьшает сердечный выброс и, следовательно, пульсовое дав- ление. Рефлекторно возникает тахикардия, со- провождающаяся увеличением скорости кровото- ка. Тахикардия и ускорение циркуляции крови направлены на устранение тканевой гипоксии, появляющейся при уменьшении объема крови. Снижение объема крови вызывает уменьшение общего количества гемоглобина и, следовательно, снижение скорости транспорта газов, что ведет к тканевой гипоксии с накоплением недоокислен- ных продуктов обмена веществ. 125
© Изменение интенсивности процессов крово- образования и крово- разрушения © Изменение водного баланса организма Уменьшение количества эритроцитов при сниже- нии объема крови в сосудистом русле вызывает уси- ленную продукцию эритропоэтина, и наоборот. Эритропоэтин — гормон, глюкопротеин, вырабаты- вается в основном в юкстрагломерулярном аппара- те почек, стимулирует превращение примитивных костномозговых клеток в проэритробласты. Одно- временно с механизмами дополнительного кровооб- разования отмечается и ослабление разрушения эритроцитов, увеличение продолжительности их жизненного цикла. Однако механизм восстановле- ния численности эритроцитов крайне медленный и происходит в течение нескольких дней. Данный механизм зависит от двух факторов: по- ступления воды извне и ее выделения почками и потовыми железами. При изменении объема крови включается внешнее звено саморегуляции рас- сматриваемой функциональной системы. Если уменьшается объем крови, то активация нервных центров гипоталамической области, оказывая вос- ходящее активирующее влияние на вышележащие структуры, вплоть до коры больших полушарий, формирует поведение организма, направленное на потребление воды и.з внешней среды, возникает ощущение жажды. Среди исполнительных механизмов рассматрива- емой функциональной системы, в первую очередь при отклонении объема циркулирующей крови от оптимального для метаболизма уровня, следует отметить изменение работы сердца, изменение про- света сосудов, скорости кровотока, депонирова- ние крови и перераспределение воды в организме. Более медленно происходит вовлечение внешнего звена саморегуляции, а также процессов кровообра- зования и кроворазрушения во внутреннем звене саморегуляции. За счет механизмов, компенсирующих измене- ние объема циркулирующей крови, организм чело- века способен выживать при потере 30 % крови (1,5 л). Потеря крови свыше 30 % приводит к смер- ти. В этом случае необходимо срочное переливание либо крови, либо кровозамещающих жидкостей.
Динамика работы функциональной системы в разных режимах Уменьшение объема крови Изменения в функциональной системе, поддержи- вающей объем циркулирующей крови, наблюдают- ся в случаях уменьшения или увеличения объема крови в сосудистом русле (см. рис. 30). Так как из- менение объема крови сопровождается нарушением уровня артериального давления, то для нормализа- ции этих функциональных показателей происходит включение общих центральных и периферических механизмов, входящих в состав функциональной системы, поддерживающей объем крови, и функ- циональной системы, поддерживающей уровень артериального давления. Важнейшими механизмами, обеспечивающими регуляцию объема крови, являются изменения в деятельности сердечно-сосудистой системы, регуля- ция объема жидкости между плазмой и интерсти- циальной жидкостью, между организмом и внеш- ней средой, регуляция эритропоэза и др. При уменьшении объема циркулирующей крови (при кровопотере, тепловом стрессе, аддисоновой болезни и др.) первоначально возникают приспо- собительные изменения в деятельности сердечно- сосудистой системы, «на фоне» имеющегося в наличии объема крови: происходит усиление и уча- щение деятельности сердца, рефлекторное сужение сосудов, выход из депо крови (селезенка, печень, кожа и др.) в сосудистый кровоток дополнитель- ного количества крови. С тем чтобы не произошло существенных нарушений в кровоснабжении жиз- ненно важных органов (мозг, сердце), происходит региональное перераспределение объема крови. Уменьшение объема крови сопровождается пере ходом в сосудистое русло жидкости из интерстици- альных пространств, а также той части жидкости, которая находится в депонированном виде, что спо- собствует увеличению объема крови. В дальнейшем возможно включение внешних механизмов само- регуляции, направленное на потребление воды. Снижение объема крови приводит к уменьшению степени растяжения кардиомиоцитов в предсерди- ях, что способствует уменьшению образования предсердного натрийуретического гормона. Это вызывает, с одной стороны, задержку жидкости в организме за счет увеличения реабсорбции воды и натрия, с другой стороны — увеличение секреции гипоталамусом вазопрессина, а надпочечниками 127
альдостерона, что также приводит к усилению канальцевой реабсорбции воды и натрия. Снижение величины артериального давления, которое возникает при уменьшении объема крови, вызывает усиленный синтез в почках ренина. Ре- нин — гормон, не обладающий собственным прес- сорным эффектом, вызывает образование в плазме декапептида ангиотензина-I, который под влиянием дипептидкарбоксилазы превращается в ангиотен- зин-11, оказывающий сильное сосудосуживающее действие. Кроме того, ангиотензин-U активирует ос- вобождение из клубочковой зоны надпочечников альдостерона, который, помимо того что усиливает реабсорбцию натрия в дистальных канальцах и спо- собствует задержанию воды в организме, обладает также прессорным действием на сосуды. Длительная и значительная кровопотеря включает в приспособительные процессы регуляцию эритроци- тарной массы крови. Важную роль в этом играет гормон почек — эритропоэтин. Возникающая при уменьшении объема крови гипоксия является стиму- лирующим фактором образования эритропоэтина, который способствует превращению примитивной костномозговой клетки в проэритробласт. В приспособительных изменениях объема эритро- цитарной массы важная роль принадлежит и количе- ству эритроцитов в крови: уменьшение количества эритроцитов по принципу обратной связи вызывает усиленную продукцию эритропоэтина, и наоборот. Однако существует предел потери крови, когда уже никакие приспособительные реакции не спо- собны восстановить объем крови до нормального уровня. Как уже отмечалось, потеря '/з крови мо- жет привести к гибели организма. В этом случае не- обходимо только срочное переливание крови или кровозамещающих жидкостей. Увеличение При увеличении объема циркулирующей крови Объема крови (при варикозном расширении вен, после длительно- го постельного режима, при сердечной недостаточ- ности, циррозе печени, нефрите и т. д.) происходят обратные процессы: уменьшение силы и частоты сердечных сокращений, падение тонуса сосудов, переход жидкости в ткань из крови, снижение про; цессов реабсорбции воды и натрия и, как следствий! увеличение диуреза. Л 128
2.3. Функциональная система, поддерживающая оптимальный для метаболизма уровень pH в организме 2.3.1. Кислотно-основное состояние Общая Среди физико-химических показателей внутренней характеристика среды организма важнейшее место принадлежит кислотно-основному состоянию крови. От соотно- шения концентраций ионов водорода [Н ] и ионов гидроксила [ОН ] в крови зависят активность фер- ментов, интенсивность окислительно-восстанови- тельных реакций, процессы расщепления и синтеза белков, окисления углеводов и липидов, чувстви- тельность клеточных рецепторов к медиаторам и гормонам, проницаемость мембран, физико-хими- ческие свойства коллоидных систем клеток и меж- клеточных структур и многое другое. Современные представления о механизмах формирования реак- ции среды основаны на протолитической теории Бренстеда — Лоури, согласно кото- рой кислотами считают вещества, освобождающие в процессе диссоциации протоны Н+, а основания- ми вещества, связывающие их. Источники протонов в организме Ионизация воды В процессе метаболизма образуются соединения, об- ладающие основными или кислотными свойствами и способные вследствие этого изменить реакцию среды. Диапазон колебаний концентрации прото- нов в сутки составляет 36-44 ммоль/л, и только благодаря работе химических и физиологических буферных систем реакция жидких сред и тканей здорового организма остается постоянной. Источни- ками протонов в организме являются следующие процессы. Степень диссоциации (ионизации) воды очень мала, а сама диссоциация равновесна, поэтому к процессу применим закон действующих масс: Н2О Н^ + ОН - 13,7 ккал. При температуре 23 "С количество ионов [Н!] или [ОН ] в 1 л воды равно 10 7. В одних реакциях, в зависимости от природы «партнера», вода выступа- ет в роли кислоты, а в других — в роли основания. Соединения такого типа называются амфолитами. 129
Диссимиляция углеродных скелетов белков, жиров и углеводов Ионизацию воды, протекающую по схеме Н2О + Н2О ♦-* Н3О+ + ОН , называют автопротолизом. Главным источником протонов яв- ляется двуокись углерода — конечный продукт' окислительного метаболизма питательных веществ в цикле трикарбоновых кислот. Суммарное суточ- ное образование СО2 эквивалентно в средне» 13000 ммоль/л. Двуокись углерода находится в ор-Я ганизме в газообразной форме, в виде иона НСОз, Л в виде угольной кислоты Н2СО3. Сумма всех эти» форм называется «общий СО2», или «пул угольной кислоты». Я При растворениии СО2 в воде (гидратация) обра-Я зуется угольная кислота, которая является главном летучей кислотой внеклеточной жидкости: I СО2 1 Н2О ♦-* Н2СО3. I В зависимости от реакции среды угольная кислота может: • разлагаться др СО2 и воды (при высоком содержа- нии ионов Н в среде) с последующим выделени- ем СО2 легкими и понижением концентрации [Н + ]; • диссоциировать с образованием ионов Н1, если их в среде мало. В этом случае Н2СОз является ведущим фактором закисления среды. ? СО2 + Н2О Н2СО3 Н+ + НСОз- (К -Легкие Почки-» Разложение Диссоциация Таким образом, СО2, не являющийся собственно кислотой, повышает кислотность раствора (снижает pH) вследствие образования и после- дующей диссоциации Н2СО3 с образованием Н4-ионов (1). Вместе с тем при диссоциации Н2СО3 образуются и гидрокарбонат-ионы НСОз, обладающие основный ми свойствами (1). ] Общий резервуар угольной кислоты Н2СО3 (т. е? сумма физически растворенного СОг и СО2 в виде Н2СО3, обозначаемая общим термином «депо», или «пул», угольной кислоты) рассматривают как кис- лый компонент гидрокарбонатной буферной систе- мы и НСОз сопряженного основания. 130
1’идрокарбонатная буферная система Н2СО3/НСО3 — наиболее важ- ная сопряженная буферная система внеклеточной жидкости. Источником нелетучих кислот (например, H2SO4, Н3РО4) являются питательные вещества. Количество нелетучих кислот, образующихся в процессе метаболизма, гораздо меньше, чем летучих. Нелетучие (некарбоновые) кислоты образуются в процессе катаболизма различных аминокислот и фосфолипидов. Серосодержащие аминокислоты цистеин и метионин превращаются в серную кислоту; лизин, аргинин и гистидин — в соляную; фосфолипиды — в фосфорную. Основную часть нелетучих кислот составляют метаболиты аминокислот. Некоторые некарбоновые кислоты (молочная, уксусная, |1-гидроксимасляиая) могут преобразовываться с выделением СО2 и удаляться путем легочной вентиляции. Однако если эти кислоты накапливаются в боль- ших количествах, они выделяются почками, так же как серная, соляная и фосфорная кислоты. В совокупности вклад некарбоновых кислот в продукцию протонов составляет 40 -70 ммоль/сут., т. е. около 1 ммоль/кг массы тела в сутки. При тя- желой мышечной работе и некоторых заболеваниях (сахарный диабет) продукция нелетучих кислот резко возрастает. Суточная продукция протонов вследствие всех метаболических процессов составляет в сред- нем 13070-14000 ммоль/л, а при тяжелой физиче- ской работе может увеличиться в 20 раз, что во много раз превышает допустимые физиологические колебания (36-44 ммоль/л). Показатель pH Принимая во внимание огромное значение ионов II для химических реакций в водных растворах и, следовательно, в живой клетке, датский биолог Н. Серенсен предложил удобную шкалу концентра- ции ионов водорода в растворе. С этой целью он ввел величину pH (от англ, power Ilidrogenium — напряжение водорода) — отрицательный логарифм концентрации [Н ]: pH = ] (2) и аналогично для ионов [ОН ]; рОН = lg[OH"]. (3) 131
и аналогично для ионов ОН : i рОН = -lg[OH']. (3) • pH = 7 — для чистой воды; • pH <7 — для кислого раствора, в котором [H+]i В 1 л больше 10~7; • pH > 7 для основного раствора, в котором [Н+] в 1 л меньше 10 7. Показатель pH = 7,35+7,45 является жизненно важным и наиболее жестким из всех известных гомеостатических показателей. Даже небольшие изменения pH влекут за собой нарушение жизненно важных физиологических процессов. Так, сдвиг pH на 0,1 сопряжен с нару- шением функций дыхания и сердечно-сосудистой деятельности; снижение pH на 0,3 вызывает ацидо- тическую кому, а на 0,4 — как правило, не совме- стимо с жизнью. 2.3.2. Системные механизмы поддержания оптимального для метаболизма кислотно-основного состояния Системные механизмы регуляции pH, исходя из те- ории функциональных систем, можно представить следующим образом (рис. 31). ГОРМО- НАЛЬНАЯ ЕГУЛЯЦИ ЭРА I + IИПОТАЛАМО- ПИМБИКО- РЕТИКУЛЯРНЫЕ СТРУКТУРЫ ДЫХАТЕЛЬНЫЙ ПОТООТДЕЛЕНИЕ ПОВЕДЕНЧЕСКАЯ РЕГУЛЯЦИЯ ЛЕГОЧНАЯ ВЕНТИЛЯЦИЯ ГЕМОГЛОБИНОВЫЙ БУФ^Г] -|гИДРОКАРБОНАТНЫЙ БУФЕр| ВЫДЕЛИТЕЛЬНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ЖЕЛУДОЧНО-КИШЕЧНОГО ТРАКТА ВЫДЕЛИТЕЛЬНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ПОЧЕК ХЕМО- РЕЦЕПТОРЫ Рис. 31. Схема функциональной системы, поддерживающей оптимальный для метаболизма уровень водородных ионов в организме 132
Характеристика результата Конечный полезный результат, ради достижения и сохранения которого объединяется множество физико-химических и физиологических механиз- мов и исполнительных органов, — pH жидких сред и тканей организма, ив первую оче- редь — крови и цереброспинальной жидкости. Вне- клеточная жидкость и кровь имеют слабоосновную реакцию; внутриклеточная среда, как правило, электронейтральна. Показатель pH главных жидких сред организма составляет: • артериальная кровь — 7,36-7,42; • венозная кровь — 7,26-7,36; • цереброспинальная жидкость — 7,40-7,50; • межклеточная (тканевая) жидкость — 7,26-7,38. Показатель pH некоторых соков организма ко- леблется в очень широких пределах: от 1,4—1,8 у кислого желудочного до 7,8-8,4 у резко основно- го сока поджелудочной железы. Увеличение показателя pH выше 7,45 характери- зуется как алкалоз; снижение за пределы 7,35 — как ацидоз. Рецепция результата Рецепторы, чувствительные к изменениям концен- трации водородных ионов [II ’ ] и парциального дав- ления двуокиси углерода (рСОг) крови, находятся в кровеносных сосудах и тканях (периферические) и в продолговатом мозге (центральные), образуя двойную систему надежного контроля содержания Периферические хеморецепторы протонов. Периферические хеморецепторы сгруппированы в аортальном и каротидном тельцах (рис. 32). Рецеп- торы каротидных телец намного чувствительнее к изменениям рСОг и pH, чем рецепторы аортальных телец; последние осуществляют в основном конт- роль содержания кислорода в крови. Каротидные тельца расположены у бифур- кации сонных артерий, где они подразделяются на внутренние и наружные. Миниатюрные образования получают огромный кровоток (1,4-2,0 л/мин/100 г ткани), несущий информацию о малейших отклонениях газового и кислотно-основного состояния крови. Каротидные тельца образованы множеством долек, каждая из 133
Рис. 32. Локализация и микроструктура периферических хеморецеиторов: I - расположение хеморецепторов каротидных и аортальных телец и баро[>ецепторо каротидных синусов и дуги аорты [Carmos, 1962]; II — микроструктура участк каротидного тельца крысы) [McDonald, Mitchel, 1975] которых, в свою очередь, состоит из клеток I тип; (гломусные) и клеток II типа (поддерживающие). Гломусные клетки, являющиеся собствеин, хеморецепторами, содержат ряд нейротрансмитте ров — допамин и другие катехоламины, серото нин, ацетилхолин и некоторые нейропептиды. Вы свобождение допамина, например, модулируете! отклонениями вследствие метаболических или ды хательных нарушений. Гломуеные клетки соединя ются синаптическими контактами и имеют слож ную систему афферентно-эфферентной иннервации Хеморецепторы возбуждаются при снижении ] крови рОг или pH и при повышении рСОг- Считают что активация гломусных хеморецепторов обусловле на не прямым действием на них СОг, а сопряженным! с СОг изменениями pH в тканях каротидных телец. Поддерживающие клетки, подобно глиаль ным клеткам мозга, выполняют трофическую фун кцию по отношению к гломусным. Центральные Центральные хеморецепторы играют ключевуи хеморецепторы роль в контроле парциального давления СОг и кон центрации ионов [Н+] в омывающей их внеклеточ ной мозговой жидкости. Последняя является непос родственной питательной средой клеток, и именн< 134
ее параметры, как показали исследования с при- менением pH-чувствительных электродов, а не изменения газового состава цереброспинальной жидкости, контролируются центральными хемо- рецепторами. Они расположены на вентральной поверхности продолговатого мозга у места выхода корешков подъязычного и блуждающего нервов, в непосредственной близости от нейронов дыха- тельного центра (рис. 33). Рис. 33. Локализация центральных хеморецеиторов в продолговатом мозге: V-XII - места выхода черепных нервов Молекулярные механизмы центральной хеморе- цепции неизвестны. Возможно, рСОг и pH пред- ставляют независимые стимулы для единого рецеп- торного механизма либо специфические стимулы для различных рецепторных образований. Капилляры гематоэнцефалического барьера, раз- деляющего кровь и ткань мозга, относительно не- проницаемы для ионов Н+ и НСОз, поэтому цент- ральные рецепторы нечувствительны к изменениям кислотно-основного состояния (pH) крови. Вместе с тем молекулярный СОг легко диффун- дирует через этот барьер в направлении кровь мозг, поэтому сдвиги рСОг крови быстро приводят к сопряженным изменениям рСОг, а затем и pH межклеточной жидкости мозга. Закисление внеклеточной мозговой жидкости яв- ляется важнейшим этапом центральной хеморецеп- ции. В отличие от крови она содержит ничтожные количества белка, поэтому не имеет собственных 135
Сигнализация от рецепторов в нервные центры Сигнализация от периферичес- ких рецепторов Сигнализация от центральных рецепторов буферных систем и не способна компенсировать сдвиги pH за счет «местных» механизмов. Поэтому увеличение или уменьшение pH внеклеточной внутримозговой жидкости стимулируют централь- ные рецепторы протонов, а они, в свою очередь, из- меняют активность дыхательного центра. В цитоплазме гломусных клеток находятся синапти- ческие пузырьки, которые тесно соприкасаются с чувствительными окончаниями афферентных нерв- ных волокон. Активация гломусных хеморецепто- ров приводит к увеличению импульсации в идущих от них центростремительных нервах — каротидной ветви языкоглоточного (синусный, нерв Геринга) и аортальной ветви блуждающего (аортальный). При этом повышается частота импульсации в уже актив- ных волокнах и появляется в ранее «молчащих». Первичные афференты синусного и аортального нервов, пройдя ипсилатеральное ядро солитарного тракта, поступают к нейронам дыхательного центра продолговатого мозга и изменяют его активность в зависимости от изменений рС()2, рО2 и pH крови. Центральные рецепторы протонов, в отличие от пе- риферических, связаны с нейронами дыхательного центра прямыми гуморальными связями, позво- ляющими осуществлять экстренную, точную, аде- кватную регуляцию активности дыхательного центра при повышении или понижении рСОя и pH внеклеточной мозговой жидкости, контактирую- щей с рецепторами (рис. 34). Рис. 34. Отношение между концентрацией [Н ] ионов во внеклеточной жидкости продолговатого мозга и частотой импульсации д иафрагмального нерва при ацидозе [F. Eldridge, 1985] 136
Нервные центры Исполнительные механизмы функциональной системы Буферные механизмы саморегуляции Как прямая гуморальная (от центральных хеморе- цепторов), так и опосредованная через афферентные нервы (от периферических хеморецепторов) инфор- мация о параметрах кислотно-основного состояния внутримозговой жидкости и крови поступает в дыха- тельный центр, расположенный в медиальной части ретикулярной формации продолговатого мозга. Дыхательный центр продолговатого мозга представлен двумя группами клеток, изме- няющими активность в соответствии с фазами ды- хательного цикла (инспираторные и экспиратор- ные нейроны). Нисходящими нервными путями дыхательный центр продолговатого мозга связан с мотонейронами шейного и грудного отделов спин- ного мозга, иннервирующими дыхательные мыш- цы (диафрагма, межреберные мышцы). Изменение тонуса дыхательного центра приводит к изменени- ям параметров легочной вентиляции. В организме существует несколько исполнитель- ных механизмов борьбы с кислотно-основными нарушениями: вне- и внутриклеточные буферные системы, работа легких, работа почек, печени, желудочно-кишечного тракта и др. Колебания pH крови в физиологических условиях крайне малы благодаря наличию буферных систем крови. Основные буферные системы плазмы — гид- рокарбонатная, фосфатная и белковая; главным внутриклеточным буфером является гемоглобино- вый буфер эритроцитов. Основой всех буферных систем крови, составляю- щих в совокупности систему экстренной «местной» регуляции кислотно-основного состояния, не свя- занную с центральными структурами мозга, явля- ются сопряженные кислотно-основные пары. Понимание тонких механизмов их работы невозможно без знания элементарных химических процессов и реакций. Современные представления о механизмах фор- мирования кислотности и основности среды ба- зируются на протолитической теории Бренстеда— Лоури. В отличие от теории Аррениуса, она позволяет объяснить кислотные и основные свойства соедине- ний, не содержащих ион Н+ или ион ОН , а также 137
механизмы реакции, протекающих в неводных ср( дах. Согласно протолитической теории, кисло той является донор протона, т.е. любг частица (молекула или ион), способная отдана1: протон Н , превращаясь при этом в сопряженж основание: Н2СО3 Н" т НСОз. кислота сопряженное основание Слабые кислоты в воде ионизируют частично j следовательно, не высвобождают ионы Н+ в тако количестве, как сильные кислоты. Основание — это акцептор протон о1 т. е. частица (молекула или ион), способная присо< динять протон: НСОз + Н* *-* НзСОз; основание сопряженная кислота NH3 + H+ N1G- основание сопряженная кислота Слабые основания связывают поет водорода менее прочно, чем сильные. Амфолиты — соединения, способные как при- соединять, так и отщеплять протон: НСОз «-> Н+ 4 СО3 ; кислота основание НСОз 4- Н* -*-* Н2СО3; основание кислота Н2РО4 Н! + РО4 ; кислота основание НРО4 ( II* -и- Н2РО4. основание кислота Из приведенных примеров видно, что реакция отщепления и присоединения протона обратима. | Кислота «-> Н* 4 Основание | Сопряженные кислотно-основные пары — основа буферных систем Таким образом, согласно теории Бренстеда — Лоу- ри, возникает представление не об индивидуальных веществах (кислота, основание — по Аррениусу), а об одновременно присутствующих в растворе кислоте и основании, т.е., сопряженных парах. Кислота / Основание j Н2СОз / НСОз. 138
Для сопряженной кислотно-основной пары мож- но вывести связь между константой кислотности и константой основности, если перемножить их выра- жения: X КЬЖЯ = Kw. Из уравнения видно, что чем сильнее кислота, тем слабее сопряженное основание (табл. 4). Таблица 4 Сила кислоты и сопряженного основания Процесс и его константа Сопряженные пары Н2СО3 ♦♦ Н+ + НСС£ Н2СО3 / НСО3 Кна2со3 = 4,5 • 10 7 Кнсо, “ Ю Н2РО4 н+ + нроГ Н2РО4/НРО4" KHa2PO4 = 6-10e Кнро,' ~ Ю 2.3.3. Буферные растворы Общая характеристика буферных систем Буфер — это система, которая стремится противо- стоять изменению pH после добавления небольших количеств кислоты или основания. Буферными растворами, по Аррениусу, назы- вали: • смесь слабой кислоты и ее соли (Н2СО3 + + NaHCO.t); • слабого основания и его соли (NH4OH + NH4CI). В настоящее время такие обозначения не приня- ты, так как для водных растворов нет понятия «соль»; большинство из них диссоциированы, и, со- гласно закону Кольрауши, чем больше константа диссоциации, тем большей независимостью движе- ния и подвижностью обладают ионы в растворе. С точки зрения протолитической теории Брен- стеда — Лоури, буферным раствором называют смесь (в определенных соотношениях) слабой кис- лоты и сопряженного с ней основания. 139
Пример: СНзСООН + Н2СО3 + Н2РО4 + СНзСОО нсо; нро^ NH] + NH3 Основное свойство буферных растворов заклю- чается в том, что при добавлении в этот раствор небольших количеств сильной кислоты или основа- ния pH буферных растворов меняется мало. pH буферного раствора не зависит также от раз- бавления раствора, а зависит только, как видно из формулы Буферная емкость раствора ГНЬ1 = Ка Кис-т10та 1 J Основание’ от величины константы кислотной диссоциации и соотношения Кислота / Основание. У каждого буферного раствора есть буферная ем- кость, которая определяется количеством эквива- лентов сильной кислоты или основания, которые необходимо добавить для изменения pH буферного раствора на единицу (при этом буферная система уже не существует). Гидрокарбо натный буферный раствор Особое место среди физико-химических механиз- мов, поддерживающих pH крови, занимает гидро- карбонатный буфер, образованный слабой угольной кислотой и сопряженным основанием — гидрокар- бонат-ионом: Н2СО3 НСО3. слабая кислота сопряженное основание Гидрокарбонатный буфер образуется в плазме вследствие растворения СОг (продукт жизнедея- тельности клетки) в воде: 0) ® СО2 + Н2О -Ц- Н2СО3 Н+ + НСОз и дальнейшего увеличения концентрации НСОз до соотношения [Н2СО3] / [НСОз] = 1:20, благодаря наличию в растворе фосфатного буфера (см. далее). Соотношение угольной кислоты Н2СО3 и гидрокар бонат-иона НСОз, равное в норме 1: 20, поддерживает pH 7,40, и пока это соотношение сохраняется, pl I остается стабильным. 140
Константу диссоциации угольной кислоты запи- сывают так: m [нсоз] АнгОТ., [Со2] [Н2СОз]’ <4> Для плазмы (при / 37 С) истинная /Гц, со, = Ю 6 (рКдис = 6,1). Знаменатель в реакции (4) представляет общее количество СОг, находящегося в растворе. Так как количество СОг в растворе определяется его парци- альным давлением рСОг и растворимостью а, то уравнение (4) принимает следующий вид: а [Н’ЛНСОз] K"zU>:i ~ ' <1 рСО2 где (х — коэффициент растворимости СОг в плазме, равный 0,03 при I 37 С. Из этого уравнения следует, что ppj _ а ' РСОг Уравнение Гендерсона — Гассельбаха [НСОз] Прологарифмировав обе части уравнения, можно вывести уравнение Гендерсона — Гассельбаха для расчета концентрации [Н * | и pH любого раствора. „ ,ДНСО3] рн ркщсо, + is—со;. рКн2со:, — константа диссоциации угольной где кислоты в водном растворе, равная 6,1; а — коэф- фициент растворимости СОг, равный 0,03. Из уравнения Гендерсона — Гассельбаха очевид- но, что рП варьирует при изменении |НСО3| и рСОг. Например, при повышении рСОг крови реакция трансформации НгСОз смещается вправо: СОг + Н2О НгСОз -» Н* 1 НСОз, [НСОз] отношение -----уменьшается, следовательно, а рСО2 согласно уравнению Гендерсона — Гассельбаха, уменьшается и pH крови. Развивается тенденция к ацидозу — закислению среды, которое в норме 141
быстро компенсируется гидрокарбонатным буфе ром. Избыток буферного основания НСОз (20) по от ношению к свободной угольной кислоте Н2СО3 (1 нейтрализует избыток ионов Н+, образуя слабув угольную кислоту. В условиях закисления ее диссо циация с образованием новых ионов Н* резко по давляется, и, напротив, усиливается реакция раз ложения на СОг и НгО, т. е. равновесие сдвигаете: влево: СО2 + Н2О Н2СО3 «-► Н* + НСОз, а образующаяся СОг, как возможный источни: дальнейшего закисления, удаляется из организм легкими. Следовательно, при введении в буферную систему любой сильно) кислоты ее ионы Н связываются с основанием НСОз в малодиссо циирующую Н2СО3; pH раствора изменяется незначительно. Гидрокарбонатный буфер играет некоторую рол и в связывании ОН -ионов; они соединяются । ионами Н угольной кислоты в малодиссоцииро ванную Н2О; pH крови также не меняется. Емкость гидрокарбонатной буферной системы Н2СО3 / НСОз составляет 7-9 % общей буферной емкости крови и 97-98 % буферной емкости вне- клеточной жидкости, которая включает в себя меж- тканевую жидкость, лимфу, цереброспинальную жидкость. Это объясняется тем, что НСОз является главным буфером для некарбоновых кислот. Гидрокарбонатная буферная система вступает в реакции обмена с другими буферными система- ми, поэтому количество свободной Н2СО3 зависит и от их содержания. Фосфатный Фосфатная буферная система образована сопряжен- буферный ной парой: одно- и двухосновными фосфат-ионами, раствор из которых один играет роль кислоты, а другой — роль основания: H2POi + НРО4 [Н2РО4] / [НРО4 ] =1:4. слабая кислота основание Непосредственная роль фосфатного буферного раствора в крови незначительна, так как концент- рация фосфат-ионов в ней невелика. Этот буфер 142
имеет гораздо большее значение в почечной регуля- ции кислотно-основного равновесия, когда ионы Н связываются ионами НРО4 в слабую кислоту н2ро;. Благодаря одновременному присутствию фосфатно- го и гидрокарбонатного буферов в плазме крови протекает следующая реакция в сторону менее дис- социированного соединения: Н2СОа + НРО4 ++ Н2РО4 т НСОз, НИИ—► т. е. концентрация Н2СО3 уменьшается, а концен- трация [НСОз] увеличивается, поддерживая посто- янство выражения Н2СО3 / НСОз 1 :20. Следовательно, в крови действие фосфатного буфера сводится в основном к поддержанию посто- янства соотношения сопряженной кислоты и осно- вания (Н2СО3 / НСОз 1 :20) гидрокарбонатного буфера. Белковые Буферные свойства белков определяются их ам- буферные фотерностью: белки могут диссоциировать как с растворы образованием Н , так и ОН -ионов. В основном растворе они отщепляют ион Н', т. е. ведут себя как кислоты; в кислом — ион ОН , т.е. ведут себя как основания. Такие вещества называ- ют амфотерными электролитами, или амфолитами. Примером их являются белки плазмы, общее коли- чество которых составляет 7-8 % сухого остатка: 4-5 % — альбумины; 2,5-3 % — глобулины. Аминокислота действует как слабая кислота: R R H2N — СН — СООН Н‘ f h2n сн соо . кислота основание При увеличении концентрации [Н ] равновесие сдвигается влево с образованием слабой кислоты. При увеличении концентрации [ОН1] равновесие сдвигается вправо с образованием малодиссоцииро- ванной Н2О. Аминокислота действует как слабое основание: R R HZN -СП - СООН + Н2О H3N+ — СН — СОООН + ОНА основание слабая кислота 143
Гемоглобиновый буфер Физико- химические свойства гемоглобина При увеличении концентрации ионов [Н+] равно- весие сдвигается вправо в сторону образования ма- лодиссоциированной кислоты, а при увеличении иона [ОН ] равновесие сдвигается влево; и в том и в другом случае pH раствора будет меняться мало. Буферная емкость белков плазмы по сравнению с гидрокарбонатным буфером невелика. Буферные свойства гемоглобина обеспечивают всей буферной емкости крови. Прежде чем рас- сматривать состав и действие главного — гемогло- бинового буфера крови, необходимо вспомнить некоторые химические и физико-химические свой- ства гемоглобина. Гемоглобин содержится в эритроцитах всех по- звоночных; в одном эритроците находится около 400 млн молекул гемоглобина; в состав гемоглоби- на входит простой белок — глобин (96 'X,) и железо- содержащая простетическая (небелковая) группа гем; при pH ниже 2,0 происходит расщепление мо- лекулы гемоглобина на гем и глобин. Гем представляет собой комплексное соединение протопорфирина с двухвалентным железом. Глобин—белок, содержит в своей молекуле 4 полипептидные цепи. Белковая часть и простетическая группа молеку- лы гемоглобина оказывают друг на друга сильное влияние. Механизм связывания гемоглобина с кислородом Процессы, происходящие при связывании гемогло бина с кислородом, можно представить следующим образом. В гемоглобине имеется 4 протомера, каж дый из которых содержит гем и может присоеди нять кислород. Превращение гемоглобина в оксигемоглобин пока зано ниже: +О2 +О2 +О2 +О2 НЪ - ► НЬО2 < * НЪ(О2)2 - ► НЪ(О2)3 - ► НЬ(О2)4 О2 —о2 —О2 02 Присоединение первой молекулы Ог изменяет конформацию (пространственную структуру) прото мера, к которому она присоединилась. Присоединение кислорода «выпрямляет» моле кулу гема. Поскольку атом Fe связан с остатком 144
гистидина пептидной цепи, то происходит и пере- мещение участка пептидной цепи, т. е. несколько изменяется в целом конформация белка. Изменения конформации таковы, что сродство гемоглобина ко второй молекуле Ог увеличивается; в свою очередь, присоединение второй, а затем и третьей молекулы Ог тоже изменяет конформацию белка и значительно облегчает присоединение сле- дующей молекулы. Сродство гемоглобина к четвер- той молекуле Ог примерно в 300 раз больше, чем к первой. При насыщении гемоглобина кислородом он ста- новится более сильной кислотой. Для гемоглобина в водных растворах существует равновесие между основанием (аминогруппа гисти- дина) и сопряженной кислотой: Hb(His) + Н2О <-»• Hb(His Н*) + ОН . аминогруппа гистидина, осн. слабая кислота При вхождении в молекулу гемоглобина вместо Н2О молекулы кислорода аминогруппа гистиди- на становится более слабым основанием, а сопря- женная кислота — более сильной, согласно уравне- нию: Hb(His) Н2О t О2 ♦-> Hb(His Н+) (O2)i-4 + ОН~. основание сильная кислота Чем больше кислорода будет входить в гемо- глобин, тем слабее будут основные свойства кисло- родсодержащей молекулы и сильнее кислотные свойства протонированного оксигемоглобина. Пол- ностью оксигенированный гемоглобин — в 70 раз более сильная кислота, чем гемоглобин, не содер- жащий кислорода: Hb(His Н+) Н2О. Сопряженная пара представляет собой гемогло- биновый буфер, который не допускает изменения pH при добавлении небольших количеств кислоты или основания: Hb(His Н+) (О2)1-4 / Hb(His Н) Н2О. кислота сопряженное основание Процессы, происходящие в плазме крови и в эри- троцитах при дыхании, представлены на рис. 35. g 2029 145
Значение гемоглобинового буфера эритроцитов и гидрокарбо- натного буфера плазмы для поддержания в процессе дыхания оптимального значения pH крови Ткани Рис. 35. Механизм переноса кровью О2 и СО2 Для поддержания постоянства pH плазмы наиболь-J шее значение имеет гидрокарбонатиая буферная си-’ стема, а в эритроцитах — гемоглобиновый буфер. ] При прохождении крови по капиллярам тканей] оксигемоглобин Hb(His Н+)(Ог)1 4 отщепляет Ог (рис. 36). Деоксигенации гемоглобина способствует поступление из тканей в кровь СОг и изменение в связи с этим pH раствора. В присутствии значительной концентрации [Н+] происходит протонирование аминогрупп белковой части деоксигенированного гемоглобина с образо- ванием слабой кислоты Hb(His Н*) НгО, что со- провождается конформационной перестройкой молекулы гемоглобина и более легкой диссоциа- цией оставшихся молекул кислорода. Благодаря связыванию Н в малодиссоциирован- нуто кислоту Hb(His Н+) НгО равновесие сдвигается вправо. В эритроцитах венозной крови при этом уменьшается концентрация [Н+] и накапливается 146
Рис. 36. Сатурационно- диссоциационная кривая оксигемоглобина: 1 - норма; 2, 3 - - при сдвигах (увеличение или уменьшение) pH и температуры К)Х>ВИ основание НСОз; 80 % всего количества СОг пере- носится от тканей в легкие в виде аниона НСОз • Ионы НСОз частично диффундируют обратно в плазму крови. На их место в эритроциты из плаз- мы, согласно закону ионного мембранного равно- весия Доннана, входят ионы хлора (С1 ). Электро- нейтральность растворов обеспечивается за счет присутствия катионов Na' и К*; мембрана эритро- цитов для них непроницаема. Гидрокарбонат-ионы, перешедшие в плазму и оставшиеся в эритроцитах, участвуют в создании гидрокарбонатной буферной системы: [Н2СО3] / [НСОз] ' 1:20. Легкие Претерпев изменения в капиллярах тканей (диссо- циация оксигемоглобина), эритроциты с венозной кровью попадают в капилляры легких, где проис- ходят процессы, обратные тем, которые протекают в тканях, т. е. образование оксигемоглобина (сату- рация гемоглобина) в связи с насыщением его кис- лородом (см. рис. 36). Гемоглобин насыщается кислородом согласно са- турационной кривой при большом его парциальном давлении в легких (105 мм рт. ст.). При этом пони- жается основность его аминогрупп и увеличивается кислотность протонированного оксигемоглобина: Hb(His Н*) (02)1-4- 147
Дыхательный механизм регуляции Гидрокарбонат-ионы НСОз, накопившиеся в ве- нозной крови и поступившие с ней в легкие, соеди- няются с Н -ионами оксигенированной кислоты с образованием малодиссоциированной Н2СО3, ко- торая под действием присутствующей в крови карбоангидразы легко разлагается на СО2 и НгО. Двуокись углерода легко проходит через мембрану эритроцита в плазму и далее через аэрогематиче- ский барьер в альвеолярный воздух. Таким образом, как в венозной, так и в артери- альной крови гемоглобиновый буфер обеспечивает сохранение оптимального значения (7,30 7,40). В отсутствие гемоглобинового буфера в венозной крови превращение СОг в угольную кислоту Н2СОз могло бы изменить pH крови в кислую сторону, ес- ли бы протон не связывался с гемоглобином (осно- вание) в слабую кислоту Hb(His Н') Н2О. И наоборот, в капиллярах легких освобождение протона сильной оксигенированной кислотой Hb(His Н *) (Ог)| 4 предотвращает повышение ос- новности за счет связывания гидрокарбонат-иона в слабую угольную кислоту. Легкие представляют собой вторую линию защиты от нарушений кислотно-основного состояния, так как способствуют поддержанию рСОг артериальной крови на нориальном уровне — 40 мм рт. ст., не- смотря на большие колебания образования уголь- ной кислоты. Легкие обеспечивают практически немедленную регуляцию ее выведения или задерж- ки. Высокая растворимость в воде и способность к диффузии СОз делают его удобным «транспорт- ным средством» по удалению кислоты из тканей в кровь, а из крови — в альвеолярный воздух: Н2СО3 -► СО2 + Н2О. При повышении рСО2 и [Н+] межклеточной моз- говой жидкости увеличивается активность инспи- раторных и уменьшается активность экспиратор- ных нейронов дыхательного центра, вследствие чего дыхание становится более глубоким и частым. Кроме этого, повышение рСО.> вызывает расши- рение сосудов, особенно сосудов мозга, усиливая та- ким образом диффузию СОг через гематоэнцефали- ческий барьер и способствуя быстрому нарастанию [Н+] во внеклеточной жидкости мозга. Вследствие того что в ней практически нет белков, обладающих 148
Почечные механизмы регуляции буферными свойствами, сдвиги pH происходят значительно быстрее, чем в крови, поэтому компен- саторный дыхательный ответ (увеличение объема легочной вентиляции) на закисление внеклеточной жидкости мозга происходит практически момен- тально, в течение нескольких секунд. При цонижении и рСОа и [Н+], наоборот, актив- ность инспираторных нейронов уменьшается, вследствие чего дыхание становится поверхност- ным и редким, вплоть до остановки. Таким образом, в дыхательном механизме ком- пенсации кислотно-основного состояния регуляция выделения СОа зависит от величины минутной вен- тиляции, являющейся производной изменений ско- рости и объема легочной вентиляции. Повышение минутной альвеолярной вентиляции приводит к усиленному выведению легкими СО2, снижению рСОг артериальной крови, концентрации [И1] и по- вышению pH. Уменьшение минутной вентиляции, напротив, способствует задержке СОа н крови, по- вышению его парциального давления, накоплению ионов [НД и снижению pH. Дыхательный центр увеличивает или уменьшает легочную вентиляцию по сигналу хеморецепторов. Реакция гипервентиляции связана с прямой гуморальной стимуляцией дыхательного центра продолговатого мозга СО2 и со стимуляцией пери- ферических хеморецепторов каротидных телец (сонного синуса). Дыхательный ответ может длиться несколько ча- сов; он предупреждает значительные изменения pH крови, но не удаляет кислоту из организма. Почки представляют собой третью линию защиты от нарушений кислотно-основного состояния и кон- тролируют в основном выведение некарбоновых кислот и сохранение ионов НСОз. Определенное количество этих кислот образуется в метаболизме различных аминокислот. Суммарное количество неорганических кислот (H2SO4, НС1, Н2РО4) компенсируется образовани- ем основания НСОз в метаболизме аспарата, глута- мата и некоторых органических ионов (например, цитрата). Структурно-функциональной единицей почки является нефрон. 149
Реабсорбция гидрокарбоната Проксимальный каналец В нефроне происходят: 1) ультрафильтрация плазмы крови в почечных клубочках — количество фильтруемого НСОз составляет 4150 ммоль/сут.; 2) реабсорбция эпителием почечных канальцев и возвращение в кровь полезных компонентов (в ре- зультате в кровь возвращается 4145 ммоль/сут. НСОз, а с мочой выделяется только 5 ммоль/сут. НСОз-иона); 3) секреция из крови в просвет канальцев и выве- дение в составе мочи токсических продуктов ме- таболизма, нелетучих органических и неоргани- ческих кислот. Участие почек в поддержании стабильного значе- ния крови связано с их способностью к экскреции (выделению) избытка кислот и оснований в зависи- мости от ситуации, сложившейся в организме. Чтобы поддерживать кислотно-основное состо- яние, почки должны выделять такое количество кислоты, которое было бы эквивалентно продукции нелетучих кислот (50 100 мэкв/сут.). Кроме этого, почки должны ограничивать выведение НСОз мо- чой. И наконец, перед почками стоит еще более сложная задача: когда отфильтрованное количество НСОз составляет 4500 мэкв/сут., ему должно соот- ветствовать 50 100 мэкв/сут. фильтрата неоргани- ческих кислот. Однако до того, как произойдет экскреция кис- лот, почки реабсорбируют ион гидрокарбоната НСОз, профильтровавшийся в клубочках. В процессе клубочковой фильтрации образуется 4500 мэкв/сут. НСОз, который поступает в прокси- мальный каналец; при этом 85 ‘/о НСОз реабсорби- руется здесь же. Апикальная мембрана клеток проксимального ка- нальца имеет Na' H'-обменник, управляемый по- токово-клеточным градиентом Na' и выделяющий основную массу Н в каналец (рис. 37). Секреция небольших порций Н катализируется И*-АТФа- зой. Внутри клеток канальцевого эпителия ионы Н и НСОз образуются в результате диссоциации Н2СО3, катализируемой карбоангидразой. Ионы Н+ выделяются в просвет канальца в первичную мочу, тогда как ионы НСОз выходят из клетки через базолатеральную мембрану в кровь. Несмотря на 150
Петля Генле Рис. 37. Клеточные механизмы реабсорбции гидрокарбоната НСОз в проксимальных канальцах: /М - ка |>боая гидраза наличие электрохимического градиента, благодаря которому возможен пассивный выход НСОз из клетки, основное перемещение НСОз связано с транспортом ионов Na* и С1 . Внутри канальца сек- ретированные ионы взаимодействуют с отфильтро- ванным НСОз, образуя Н2СО3, которая быстро рас- падается (дегидратируется) до СОз и НзО благодаря карбоангидразе, находящейся на люминальной сто- роне щеточной каемки апикальных мембран кле- ток канальцевого эпителия. Так как каналец легко проницаем для СОг и НзО, они быстро диффундиру- ют обратно в клетки проксимального канальца, где соединяются с НгО и образуют Н2СО3, завершая та- ким образом этот цикл. При этом на один ион НСОз, вышедший в просвет канальца, приходится один реабсорбированный в кровь ион. Около 10-15 % отфильтрованного количества НСО3 реабсорбируется в петле Генле, в ее широкой восхо- дящей части, которая, так же как и проксималь- ный каналец, имеет на апикальной мембране Na - Н+-обменник. Собирательная Дистальный каналец и собирательная трубочка ре- трубочка абсорбируют малую долю НСОз (5 %) (рис. 38). Ме- ханизм реабсорбции здесь зависит от Н -АТФазы, а не от Na+. Особенностью реабсорбции в собиратель- ных трубочках по сравнению с проксимальными отделами нефрона является то, что не все клетки собирательных трубочек, а только вставочные, включены в Н+-секрецию. Этот механизм показан на рис. 35. Внутри вставочной клетки Н+ и НСОз 151
Рис. 38. Клеточные механизмы реабсорбции НСОз вставочными клетками собирательных трубочек образуются путем гидратации СО?.; эта реакция ка- тализируется карбоангидразой. Ионы Н выводит в каналец Н‘-АТФаза; НСОз выходит из клетки через базолатеральную мембрану. Канальцевые клетки собирательной трубочки непроницаемы для Н*, по- этому pH жидкости в данном участке самый высо- кий на всем протяжении нефрона (pH = 4,0^4,5). Для сравнения: проницаемость для П1 и НСОз в проксимальном канальце гораздо выше, здесь pH падает до значения 6,5. Регуляция реабсорбции гидрокарбоната Реабсорбция НСОз регулируется несколькими фак- торами (табл. 5), которые действуют как в прокси- мальном канальце, так и в собирательной трубочке. Таблица 5 Факторы, регулирующие транспорт НСОз (по М. А. Гриппи, 1997) Проксимальный каналец Собирательная трубочка рСОг Градиент pH Фильтруемое количество НСОз Разность электрических потенциалов Карбоангидраза рСОг Паратирин Альдостерон Концентрация {К4] [НРО§] в сыворотке Экскреция МН( Любые изменения в уровне фильтрации НСОз влекут соответствующие изменения реабсорбции НСОз в проксимальном канальце. Поскольку НСОз всасывается в проксимальном канальце посредст- вом Na -Н+-обменника, факторы, воздействующие на реабсорбцию Na+, вторично будут вносить изме- 152
Почечная экскреция кислот Ацидогенез нения в процесс реабсорбции НСОз. Увеличение объема внеклеточной жидкости подавляет реабсор- бцию НСОз, и наоборот: при ее уменьшении реаб- сорбция НСОз возрастает. Изменения кислотно-основного состояния также влияют на реабсорбцию НСОз в проксимальном ка- нальце. Системный ацидоз, который возникает вследствие снижения в плазме концентрации НСОз (метаболический) или вследствие повышения рСОг в плазме (респираторный), стимулирует секрецию Н в клетках проксимального канальца. Эта сти- муляция является результатом закисления внут- риклеточной жидкости эпителия канальцев. Об- ратным образом действуют метаболический и ре- спираторный алкалозы, при которых Н -секреция в проксимальном канальце подавляется. Реабсорб- ция НСОз в толстой восходящей части петли Генле и собирательной трубочке также зависит от сис- темных изменений кислотно-основного состояния: ацидоз стимулирует, а алкалоз подавляет этот про- цесс. Дополнительный фактор, регулирующий реаб- сорбцию НСОз в собирательной трубочке, — аль- достерон: при его повышении секреция II* вставоч- ными клетками стимулируется, а при понижении замедляется. Функции почек в обеспечении кислотно-основного гомеостаза не ограничиваются регуляцией уровня НСОз в крови. Выведение почками продуктов катаболизма бел- ков и аминокислот, радикалов нелетучих органиче- ских и неорганических кислот сопряжено с экскре- цией из крови в состав мочи протонов (Н ), которая завершает процессы реабсорбции и фильтрации НСОз, а также экскреции кислот. В сутки нефроны секретируют - 4600 мэкв/сут Н . Большая часть Н+-ионов не выделяется с мочой, а сохраняется, чтобы восстанавливать фильтрационный уровень НСОз. Только лишь 50 100 мэкв/сут Н+ выводится из организма, в результате чего моча сохраняет нормальную кислотность. Клетки дистального отдела нефрона секретируют ионы Н+ в просвет канальцев в обмен на реабсор- бируемые ионы натрия (ацидогенез). В просвете канальца Н -ионы соединяются с НСОз-ионами, 153
и образуется Н2СО3, которая под влиянием карбо ангидразы распадается на СО2 и Н2О. При этом концентрации НСОз и Н+ уменьшаются. Буферы мочи Аммониевый буфер мочи Главным фактором, определяющим количество выделяемых кислот, является наличие буферов мо чи, из которых главными являются аммониевый NH4 /NH3 и фосфатный Н2РО4 / НРОд буферы. Важнейшим почечным механизмом экскреции про тонов Н+ является процесс аммониогенеза, в ходе которого образующийся при дезаминировании глу тамата аммиак NH3 диффундирует в просвет почеч ных канальцев, где связывается с протоном: NH3 + Н* -► NH4. Получившийся при этом ион аммония выделяется в виде аммонийных солей (с хлоридами, сульфатами и другими анионами). Синтез и последующая экскреция аммония регу- лируются в соответствии с колебаниями кислотно- основного состояния организма. Почечный механизм образования NH3 Особенности образования и секреции аммиака (NH3) клетками канальцевого эпителия (аммонио- генез) иллюстрирует рис. 39. Аммоний образуется из глутамата, каждая молекула которого дает две молекулы NH4 и двухвалентный анион А2 . Слож- ный метаболизм этого иона приводит к образова- нию нового гидрокарбоната: Глутамат 2 NH4 + А2 -»-> 2НСОз + 2 NHJ. |ГЛУТАМАТ| КРОВЬ Рис. 39. Образование аммония NH4 и нового гидрокарбоната клетками канальцевого эпителия NH<- НЕИОННАЯ ДИФФУЗИЯ 2 НСОз ДИФФУЗИОННАЯ ЛОВУШКА АПИКАЛЬНАЯ МЕМБРАНА БАЗОЛАТЕРАЛЬНАЯ МЕМБРАНА. БАЗАЛЬНАЯ МЕМБРАНА КАПИЛЛЯРА. 154
Фосфатный буфер мочи Механизм секреции NH4 в просвет канальца в различных отделах нефрона неодинаков. NH^ мо- жет секретироваться в обмен на Na+ (проксималь- ный каналец) вследствие процессов неионной диф- фузии (NA*-NH4-o6MeHHHK) или диффузионной ловушки, связывающей NH3 (собирательная тру- бочка). Мембрана клеток почечных канальцев лег- ко проницаема для NH.3 и, наоборот, совершенно не проницаема для NH4. Важной особенностью аммониевой буферной системы является то, что она регулируема. При ацидозе стимулируются ферменты метаболизма глутамата, вследствие чего почка может повысить экскрецию И* и, следовательно, образовывать боль- ше гидрокарбоната для компенсации сдвигов кис- лотно-основного состояния в сторону закисления. Исходные компоненты фосфатного буфера поступа- ют только вместе с пищей. Фосфатный буфер НРО4 и некоторые другие буферные вещества вме- сте называются титруемыми кислотами. Ионы Н1 выводятся в мочу в составе однозаме- щенных фосфатов (II2PO4), которые образуются в нефроне в ходе реакции: иро4 + н+ н2ро; основание кислота при эквивалентном обмене протона Н+ на катион Na* (Na'-И -обменник). И если в крови соотноше- ние [Н2РО4] / [НРО4 ] составляет 1:4, то в моче оно может доходить до 5 0:1. Выведение в мочу ионов Н2РО4 способствует под- держанию нормального соотношения компонентов фосфатной буферной системы в крови. Однако при повышенном выведении фосфатов из организма из- за невысокой их концентрации в крови буферная емкость этой системы довольно быстро истощается, а восстановление ее затруднено тем, что пополнение фосфатов крови происходит в основном за счет поступления их из костной ткани. Помимо этих механизмов, до 1 % экскретируемых почками протонов выводится в свободно диссоцииро- ванной форме с анионами сильных кислот. 155
PASSES? Другие исполнительные механизмы Основную роль в метаболической нейтрализации кислот играет печень. Регуляция pH крови с уча- стием печени осуществляется разными путями: • окисление гепатоцитами до конечных продуктов) (НгО и СОг) первично недоокисленных по циклу) Кребса органических кислот, для которого необхо-| димо большое количество кислорода; | • дезаминирование кислот завершается образовани- ем аммиака, который используется в синтезе моче- вины; • синтез мочевины CO(NHa)2 (слабое основание) из азотистых «шлаков», в частности из аммиака NH;t (сильное основание), и, главное, из хлорида аммо- ния NH4CI, обладающего кислотными свойствами. Последний поступает из желудочно-кишечного тракта в кровь воротной системы печени, а затем к нейтрализуется в ней. Из печени мочевина посту-1 пает в общий кровоток и выводится почками. 1 В печени нейтрализуются также молочная, кето-1 новые кислоты и др. При ацидозе нейтрализация кислот усиливается ! и одновременно тормозится мочевинообразование. j В результате неиспользованный аммиак нейтрализу- ет кислоты, вследствие чего увеличивается выведение аммонийных солей с мочой. При алкалозе, наоборот, мочевинообразование увеличивается, аммониогенез ослабевает, отклонения кислотно-основного состоя- ния компенсируются за счет сохранения Н'-иоиов. Секреторная функция поджелудочной железы Выделительная функция желудочно- кишечного тракта Поджелудочная железа принимает активное участие в регуляции pH, так как она секретирует из крови значительное количество гидрокарбонат-иона НСО3. Последний в составе сока поджелудочной железы выделяется в двенадцатиперстную кишку, а затем я ) составе кишечного содержимого удаляется из орга- j низма. Секреция панкреатического сока тормозится) при ацидозе и усиливается при алкалозе, поддержи- J вая таким образом сохранение НСОз в крови или спо-; собствуя его выведению из организма. Роль желудка в регуляции pH крови и тканей заключается в торможении секреции соляной кис лоты при алкалозе и усилении ее при ацидозе. Выведение избыточного количества кислых или основных метаболитов осуществляется также в же лудочно-кишечный тракт (двенадцатиперстную кишку) вместе с желчью. 156
Потоотделение Внешнее звено саморегуляции Функциональная система, поддерживающая уровень pH в организме, как целостная организация В процессе потоотделения из организма выводится определенное количество кислот и оснований, обес- печивая тем самым частичную регуляцию pH плаз- мы крови. Однако в норме потоотделение не играет важной роли в регуляции pH плазмы крови; этому исполнительному механизму внутреннего звена функциональной системы отводится вспомогатель- ная роль. В рассматриваемой функциональной системе наря- ду с внутренним звеном саморегуляции может быть выделено внешнее звено, представленное механиз- мами пищевого и питьевого поведения. В этом слу- чае pH крови изменяется за счет принимаемых питательных веществ. Системные механизмы защиты организма от изме- нений pH представлены химическими буферами крови и тканей, дыхательными, почечными и дру- гими исполнительными механизмами. Все они функционируют одновременно, тесно взаимосвяза- ны и взаимозависимы. Возможность сохранения физиологических зна- чений pH связана с наличием в организме мощных гомеостатических систем, препятствующих его сдвигу в основную (алкалоз) и кислотную (ацидоз) сторону. Скорость развития ответных реакций вышепере- численных механизмов обеспечения кислотно- основного состояния различна. Практически момен- тально реагируют буферные физико-химические и биологические системы и механизмы разбавления концентрации II1 в жидких средах организма. В течение нескольких минут по достижении pH критического уровня реагируют легкие изменением параметров внешнего дыхания. Более инертны за- щитные механизмы почек, печени, желудочно-ки- шечного тракта, которые начинают проявлять свое компенсаторное действие спустя 10-20 ч и достига- ют максимального эффекта через несколько суток после нарушения кислотно-основного состояния. Концентрация гидрокарбоната [НСОз] плазмы регулируется в основном почками, а рСОг крови — легкими. Одновременно осуществляются нейроэн- докринная регуляция скорости и путей метаболи- ческих процессов и поддержание определенного темпа генерации протонов. 157
2.4. Функциональная система, поддерживающая оптимальное для метаболизма количество глюкозы в крови Общая Углеводы играют ведущую роль в энергетически характеристика обмене организма. Деятельность практически все: без исключения органов находится в большей ил] меньшей зависимости от содержания углеводо: в притекающей к ним крови. Местные резерв! углеводов в разных тканях весьма неодинаковы поэтому степень зависимости скорости обменные процессов в органах и их функции определяются концентрацией глюкозы в крови. Особенно большое значение глюкоза крови имее'! для работы мышц, занимающей в количественном отношении преобладающее место в организме*, и деятельности нервной системы благодаря ее веду- щей, регулирующей роли в организме. Рассматриваемая функциональная система (рис. 40) с принципиально новых позиций позволя- ет представить деятельность желез внутренней сек- реции в регуляции жизненно важного результа- та — избирательное включение различных желез внутренней секреции в деятельность функциональ- ной системы организма. ГИПО- ТАЛАМУС ГИПОФИЗ НАДПОЧЕЧНИКИ ЩИТОВИДНАЯ ЖЕЛЕЗА ПОДЖЕЛУДОЧНАЯ ЖЕЛЕЗА ГЛИКОГЕНОЛИЗ УВЕЛИЧЕНИЕ ВСАСЫВАНИЯ САХАРА В КИШЕЧНИК неогликегонолиз ПОНИЖЕНИЕ ВСАСЫВАНИЯ САХАРА В КИШЕЧНИК ЗАДЕРЖКА ВЫДЕЛЕНИЯ Сахара с мочой ОБРАЗОВАНИЕ ГЛИКОГЕНА 8 ПЕЧЕНИ ОБРАЗОВАНИЕ ЖИРА ИЗ ГЛЮКОЗЫ НАКОПЛЕНИЕ ГЛИКОГЕНА В МЫШЦАХ ВЫДЕЛЕНИЕ САХАРА С МОЧОЙ ЛКЖОЗА РЕЦЕПТОРЫ СОСУПО МЕТА- БОЛИЗМ Рис. 40. Функциональная система, поддерживающая оптимальное для метаболизма количество глюкозы в крови 158
Параметры результата Содержание глюкозы в артериальной крови взросло- го человека составляет 4,8-7,2 ммол/л. Однако в это количество обычно включают кроме глюкозы и дру- гие сахара: гепарин, гликоген лейкоцитов, пентозы, галактозу и др., определяемые вместе с глюкозой. Их содержание в крови составляет 0,36-1,2 ммоль/л. В венозной крови содержание глюкозы обычно не- сколько ниже, чем в артериальной, так как часть ее переходит из крови в ткани в процессе обмена. Арте- риовенозная разница зависит от специфики органа и уровня его активности: в период активной работы поглощение глюкозы возрастает, и артериовеноз- ная разница увеличивается, что косвенно говорит о функциональной активности того или иного органа. Средний физиологический уровень гликемии 5,5-6 ммоль/л — это такая концентрация глюкозы в крови, при которой все биохимические и физиоло- гические процессы в организме человека протекают оптимально, без излишних затрат, вполне удовлет- воряя потребности организма в глюкозе (табл. 6). Таблица 6 Суточная потребность организма в углеводах в зависимости от возрастных и профес- сиональных групп Возрастная группа Потребность в углеводах, г Дети: от 6 мес. до 1 года 113 от 1 года до 2 лет 185 от 3 до 6 лет 251 от 7 до 10 лет 317 от 11 до 14 лет 398 от 15 до 17 лет 451 Взрослые: I группа — мужчины 410 - женщины 369 II группа - мужчины 478 - женщины 438 III группа - мужчины 546 — женщины 492 IV группа - мужчины 615 Лица пенсионного возраста: до 65 лет - мужчины 382 - женщины 340 старше 65 лет - мужчины 340 - женщины 297 Периодические изменения уровня глюкозы в кро- ви у человека и животных обусловлены суточными и сезонными колебаниями, приемом пищи, эмоцио- нальным состоянием и возрастными особенностями. 159
Суточные колебания Глюкоза в крови при приеме пищи Многократное определение глюкозы крови у чело- века в течение суток показало, что в 12 ч ночи содержание ее в крови примерно на 0,6 ммоль/л выше, чем днем. Определение глюкозы в крови у кроликов выявило размах индивидуальных колеба- ний между максимальным и минимальным уровня- ми у различных кроликов от 1,68 до 4,8 ммоль/л. Значительный интерес представляют спонтанные колебания содержания глюкозы в крови, которые могут быть обнаружены при частом его опреде- лении через короткие промежутки времени. При определении содержания глюкозы в крови собак в пробах, которые брались из артерий каждые 3 мин, обнаружены весьма значительные его коле- бания. Так, у одной из собак было отмечено колеба- ние уровня глюкозы в пределах 0,36-12 ммоль/л. Перерезка мозга ниже продолговатого мозга устра- няла указанные колебания. На содержание глюкозы в крови оказывает влия- ние прием пищи. Повышение содержания глюкозы в крови после приема пищи в основном связано с всасыванием по- ступающих углеводов. При приеме пищи, не содер- жащей углеводов, например жирной свинины, увели- чения содержания глюкозы в крови не наблюдается. После приема пищи, особенно богатой углевода- ми, содержание глюкозы в крови быстро возрастает и возвращается к прежнему уровню через 2 ч. Это можно легко определить с помощью теста на толе- рантность к глюкозе. Для этого у испытуемого опре- деляют уровень глюкозы в крови натощак, после чего дают выпить раствор, содержащий 50 100 г глюкозы (или сахарозы). В течение последующих 3- 4 ч через 30 мин определяют содержание глюкозы в крови. На основании полученных данных вычерчи- вается кривая, которая получила название «сахар- ной кривой» или «алиментарной» гипергликемии. У здорового человека в первые 30 мин после при- ема глюкозы содержание ее в крови резко повыша- ется, однако не более чем на 9,6-10,8 ммоль/л. Эта гипергликемия обусловлена: 1) всасыванием принятой глюкозы из кишечника; 2) рефлекторным выделением глюкозы из печени в ответ на поступление глюкозы из кишечника. Вслед за подъемом начинается снижение концен- 160
трации глюкозы в крови, причем через 120- 150 мин после пищевой нагрузки ее уровень стано- вится ниже исходного, т. е. наступает кратковре- менная гипогликемическая фаза сахарной крови. Это обусловлено избыточной секрецией инсулина в ответ на гипергликемию. К концу 3-го часа содер- жание глюкозы крови возвращается к исходным величинам (рис. 41). Рис. 41. Проба с двойной сахарной нагрузкой: / у здорового человека; 2 у больших) диабетом При недостаточной секреции инсулина (сахарный диабет) исходный уровень и пик гипергликемии выше, гипогликемическая фаза отсутствует, а к кон- цу 3-го часа после пищевой нагрузки уровень глю- козы в крови значительно выше исходного (рис. 42). Рис. 42. Регуляция содержания глюкозы В К|Х)ВИ инсулином и глюкагоном после приема пищи: / - гипергликемия; 2 — секреция инсулина; 3 — снижение глюкозы в крови; 4 - гипогликемия; 5 — секреция глюкагона 161
Влияние возраста Содержание глюкозы в крови определяется и возра- стным фактором. Важную роль при этом играют зрелость и совершенство процессов саморегуляции. Уровень глюкозы в крови новорожденных и груд- ных детей из-за несовершенства нейроэндокрин- ных механизмов саморегуляции очень неустой- чив. У новорожденных детей содержание глюкозы в крови натощак колеблется в пределах 1,8- 3,0 ммоль/л, у грудных детей — 4,2-5,4 ммоль/л, у более старших — 4,8-6,0 ммоль/л. Наиболее вы- сокие величины обнаружены у детей 12-14 лет: 5,4-7,2 ммоль/л. Обмен углеводов у ребенка интенсивнее, чем у взрослых. Это связано с повышенными энергетиче- скими потребностями растущего организма. Обра- зование углеводов из белка и жиров у детей ослаб- лено. После 50 лет выносливость (толерантность) к углеводам снижается, и кривые алиментарной гли- кемии существенно отличаются от нормальных (рис. 43). Рис. 43. Возрастные различия гликемических кривых Указанные возрастные особенности обусловлены прежде всего тем, что продукция инсулина и глю- кагона поджелудочной железой претерпевает возра- стную динамику. В детском и молодом возрасте в поджелудочной железе преобладают большие островки, в состав которых входят [3-клетки, проду- 162
цирующие инсулин. В старческом возрасте обна- руживаются преимущественно островки малого размера, состоящие в основном из а-клеток, проду- цирующих глюкагон. Следовательно, в детском и молодом возрасте преобладает секреция инсули- на, а в старческом — глюкагона. Другие факторы Отмечено повышение уровня глюкозы в крови при болевых раздражениях и эмоциях у человека и при возбуждении у животных. Изменение уровня глю- козы в крови может возникать и при кислородной недостаточности, гриппе, пневмонии. Гипергли- кемия имеет место в тяжелый период при многих инфекционных заболеваниях — скарлатине, диф- терии, дизентерии, туберкулезе. Таким образом, в зависимости от различных внешних и внутренних факторов уровень глюкозы в крови претерпевает колебания, которые могут быть обусловлены различными причинами. Хотя содержание глюкозы в крови и ограничено определенными пределами (4,8 7,2 ммоль/л), однако в этих условиях они могут быть довольно интенсивными. Поэтому постоянство содержания глюкозы в крови вовсе не означает ее абсолютную неизменность. Количество сахара в крови обуслав- ливает такое функциональное состояние организма, которое обеспечивает ему приспособление к услови- ям окружающей среды, к характеру и интенсивно- сти выполняемой работы. Количественные колеба- ния глюкозы в крови, таким образом, обеспечивают адаптацию организма к изменяющимся потребно- стям организма. Конечный же целью регуляции уровня сахара в крови является обеспечение энергетических и пластических процессов тканевого обмена. Рецепция Нормальный уровень глюкозы—4,8- 7,2 ммоль/л результата в крови, так же как и его изменения, воспринима- ются специальными хеморецепторами, чувстви- тельными к изменению концентрации глюкозы крови, — глюкозорецепторами, расположенными в печени, сосудах, желудочно-кишечном тракте, а также в центральной нервной системе. О роли глюкозорецепторов сосудистого русла в механизмах саморегуляции уровня глюкозы крови говорят опыты с внутривенным введением раствора глюкозы. В этом случае происходит 163
снижение количества глюкозы в крови, обуслов ленное выделением в кровь инсулина. О роли ре цепторов сосудистого русла говорят также опыты, доказывающие возможность образования условного рефлекса на изменение глюкозы в крови, а также опыты с изолированными сосудами, сохранившими иннервацию. О значении рецептивных полей пищеваритель- ного аппарата свидетельствуют многочисленные факты рефлекторного изменения уровня глюкозы в крови при воздействии растворов глюкозы раз- личной концентрации на слизистые оболочки рото- вой полости и желудка. Центральные глюкозорецепторы расположены в вентромедиальном отделе гипоталамуса и через рилизинг-факторы оказывают активирующее влия- ние на передний отдел гипофиза, а через него на деятельность таких желез внутренней секреции, как щитовидная железа, надпочечники и поджелу- дочная железа. Нервные Начало изучения нервной регуляции содержания центры глюкозы в крови было положено знаменитым экс- периментом выдающегося французского физиолога К. Бернара в 1849 г., вошедшим в историю физио- логии под названием «сахарного укола». Сущность опыта состоит в том, что при уколе в участок про- долговатого мозга в дно IV желудочка, ограничен- ного местом выхода слуховых и блуждающих нер- вов, происходит увеличение глюкозы в крови. Опыт был продемонстрирован К. Бернаром вна- чале на кролике, а затем с успехом повторен и на собаке. Этим экспериментом впервые была доказа- на способность структур головного мозга оказы- вать влияние на химические процессы в организме, и был заложен фундамент современного учения о нервной регуляции обменных процессов, протека- ющих в организме. Саморегуляция содержания глюкозы в крови, как показали последующие исследования, происхо- дит при участии целого ряда отделов центральной нервной системы. Сложная структура центра еще не означает, что он вообще лишен какой-либо кон- кретной структуры, вообще не имеет локализации. Отдельные элементы его расположены на различ- ных этажах центральной нервной системы: в про- 164
долговатом мозге, в промежуточном мозге, в моз- жечке, в коре больших полушарий. Важная роль в саморегуляции содержания глю- козы в крови принадлежит гипоталамусу. Влияние гипоталамуса на углеводный обмен реализуется: 1) за счет повышения активности симпатического отдела вегетативной нервной системы; 2) путем воздействия на переднюю долю гипофиза, стимулируя выработку им адренокортикотроп- ного, соматотропного и тиреотропного гормонов. Среди других структур головного мозга, оказы- вающих влияние на уровень глюкозы в крови, важная роль принадлежит мозжечку. Нарушение содержания глюкозы в крови при поражениях моз- жечка подтверждается как экспериментальными исследованиями, так и клинико-морфологически- ми наблюдениями. Однако физиологический меха- низм этого влияния до сих пор не ясен. Установлено также влияние коры большого моз- га на содержание глюкозы в крови. Удавалось до- биться изменения содержания глюкозы в крови во время гипнотических внушений или условно- рефлекторным путем. В этом же отношении демон- стративно также повышение уровня глюкозы в крови у спортсменов в предстартовом состоянии и во время соревнований, а также у студентов во время экзаменов. Таким образом, центральный аппарат, принима- ющий участие в саморегуляции содержания глюко- зы в крови, устроен многоступенчато и сложно. Каждый из отделов мозга выполняет свою, совер- шенно определенную задачу. Весьма возможно, что в продолговатом мозге осуществляется более грубая регуляция уровня гликемии, связанная лишь с наиболее примитивными функциями организма. Регуляция глюкозы в крови, осуществляемая про- межуточным мозгом, имеет отношение к более сложным координированным реакциям организма. Именно здесь интегрируются сложные эмоциональ- ные реакции, служащие для оценки состояния все- го организма. Наконец, кора большого мозга коор- динирует уровень содержания глюкозы в крови с наиболее сложными проявлениями организма, с его поведением, которое обеспечивает адекватное при- способление организма к окружающим условиям. 165
Кроме того, корковые нейроны оказывают свои регулирующие влияния на нижерасположенныг нервные центры. Исполнительные механизмы Гомеостатическая функция печени В 1853 г. К. Бернар впервые описал гликогенную функцию печени. Он показал, что животное, у ко- торого удалена печень, умирает от недостатка в крови глюкозы, и выяснил, что в печени содержит- ся исходная субстанция, из которой при необходи- мости синтезируется глюкоза крови, — гликоген. В дальнейшем установили, что в первые часы по- сле полного удаления печени жизнь животного можно поддержать только повторным внутривен- ным введением глюкозы. Эти опыты показали, что гликоген печени является важнейшим источником глюкозы в крови. В настоящее время известно, что в печени про- исходят различные процессы, связанные с обменом углеводов в организме: 1) в печени из глюкозы синтезируется гликоген — этот процесс называется гликогенез; 2) в случае необходимости гликоген распадается вновь до глюкозы, т. е. происходит гликогено- лиз. Образовавшаяся глюкоза поступает в кро- вяное русло; 3) в печени происходит новообразование углеводов из продуктов распада белков и жиров — глико- неогенез. Гликогенез, гликонеогенез и гликогенолиз взаимосвязанные процессы, направленные на под держание в крови такого уровня глюкозы, которы! обеспечивал бы оптимальные условия для жизнеде ятельности организма. Работами ряда исследователей показано, что вы деление глюкозы печенью зависит от концентрации ее в притекающей к печени крови: при низко» уровне глюкозы в крови печень выделяет ее i кровь, при больших концентрациях глюкозы в кро ви печень захватывает ее и синтезирует на это! основе гликоген. Как показали исследования, проведенные на че ловеке, секреция глюкозы печенью зависит не ог абсолютной высоты гликемии, а от направленности ее изменения. Эта способность печени регулировать направленность углеводного обмена и поддержи- вать уровень глюкозы в крови на оптимальном 166
уровне получила название «гомеостатический меха- низм», или «гомеостатическая функция». Гомеостатический механизм проявляется не только в целом организме, но и в изолированной из организма печени и даже гомогенатах (измельчен- ной ткани) печени. Так, можно изолировать печень из организма животного, перфузировать ее раство- рами глюкозы различной концентрации, при этом раздельно определяя содержание глюкозы в прите- кающей и оттекающей из печени жидкости. Если притекающая жидкость содержит много глюкозы, печень удерживает ее и соответственно в оттекаю- щей жидкости обнаруживается меньше глюкозы. Если же притекающая жидкость бедна глюкозой, то печень секретирует ее в оттекающую жидкость. Следовательно, в основе гомеостатической функции печени лежит способность ферментативных систем гепацитов менять свою активность в зависимости от концентрации глюкозы в притекающей крови. Таким образом, печень способна самостоятельно регулировать содержание сахара в крови. Однако этот физиологический механизм, филогенетически наиболее древний, недостаточен для обеспечения высокоорганизованных животных и человека. На первый взгляд регуляторная деятельность печени независима от каких-либо нервных и гуморальных влияний. Однако в естественных условиях в цело- стном организме этот местный регуляторный про- цесс находится под контролем центральной нерв- ной системы и эндокринных желез. В процессе эволюции выработались мощные нер- вно-эндокринные механизмы, воздействующие как на гомеостатическую функцию печени, так и на способность различных органов потреблять глюко- зу. При этом регулирующее влияние центральной нервной системы на уровень глюкозы крови в орга- низме опосредуется через эндокринные железы. Секреторная же деятельность таких желез внутрен- ней секреции, как гипофиз, щитовидная железа, надпочечники и поджелудочная железа, находится Эндокринное звено саморегуляции под контролем гипоталамуса. Прежде всего следует отметить, что только один гормон — инсулин — обладает отчетливым гипо- гликемическим действием. Влияние же остальных гормонов, активно воздействующих на углеводный обмен, направлено в сторону увеличения глюкозы 167
Таблица 7 в крови, т. е. их действие противоположно инсули- ну. Такое соотношение гормонов, влияющих на уровень глюкозы в крови, не случайно. Оно объяс- няется тем, что значительное снижение глюкозы в крови, даже однократное, ведет к резким наруше- ниям жизнедеятельности организма, в то время как ограниченное во времени повышение концентрации глюкозы в крови не вызывает серьезных изменений в здоровом организме. Поджелудочная железа Гормоны Содержание в плазме Суточная секреция Время полураспада Ti2 АКТГ 28-60 пг/мл 10-15 мин СТГ 1-4 мг 3^1 нг/мл 15-17 мин Тироксин 0,3 мг 3 нг/100 мл 4 сут. Адреналин 30 пг/мп 1,5-2,5 мин Глюкокортикоиды (кортизол) 20 мг 5-15 мкг/100 мл 70-90 мин Инсулин 1-2 мг 20-150 мкЕД/мл 8-10 мин Г люкагон 100-150 мкг 0,5-6 ммкг/мл 15 мин Экспериментально показано, что [3-клетки подже- лудочной железы способны независимо, без всякого влияния со стороны центральной нервной системы, реагировать на гипергликемию секрецией инсули- на. В этой связи убедительными представляются опыты с изолированной поджелудочной железой крысы. Введение в изолированный орган раствора глюкозы в концентрации, превышающей физиоло- гическую норму, вызывает появление в перфузате Секреция инсулина инсулина. Стимуляция секреции инсулина железой осуществ- ляется двояким путем: • во-первых, «гипергликемическая кровь», способ- ная раздражать [3-клетки островкового аппарата, усиливает выработку инсулина; • во-вторых, активность [3-клеток железы находит- ся под контролирующим влиянием со стороны центральной нервной системы. Повышенное содержание глюкозы в крови раз- дражает нервные центры, от которых импульсы по- ступают по блуждающим нервам к поджелудочной железе, что и активирует выработку инсулина. Секрецию инсулина стимулируют и такие факто- ры, как выделяющиеся в процессе пищеварения 168
секретин, холецистокинин (рис. 44). Их секреция стимулируется повышенной концентрацией амино- кислот в крови, которые всасываются в процессе пищеварения. Кроме того, повышение концентра- ции глюкозы в крови ведет к подавлению секреции таких гормонов, как глюкагон, глюкокортикоиды, соматотропный гормон и адреналин, что также ве- дет к увеличению концентрации в крови инсулина. Рис. 44. Факторы, влияющие на выработку инсулина и глюкагона Механизм действия инсулина Эффект действия инсулина заключается в том, что он способствует снижению содержания глюкозы в кро- ви. Физиологический механизм такого эффекта свя- зан с тем, что он, с одной стороны, действует на пери- ферические ткани, особенно мышечную и жировую, стимулируя потребление ими глюкозы из крови. С другой стороны, инсулин влияет на печеночную ткань, ускоряя синтез гликогена (гликогенез), а сле- довательно, тормозит процессы гликонеогенеза и гликогенолиза. Под влиянием инсулина увеличива- ется также синтез гликогена в мышечной ткани. Как уже отмечалось, секреция инсулина определя- ется прежде всего концентрацией глюкозы в крови. Если уровень глюкозы падает ниже 3,6 ммоль/л, ин- сулин совсем не выделяется в кровь. По мере же уве- личения концентрации глюкозы в крови он начинает выделяться во все больших количествах. При кон- центрации глюкозы в крови менее 3,6 ммоль/л име- ющийся в крови минимум ее не попадает в клетки, зависимые от инсулина, и таким образом глюкоза сберегается для таких тканей, как мозг, утилизация глюкозы в котором не зависит от инсулина. В этом случае клетки, не получающие глюкозы, черпают метаболическую энергию, используя жиры. 169
Глюкагон Mil Гормоны надпочечников Роль гипоталамуса Роль гипофиза Другим гормоном поджелудочной железы являете глюкагон. Выделение его ct-клетками находите под контролем гипофиза, в частности он зависит oil концентрации в крови соматотропного гормона. Повышение содержания этого гормона приводит; к возрастанию концентрации глюкагона в панкреа- тической вене. Физиологический механизм действия глюкагона заключается в том, что он усиливает гликогенолиз Г печени путем повышения активности фосфорилазы. Важная роль в регуляции содержания глюкозы в крови в условиях гипогликемии принадлежит гормонам надпочечников. В ответ на пониженное содержание глюкозы в крови в мозговом веществе надпочечников усиливается выработка адреналина. Согласно экспериментальным данным, выделение адреналина является следствием первичного влия- ния гипогликемии на гипоталамус и гипофиз. Раздражение рецепторных клеток гипоталамусе приводит к повышению тонуса симпатико-адрена- ловой системы, что вызывает повышенную секре- торную активность мозгового вещества надпочечни- ков и как следствие — увеличенный выброс в кров» адреналина. Последний вместе с глюкагоном акта- вирует фосфорилазу печени и тем самым усиливает распад печеночного гликогена. Одновременно уси- ливается распад гликогена мышц, поэтому поел# введения адреналина или избыточного его обра- зования увеличивается концентрация глюкозы и молочной кислоты в крови. Стимуляция «гипогликемической кровью» гипофи за приводит к дополнительной выработке адрено кортикотропного гормона. Избыточное образование адренокортикотропного гормона способствует выде лению корковым веществом надпочечников глю- кортикоидов. Повышение концентрации в кропи последних приводит к усилению гликонеогенеза новообразованию глюкозы из неуглеводов, в част ности из продуктов расщепления белков и жи- ров, что, естественно, сопровождается увеличением концентрации глюкозы в крови и содержания гли- когена в печени. В мышцах и других тканях одно временно происходит усиленный распад белком, а освобождающиеся аминокислоты используютен затем как исходный материал для гликонеогенеза 170
Щитовидная железа Динамика работы функциональной системы в условиях гипер- и гипогликемии Гипергликемия Помимо адренокортикотропного гормона в регу- ляции глюкозы крови принимает участие и со- матотропный гормон, продуцируемый аденогипо- физом. Соматотропный гормон (гормон роста) уменьшает утилизацию периферическими тканями глюкозы и одновременно усиливает распад жира, доставляя исходный материал для гликонеогенеза. При длительном введении соматотропного гормона резко угнетается продукция поджелудочной желе- зой инсулина, т. е. в организме возникает инсули- новая недостаточность. Гормоны щитовидной железы — тироксин и три- йодтиронин усиливают поглощение глюкозы тка- нями. Кроме того, при повышении функции щито- видной железы понижается чувствительность тка- ней организма к инсулину. Помимо влияния на процессы потребления глюкозы тканями и гликоге- нолиза в печени, гормоны щитовидной железы ока- зывают влияние и на скорость всасывания глюкозы из тонкой кишки. При гиперфункции железы всасывание глюкозы усилено. Действие гормонов щитовидной железы на углеводный обмен находится под регулирующим влиянием со стороны тиреотропного гормона адено- гипофиза. Оптимальным содержанием глюкозы в крови, обес- печивающим нормальный уровень метаболических процессов в тканях, является 4,8-7,2 ммоль/л. Повышение уровня глюкозы выше предела нормы носит название гипергликемия, снижение ее уровня ниже предела нормы — гипогликемия. Гипергликемия возникает в организме в результате избыточного введения глюкозы в организм как per os, так и при внутривенном введении. Основным механизмом саморегуляции, противо- действующим повышению уровня глюкозы в кро- ви, является секреция поджелудочной железой инсулина, который стимулирует процесс поглоще- ния глюкозы тканями. Переход глюкозы в ткани осуществляется до неко- торой степени согласно простым законам диффузии, вследствие разности его в тканях и в крови. При этом главная масса глюкозы в первый момент устремляет- ся в подкожно-жировую клетчатку, что обусловлено особенностями ее строения, способствующими как 171
бы «впитыванию» глюкозы. Отсюда глюкоза по степенно вновь возвращается в кровь, и уже зате! в результате сложных биохимических механизме: совершающихся в печени и мышцах, превращаете в гликоген или подвергается химическому распад; Полагают, что часть глюкозы откладывается в вщ гликогена в самой подкожной клетчатке. Всосавшаяся в тонкой кишке глюкоза прежг всего попадает в печень. Это приводит в действи гомеостатический механизм последней. Выделен» глюкозы в кровь печенью уменьшается и може не только прекратиться, но и дать место обратном; процессу — синтезу гликогена. Под влиянием инсулина в печени и мышцах, та' ким образом, усиливается образование гликогена (гликогенез), в жировой ткани происходит образо- вание жира из глюкозы. А в кишечнике под влия- нием инсулина происходит замедление скорости всасывания глюкозы. Гипергликемия приводит к появлению глюкозы в моче и выделению ее из организма. Как известно, в процессе мочеобразования глюкоза из первичной мочи удаляется с помощью реабсорбции (обратного всасывания) в проксимальных канальцах путем ак тивного транспорта. Глюкоза относится к так пазы ваемым пороговым веществам, т. е. веществам, об ратное всасывание которых зависит от их коицент рации в крови. Порог выведения глюкозы составля ет 9,610,8 ммоль/л. Следовательно, если уровень глюкозы в крови достигает величин, превышаю щих указанные, глюкоза частично выводится из организма с мочой. Таким образом, почки участву Гипогликемия ют в поддержании постоянства глюкозы во внут ренней среде организма, в частности в крови. Наряду с изменением функции островкового ап, парата поджелудочной железы в ответ на повыпи ние содержания глюкозы в крови меняют свою д ятельность и другие железы внутренней секреци Например, в условиях гипергликемии уменьшает» выделение адреналина надпочечниками. Гипогликемия может возникнуть при длительнс голодании, при уменьшении секреции гормон» контринсулярного действия, при длительной изн рительной мышечной работе, при обеднении резе ва гликогена в печени. Гипогликемия является значительно болыл» 172
угрозой для организма, чем избыточная концентра- ция глюкозы в крови. Наиболее чувствительны к дефициту глюкозы клетки коры большого мозга. Первыми признаками гипогликемического состоя- ния являются сонливость, чувство слабости (асте- ния), торможение словесных и двигательных реак- ций. При значительном снижении уровня глюкозы крови 3,0-3,3 ммоль/л появляются судороги, сви- детельствующие о нарушении углеводного питания подкорковых центров, регулирующих мышечный тонус, затем развивается коматозное состояние. При прекращении поступления глюкозы с кровью в мозг на 7-10 мин происходят необратимые изме- нения в деятельности нейронов центральной нерв- ной системы, что может привести к гибели орга- низма. Снижение концентрации глюкозы в крови ниже 2,4 ммоль/л опасно для жизни. Одним из важнейших механизмов саморегуляции, препятствующих возникновению гипогликемии, яв- ляется уменьшение выделения в кровь инсулина. Другим, более эффективным средством, которое орга- низм имеет в своем арсенале против гипогликемии, является мобилизация симпатической нервной систе- мы и увеличение выброса в кровь адреналина надпо- чечниками. Впервые на это обратил внимание У. Кен- нон. Он использовал денервированное сердце как показатель усиления секреции адреналина у экспери- ментального животного. Известно, что денервирован- ное сердце чрезвычайно чувствительно к адреналину и на ничтожное увеличение концентрации его в цир- кулирующей крови реагирует учащением ритма. Как показали исследования, падение уровня глюко- зы в крови до 4,2 ммоль/л не вызывает изменения ритма деятельности денервированного сердца. Одна- ко как только снижение содержания сахара в крови достигает критического уровня, наблюдается уча- щение сердцебиений, которое становится все более и более заметным по мере дальнейшего снижения гли- кемии. Если оборвать развитие гликемии внутривен- ным введением глюкозы, то частота сердечных сокра- щений быстро возвращается к норме. Повышенная концентрация в крови адреналина стимулирует в организме гликогенолиз, т. е. распад печеночного гликогена и образование глюкозы. Кроме того, падение концентрации глюкозы в крови стимулирует такой важнейший механизм 173
саморегуляции, как гомеостатический механизм J печени, в результате чего увеличивается секреция! глюкозы печенью. Этот процесс также ускоряется! под влиянием адреналина. Одновременно происхо-1 дит распад мышечного гликогена. I Другим важнейшим саморегуляторным меха- низмом, противостоящим гипогликемии, является увеличение секреции ct-клетками поджелудочной железы глюкагона. В опытах на собаках установ- лено, что содержание глюкагона в плазме крови, оттекающей от поджелудочной железы, увеличива- ется при гипогликемии в 4-4,5 раза. Большое значение в мобилизации регуляторных физиологических механизмов при гликемии при над- i лежит системе адренокортикотропный гормон — глюкокортикоиды. Гипогликемическая кровь, воз- действуя на центры гипоталамуса, активирует сек- рецию гипофизом адренокортикотропного гормона, а последний увеличивает биосинтез надпочечниками глюкокортикоидов, которые усиливают гликонео- генез — образование дополнительного количества глюкозы из продуктов расщепления белков и жиров. Роль адренокортикотропного гормона и глюко- кортикоидов в противостоянии гипогликемии по- казана в эксперименте, в котором одинаковые дозы инсулина вводились трем животным: интактно- му (контроль), а также после предварительного удаления гипофиза (гипофизэктомированным) и надпочечников (адреналэктомированным). У гипо- физэктомированного и адреналэктомированного животных глюкоза в крови снижалась до низких величин и восстанавливалась до нормального уров ня после введения ее в организм позднее, чем у кон трольного животного. В последние годы получены данные, свидетель ствующие о том, что гипогликемия является мощным стимулятором секреции соматотропного гормона, обладающего также глюкозоповышаю щим действием. Кроме того, соматотропный гормон тормозит механизм утилизации глюкозы перифе рическими тканями. Важная роль в саморегуляции содержания глюкозы принадлежит, как уже отмечалось, поч кам. В тех случаях, когда возникает опасность гипогликемии, вся она реабсорбируется в кровь в извитых канальцах нефронов. 174
2.5. Функциональная система, обеспечивающая оптимальный для метаболизма уровень кровяного давления Общая характеристика Значение кровяного давления Организм взрослого человека на 56 % состоит из жидкости. Часть этой жидкости заключена внутри клеток различных тканей (внутриклеточная жид- кость), другая часть находится в межклеточном пространстве, кровеносном и лимфатическом русле, в различных полостях организма. Обладая опреде- ленными физико-химическими свойствами, жид- кость является частью внутренней среды организ- ма, за счет стабильности своих параметров, обеспе- чивающей нормальное протекание всех физиологи- ческих процессов. Особая роль в поддержании оптимальных условий для обмена веществ принадлежит кровяному давле- нию. Только при наличии оптимального кровяного давления в тканевых капиллярах могут функцио- нировать на оптимальном уровне различные мета- болические процессы. При изменении величины кровяного давления могут произойти нарушения основных физиологических процессов, которые не совместимы с жизнью организма. Однако в отли- чие от многих других показателей внутренней среды (например, осмотического давления, pH среды и др.) кровяное давление является показате- лем пластичным. Эта особенность кровяного давления возникла и закрепилась в процессе эволюции как результат постоянного приспособления организма к изменяю- щимся условиям внешней среды, когда необходи- мы регулирование и перераспределение жидкости, солей, кислорода, питательных веществ внутри организма в зависимости от характера его реакции на внешние воздействия. Так, например, при интенсивной физической ра- боте значительно возрастает потребление мышеч- ной тканью различных веществ. Это требует в пер- вую очередь перераспределения данных веществ внутри организма, что достигается изменением ос- новных гемодинамических показателей, и прежде всего кровяного давления. Возвращение этого жизненно важного пока- зателя к исходным величинам и удерживание в 175
определенных физиологических границах осуще- ствляет специальная функциональная система (рис. 45). ГОРМО- НАЛЬНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ КОРА ГИПОТАЛАМУС С.Д.Ц МЕТА- БОЛИЗМ ПОВЕДЕНЧЕСКАЯРЕГУЛЯЦИЯ ПРОСВЕТ АРТЕРИОЛ РЕГИОНАЛЬНОЕ ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОТА СЕРДЦА ДЕПОНИРОВАНИЕ КРОВИ МАССА КРОВИ < БАРО- > РЕЦЕПТОРЫ СОСУДОВ; ВЯЗКОСТЬ КРОВИ СКОРОСТЬ КРОВОТОКА КРОВОРАЗРУШЕНИЕ КРОВООБРАЗОВАНИЕ Рис. 45. Схема функциональной системы, поддерживающей артериальное давление в организме на оптимальном для метаболизма уровне Конечным приспособительным результатом, фор- мирующим данную систему, является оптималь- ный для метаболизма уровень давления крови. Любое отклонение от этого уровня воспринимается барорецепторами, трансформируется в нервные импульсы и передается в центральную нервную си стему. Затем эфферентные команды к исполнитель ным органам избирательно включают комплекс различных физиологических механизмов, обеспе чивакяцих возвращение артериального давления к оптимальному уровню. Включение периферических механизмов в дан ной функциональной системе происходит за счет нервных и гуморальных процессов, по принципу саморегуляции. 176
Характеристика параметров результата деятельности функциональной системы Согласно законам гидродинамики, движение жид- кости по трубам определяется разностью давлений в начале и в конце трубы, ее диаметром и сопротив- лением, которое испытывает текущая жидкость вследствие трения между отдельными слоями жид- кости и трения о стенки трубы. Разность давлений способствует движению жидкости, а сопротивление препятствует движению. Отношение этих величин определяет объемную скорость, т. е. объем жидко- сти, протекающей в единицу времени. Объемная скорость Q вычисляется по формуле Пуазейля: V R . где Pj и р2 — давление жидкости в начале и в конце сосуда; R — сопротивление току жидкости. Объемная скорость кровотока Объемная скорость кровотока зависит от просвета сосуда: самая высокая скорость кровотока в аорте и полых венах и самая низкая — в каждом отдель- ном капилляре. Однако объемная скорость кровото- ка во всех капиллярах равна объемной скорости в аорте и в полых венах. Это означает, что объем- ная скорость кровотока постоянна во всех сосудах одного калибра, так как количество крови, проте- кающей через разные участки сосудистого русла, например через все артерии и вены, одинаковое в единицу времени. Для расчета величины сопротивления току крови на определенном участке сосудистой сети можно использовать вышеприведенную формулу: Q ' Для этого достаточно измерить давление крови в начале и в конце сосудистого русла и определить количество крови, проходящей за 1 с. Сопротивле- ние току крови тем больше, чем больше вязкость ее, чем больше длина сосуда, по которому течет кровь, и чем меньше радиус этого сосуда. Зависи- мость сопротивления R от этих величин отражает второе уравнение Пуазейля: где I — длина; г — радиус сосуда; т] — вязкость крови. f 2929 177
В соответствии с уравнением максимально боль- шое сопротивление движению крови имеется в артериолах и несколько меньшее — в капиллярах, в связи с их малой длиной по сравнению с арте- риолами. Высокое сопротивление артериол и капилляров обуславливает то, что именно в этом участке сосу- дистого русла давление крови значительно падает. 85 % энергии, затрачиваемой сердцем на про- движение крови по организму, расходуется в арте- риолах и капиллярах, а 10 и 5 % соответственно расходуется в артериях и венах. Линейная скорость Кроме объемной скорости кровотока, важным пока- кровотока зателем гемодинамики является линейная скорость кровотока, т. е. расстояние, которое частица крови проходит за единицу времени. Линейная скорость кровотока V прямо пропорциональна площади по- перечного сечения сосудов пг2 одного калибра: Поскольку объемная скорость кровотока не ме- няется по ходу сосудистого русла, линейная скоро- сть зависит только от общей поперечной площади сосудов одного калибра. Чем больше площадь, тем меньше скорость: — во время выброса крови из сердца линейная скорость крови равняется 50-60 см/с; — во время диастолы скорость падает до 0; — в артериях максимальная скорость кровотока равняется 25-40 см/с; — в артериолах толчкообразное течение крови сме- няется на непрерывное; — самая низкая скорость кровотока в капилля- рах — 0,5 мм/с; — в венах линейная скорость кровотока вновь возрастает до 5-10 см/с. Линейная скорость максимальна в центре сосу- да и минимальна у его стенок, что связано с нали- чием сил трения между кровью и стенкой сосуда. График динамики суммарного просвета сосудов и линейной скорости кровотока в различных уча- стках кровеносного русла представлен на рис. 46. 178
Рис. 46. Изменение в различных участках сосудистого русла: а — суммарного просвета сосудов; б — линейной скорости кровотока Физиологические особенности кровотока Давление крови по ходу сосудистого русла На физические закономерности движения крови по сосудам накладываются физиологические факторы (работа сердца, изменение тонуса сосудов, измене- ние объема циркулирующей крови и ее вязкости и др.), с помощью которых происходит кровообра- щение в различных частях организма. Давление крови в артериях р прямо зависит от объ- ема крови Q, поступающей из сердца, и сопротивле- ния оттоку крови R периферическими сосудами: р — Q- R. Кровяное давление в аорте и крупных артериях постоянно колеблется. На кривой арте- риального давления, зарегистрированного пря- мым методом, различают волны первого, второго и третьего порядков (рис. 47). Волны первого порядка — это периодические уве- личения и уменьшения артериального давления, связанные с ритмическим выбрасыванием крови из сердца. Давление крови в аорте повышается с 80 до 120 мм рт. ст. при выбросе крови-из левого желу- дочка в фазу быстрого изгнания. В этот период приток крови в аорту из сердца больше, чем отток крови из аорты в артерии. Затем давление в аорте уменьшается. Весь период уменьшения давления связан с оттоком крови из аорты на периферию. 179
Рис. 47. Артериальное давление: а — схема регистрации в остром опыте; б — схема кривой кровяного давления; в — кривые кровяного давления Максимальное давление в аорте во время систо- лы желудочков называется систолическим, а минимальное давление во время диастолы - диастолическим. Нормальными значениями артериального давления у человека, измеренного на плечевой артерии, считаются: систолическое артериальное (САД)— 110-130 мм рт.ст., диасто- лическое (ДАД) — 70-90 мм рт. ст. Разница между систолическим и диастолическим давлениями на- зывается пульсовым давлением. Среднестатисти- чески это давление равно 40—45 мм рт. ст. В ряде случаев в артериальном русле определяют среднее, или среднегемодинамическое (СГД), давление. Среднее давление не есть средняя арифметическая величина между систолическим и диастолическим давлениями. Для ее определения необходимо изме- рить площадь под кривой артериального давления и разделить ее на длину этой кривой. Систоличе- ское повышение давления меньше (по длительно- сти), чем диастолическое уменьшение давления, и поэтому среднее давление ближе к величине ди- астолического давления. Среднее давление отража- ет потенциальную величину средней энергии, кото- рой обладает кровь во время систолы и диастолы. 180
Кровяное давление в различных участках кровеносного русла Волны второго порядка — это периферическое изменение систолического и диастолического дав- лений, связанное с дыхательными движениями грудной клетки. Волны второго порядка соответ- ствуют дыхательным волнам и, следовательно, имеют меньшую частоту и большую длительность, чем волны первого порядка. Происхождение волн второго порядка связано с изменением внутри- грудного давления. Во время вдоха увеличивается объем грудной клетки, что ведет к уменьшению давления в плевральной полости. При этом изменя- ется давление крови в сосудах большого круга кро- вообращения в грудной полости. Сосуды большого круга кровообращения, приле- гающие своими стенками к плевральной полости, изменяют свою конфигурацию (аорта, артерии) при уменьшении давления в плевральной полости. Изменения диаметра сосудов приводят к уменьше- нию сопротивления току крови в них. При вдохе наблюдается обратное явление. Повышение давле- ния в плевральной полости приводит к повыше- нию давления в сосудах большого круга кровообра- щения. Известно, что при вдохе давление в плев- ральной полости равно -6 мм рт.ст., а при выдохе увеличивается до -3 мм рт. ст. Волны третьего порядка — медленные колебания, па которых проявляются изменения волн первого и второго порядков, связанные с изменением тонусов дыхательного и сердечно-сосудистого центров. На- блюдаются они не всегда, чаще всего при недоста- точности кислорода, например при пониженном ат- мосферном давлении, кровопотере или при инток- сикации некоторыми ядами. При продвижении крови от сердца к периферии колебания давления ослабевают в связи с эластич- ностью аорты и артерий. (Динамика кровяного дав- ления в различных участках сосудистого русла представлена на рис. 48.) Поэтому кровь в аорте и артериях продвигается толчками, а в артериолах и капиллярах — непрерывно. Наибольшее падение давления происходит в ар- териолах и затем в капиллярах. Несмотря на то что капилляры имеют меньший диаметр, чем артерио- лы, уменьшение давления на более значительную величину происходит в артериолах. Это связано 181
Рис. 48. Динамика кровяного давления в различных участках сосудистого русла диаметра с их большей длиной по сравнению с капиллярами. При входе в капилляр кровь имеет давление 35 мм рт. ст., а при выходе — 15 мм рт. ст. Разность дав- ления обуславливает обмен жидкостью между кровью и тканями (рис. 49). АРТЕРИОЛА 40 Рис. 49. Диаграмма распределения давления в различных участках микроцир- куляторного русла КОЛЛОИДНОЕ ОСМОТИЧЕСКОЕ (ОНКОТИЧЕСКОЕ) ДАВЛЕНИЕ В полых венах давление колеблется около 0 мм рт. ст. При регистрации давления в крупных венах (флебограмме) на графике различают волны перво- го и второго порядков (рис. 50). К волнам первого порядка относятся зубцы а, с, и. Волна а обуслов- лена застоем крови в полых венах во время систолы левого предсердия. Волна с связана с толчком 182
Пульсовые колебания по ходу сосудистого русла Рис. 50. Параллельная регистрация фояокардиограммы и флебограммы яремной вены: 1-Ш — тоны сердца. Волна: а — предсердная, пресистолическая; с — обус- ловлена передачей пульсации сонной артерии на вену; и - желудочковая, отража- ет наполнение предсердий кровью крови в сонной артерии о яремные вены. Волна и обусловлена застоем крови в полых венах во время систолы правого желудочка. В артериях периодически возникают колебания их стенок, называемые артериальным пульсом. Запись артериального пульса называется сфигмограммой (рис. 51). На сфигмограмме различают анакроту, катакроту, инцизуру и дикротический подъем, природа которых связана с волнами первого поряд- ка, т. е. с изменением давления крови в аорте при выбросе крови из сердца. Стенка аорты при этом несколько растягивается, а затем возвращается к исходному размеру вследствие своей эластичности. Это механическое колебание стенки аорты, называ- емое пульсовой волной, передается далее на арте- рии, артериолы и здесь, не доходя до капилляров, затухает. Скорость распространения пульсовой вол- ны выше скорости течения крови и в среднем равна 10 м/с. Поэтому пульсовая волна достигает лучевой артерии в области запястья (наиболее часто исполь- зуемое место регистрации пульса) примерно за 100 мс при расстоянии от сердца до запястья 1 м. Следовательно, при синхронной регистрации пуль- са лучевой артерии и процессов в сердце пульсовые колебания будут запаздывать на 100 мс. Рис. 51. Схема сфигмограммы: СФИГМОГРАММА 1 — пресистоли- ческая волна; 2 — анакрота; .3— катакрота; 4 — инцизура; 5 — дикрота 183
Кровенаполнение органов и тканей различных частей тела Рецепция результата Если колебания давления, распространяясь от серд- ца к периферии, постепенно затухают, то амплитуда каждой фазы пульса в периферических артериях уве- личивается. В артериолах пульс затухает окончатель- но и отсутствует в капиллярах, венулах, мелких и средних венах. В крупных венах появляется венный пульс, расшифровка которого была описана выше. Последовательная запись кровенаполнения отдель- ных частей тела называется плетизмографией. Все органы тела непрерывно изменяются в объеме вследствие изменения их кровенаполнения. Крове- наполнение зависит от разности между величинами притока крови по артериям и оттока ее по венам. Так, например, объем кровенаполнения пальца руки постоянно меняется вследствие неодинаково- го количества крови, притекающей к пальцу в сис- толу и диастолу сердца. Однако эти изменения в пальце будут запаздывать по сравнению с процес- сами в сердце примерно на 2 с, так как скорость течения крови в среднем равна 0,5 м/с, а расстоя- ние от сердца до кисти примерно 1 м. Изменения на плетизмограмме аналогичны изме- нениям давления в аорте и изменениям пульсо- вой волны. На плетизмограмме также различают анакроту, катакроту, инцизуру и дикротический подъем, причина которых сходна с аналогичны- ми участками на сфигмограмме. Однако вследствие неодинаковой скорости распространения пульсовой волны и скорости течения крови аналогичные участ- ки будут возникать в разное время на сфигмо- и пле- тизмограммах при их одновременной регистрации. Любые колебания артериального давления воспри- нимаются специальными образованиями, располо- женными в стенках сосудов, — барорецептора- ми, или прессорецепторами. Возбуждение их происходит в результате растяжения артериаль- ной стенки при повышении давления, и, следова- тельно, по принципу действия они представляют собой типичные механорецепторы, или рецепторы растяжения. В световом микроскопе барорецепторы видны как широкие разветвления нервных оконча- ний остроконечного типа, свободно заканчиваю- щиеся в адвентиции сосудистой стенки. При более детальном изучении отдельных нервных окончаний под электронным микроскопом можно обнаружить 184
на кончиках волокон округлые структуры длиной около 4 мкм. Барорецепторы рассеяны по всему кровеносному руслу, однако в отдельных участках крупных сосу- дов образуют своеобразные скопления. Такие обла- сти с наибольшей концентрацией рецепторов полу- чили название барорецептивных, или сосудистых рецептивных, нолей. Они обнаружены у всех мле- копитающих в обоих сонных синусах, дуге аорты, мезэнтериальных сосудах брыжейки. В области барорецептивных полей, как правило, стенки сосу- дов более тонки и эластичны, содержат меньшее ко- личество мышечных элементов. Это способствует лучшему восприятию изменений артериального давления. Барорецепторы в малом круге кровообра- щения по своей структуре сходны с рецепторами сонных синусов и дуги аорты и концентрируются вблизи разветвления главных легочных артерий. Повышение артериального давления в легочной артерии приводит к растяжению стенок и возник- новению импульсов в барорецепторах. Электрофизиологически и морфологически было показано наличие рецепторов растяже- ния в камерах сердца. В правом и левом предсердиях эти рецепторы расположены субэндо- кардиально в области впадения полых вен в правом предсердии и легочных вен — в левом предсердии. По характеру активности различают два вида ре- цепторов: • рецепторы типа А, в которых максимум импульсации возникает в момент систолы пред- сердий (по ЭКГ в интервале P-Q), • рецепторы типа В, разряд которых приходится на время диастолы, т. е. при заполнении предсер- дия кровью (рис. 52). Для рецепторов желудочков сердца характерны следующие особенности: 1) выраженная асимметрия — в левом желудочке их значительно больше, чем в правом; 2) иное распределение по слоям, чем в предсерди- ях: рецепторов больше всего в эпикарде, мень- ше в эндокарде и сравнительно мало в миокар- де. Основная локализация — вокруг верхушки и близ начала аорты и легочной артерии. Для активности рецепторов желудочков характерен 185
Рис. 52. Деятельность предсердных барорецепторов: I — соотношение между 1ЖГ, давлением в левом предсердии и импульсацией в афферентных вагусных волокнах от рецепторов предсердий типа А и В; II — относительная частота имнульсации В афферентном волокне от рецептора типа В при изменении общего объема крови.' Максимальные колебания давления в предсердиях < 5 см вод. ст. короткий разряд, состоящий, как правило, из одного импульса (редко из нескольких) в ритме сокращений желудочков (на ЭКГ сразу после начала комплекса QRS). Физиологические свойства барорецепторов О Независимо от места локализации и анатомических особенностей все барорецепторы обладают рядом физиологических свойств, которые позволяют им выполнять основную функцию — слежение за ве- личиной артериального давления. Подчеркнутая специфика барорецепторов. Каждый барорецептор или каждая группа барорецепторов воспринимают только свои, определенные парамет- ры изменения артериального давления. В зависи- мости от специфики реакций на изменения давле- ния различают три группы рецепторов: — первая группа — барорецепторы, воспринима- ющие ритмические колебания артериального давления, обусловленные систолой и диастолой сердца; — вторая группа — рецепторы, реагирующие только на статическую, постоянную, неколеблю щуюся нагрузку; — третья группа — вибрационные рецепторы, воспринимающие различные колебания дав ления, связанные с вихревыми движениями крови. 186
Среди этих рецепторов есть барорецепторы, воспри- нимающие соответственно колебания кровяного дав- ления от 0 до 20 мм рт. ст., от 20 до 30 мм рт. ст. и т. д., вплоть до 240 мм рт. ст. Отдельные барорецеп- торы в дуге аорты воспринимают колебания кровя- ного давления в полосе ниже 80 мм рт. ст. и выше 120. В обычных условиях эти рецепторы не «рабо- тают», они включаются только в случаях резкого снижения или повышения артериального давления. © При быстром перепаде давления барорецепторы от- вечают более выраженными изменениями залповой активности, чем на медленные постепенные измене- ния давления. При резком нарастании давления уже на небольшой прирост наблюдается тот же прирост импульсации, как при плавном измерении давления на значительно большие величины. Следовательно, чем резче возрастает давление, тем больше прирост импульсации от сосудистых барорецепторов. © Барорецепторы обладают свойством наращивать импульсацию в геометрической прогрессии па оди- наковую величину прироста артериального давле- ния в зависимости от его исходного уровня. Напри- мер, на прирост давления па 10 мм рт. ст. — со 130 до 140 мм рт.ст. — в одиночном волокне, идущем от аортального барорецептора, прирост частоты им- пульсации равен 5 импульсам в секунду. В то же время на прирост давления на те же 10 мм — со 180 до 190 мм рт. ст. — в одиночном волокне баро- рецептора наблюдается уже прирост импульсации на 25 импульсов в секунду (рис. 53). Рис. 53. Реакция барорецепторов н п возрастающие значения артериального давления 187
0 Большинство барорецепторов воспринимает колей лющееся давление в своем, определенном Диана зоне. При попадании этих барорецепторов в зощ неколеблющегося постоянного давления, что на блюдается при артериальном повышении или сни жении общего уровня артериального давления, ош перестают посылать импульсацию об измененш давления и приходят в состояние адаптации. Пр) этом продолжают посылать импульсацию только т< барорецепторы, которые попадают в зону колеблю щегося давления на другом функциональном уров не. Это имеет приспособительное значение, особен но в тех случаях, когда подъем кровяного давленш жизненно важен, необходим, например при повы- шенной физической или умственной нагрузке — у велосипедиста на треке или у студента, сдающего экзамен. Адаптированные барорецепторы снова включаются в функционирование, как только вновь попадают в зону колеблющегося давления Таким образом, благодаря этим свойствам бароре- цепторов кровеносного русла центральная нервная система получает постоянную информацию о состо- янии и всех изменениях артериального давления в каждый конкретный момент времени. Сигнализация о результате Импульсы, возникающие при возбуждении бароре- цепторов, распространяются в центральную нервную систему по афферентным нервам, получившим на- звание «буферных» нервов. Центростремительные нервные волокна от рецепторов, расположенных в дуге аорты, образуют левый аортальный нерв. Пра вый аортальный нерв берет начало от основания безымянной или правой подключичной артерии. Оба аортальных (депрессорных) нерва в составе гортан- ных нервов идут в центростремительном направле нии к своим клеточным телам в узловатых ганглиях блуждающего нерва. Второе афферентное волокно этих биполярных нейронов направляется к продол говатому мозгу. У различных животных каждый де прессорный нерв включает от 150 до 600 миелино вых нервных волокон диаметром от 6-8 (групйа А) до 2-4 мк (группа В), проводящих возбуждение со скоростью до 10 м/с. Кроме того, в состав этих нер вов входят и безмиелиновые волокна группы С со значительно меньшей скоростью проведения. Нерв ная сигнализация от рефлексогенных зон сонного 188
синуса, расположенных в месте разветвления общей сонной артерии, распространяется по нервам (нерв Геринга), которые входят в мозг в составе языкогло- точных нервов (рис. 54). Рис. 54. Распростра пение импульсации от барорецепторов и дуги аорты и сонных синусов Электронейрографическое исследование показало, что в нормальных условиях в «буферных» нервах импульсация носит фазный характер, совпадающий с ритмом работы сердца. Каждый залп импульсов со- ответствует повышению давления во время систолы. При повышении давления, например при механиче- ском пережатии сонной артерии, импульсация при- обретает непрерывный характер (рис. 55). Рис. 55. Характер импульсации одиночного барорецептора дуги аорты при повышении кровяного давления. Прирост импульсации на каждые 10 мм рт. ст. увеличения (обозначено стрелками) нац pt > иорционален. При больших величинах давления прирост импульсаций реико возрастает 189
Нервные центры Вся информация от барорецепторов несколькими потоками поступает к нервным клеткам различных уровней центральной нервной системы, и в первую очередь к структурам продолговатого мозга, имею- щим непосредственный выход через вегетативные ганглии на сосуды и сердце. Следствием возраста- ния частоты импульсации от периферических баро- рецепторов является торможение клеток, оказы- вающих активирующее влияние на спинальные симпатические центры, постоянно поддерживаю- щие тонус сосудов, усиливающие и ускоряющие работу сердца. Параллельно с этим по принципу сопряженности и за счет импульсации от барорецепторов возбужда- ются эффекторные нейроны блуждающих нервов, и деятельность сердца затормаживается. Одновремен- но с этим возбуждение клеток сосудорасширяюще- го отдела продолговатого мозга вызывает торможе- ние нейронов спинальных симпатических центров, что также способствует снижению тонуса сосудов, увеличению их просвета и снижению кровяного давления. Таким образом, за счет снижения активирующего влияния симпатического отдела вегетативной нерв- ной системы и усиления тормозного воздействия парасимпатического отдела проис ходит расширение сосудов и торможение сердечной деятельности, что в итоге приводит к снижению артериального давле- ния и возвращению его к исходным величинам. Рез- кое замедление сердечной деятельности и значи- тельное снижение артериального давления можно наблюдать в эксперименте при раздражении блуж- дающего нерва у кролика (рис. 56, 57). Рис. 56. Характер импульсации в аортальном депрессорном нерве у кролика. Палкообразная имнульсация, характерная для нормального кровяного давления в аорте, сменяется сплошной и мпу л ьс ацией при повышении кровяного давления 190
Рис. 57. Изменение артериального давления при раздражении блуждающего нерва у кролика АД Отметка раздражения О Особенности регионарного кровообращения Высокая проницаемость сосудов для крупно- молекулярных белков В случае падения артериального давления в ма- гистральных сосудах и соответственно при умень- шении частоты импульсации от барорецепторов происходит торможение центральных нейронов блуждающего нерва, оказывающих тормозное вли- яние на спинальные центры. По принципу сопря- женности возбуждаются центры продолговатого мозга, что приводит к усилению их деятельности. Они активируют симпатические нейроны спинного мозга, что вызывает усиление и ускорение работы сердца, уменьшение просвета сосудов и в конечном счете повышает системное артериальное давление до нормального уровня. Состояние вегетативных центров продолговатого мозга координируется вы- сшими отделами вегетативной саморегуляции, к которым относятся структуры лимбико-гипотала- мо-ретикулярного комплекса. В настоящее время установлено, что гипоталамус является высшим центром регуляции деятельности всей вегетативной нервной системы. Это обусловлено некоторыми его морфофункцио- нальными особенностями. Специфическая рецепция ядрами гипоталамуса внутренней среды. Ее определяют следующие осо- бенности. При сравнительном изучении кровоснабжения раз- личных отделов нервной системы (подсчет числа капилляров на 1 мм площади сечения) было обна- ружено, что ядра гипоталамуса имеют наиболее мощную капиллярную сеть. Наиболее васкуляризо- ваны супраоптическое и паравентрикулярное ядра, имеющие до 2600 капилляров на 1 мм. Другой особенностью гипоталамуса является высо- кая проницаемость сосудов для крупномолеку- лярных белков, неспособных пройти через гематоэн- цефалический барьер в других областях мозга. Высо- кая степень проницаемости способствует и легкому проникновению из кровеносного русла различных 191
химических веществ, необходимых ния активной жизнедеятельности гипоталамиче- ских клеток и получения постоянной химической информации о гуморальных и гормональных изме- нениях внутренней среды организма. Специфичность метаболизма самих клеток гипоталамуса Клетки гипоталамических ядер, имеющие непос- редственную связь с кровеносным руслом, устроены таким образом, что недостаток тех или иных ве- ществ вызывает возбуждение в соответствующих клетках. Эти клетки являются своеобразны- ми центральными р е ц е п т о р а м и, которые переводят недостаток тех или иных веществ в кро- ви на язык нервных импульсов. Существуют следующие рецепторные образования: • глюкозорецепторы (вентромедиальное ядро), • осморецепторы (супраоптическое ядро), • рецепторы к норадреналину (ядра задней гипота- ламической области) и др. Эти механизмы специфической рецепции внутрен- ней среды организма жестко наследственно детер- минированы. © Триггерный механизм работы нервных клеток гипоталамуса © Обширность морфологических связей с другими областями мозга и градуальность распространения возбуждения 0 Регулирующая функция эндокринных желез Изменения во внутренней среде не сразу вызывают возбуждение клетки, а постепенно накапливаются и, только достигнув определенного уровня, приводят к разряду. Причем длительность нарастания подпо- роговых изменений у разных клеток различна. Гипоталамическая область имеет обширные дву- сторонние связи со многими структурами мозга, которые позволяют оказывать влияния как в вос- ходящем, так и в нисходящем направлении: со структурами таламуса, с перегородкой и миндале- видным ядром; с ретикулярной формацией средне- го мозга; с гипофизом. Гипоталамус тесно связан с корой больших полу- шарий. За счет тесных связей с гипофизом гипоталамус оказывает влияние на деятельность всех эндокрин- ных желез и, следовательно, на все без исключении процессы, протекающие в организме. С другой стороны, сам гипоталамус находится под постоянным контролем со стороны коры большого мозга. Хорошо известны случаи выработки услоп- 192
Исполнительные механизмы Работа сердца Гемодинамический тип регуляции ных рефлексов у человека, когда в качестве под- крепляющего фактора выступали сердечно-сосу- дистые функции. Так, например, у одного из изве- стнейших дирижеров Большого театра во время исполнения увертюры к опере «Кармен» внезапно появились острые боли в области сердца. Он был вынужден прекратить выступление и обратиться за помощью к врачу. Приступ был купирован, но в последующем всегда, когда начинала звучать эта часть оперы, у этого человека возникало чувство боли в сердце. В процессах возвращения артериального давления к исходному уровню ведущая роль принадлежит изменению работы сердца и просвета сосудов. Вся приспособительная деятельность сердца к теку- щим потребностям организма достигается за счет экстракардиальной регуляции. Совокупность экстракардиальных факторов, вли- яющих на деятельность сердца, условно разделяют на три типа регуляции: гемодинамический, нерв- ный и гуморальный. В основе гемодинамической регуляции лежит закон сердца Старлинга (сила сокращения сердечной мышцы зависит от степени ее растяже- ния в состоянии покоя) и два следствия из этого закона: 1. При повышении венозного давления, т.е. при увеличении венозного притока крови, сердце увеличивает систолический объем, а следова- тельно, и минутный объем. 2. При увеличении артериального давления, но при постоянном уровне венозного давления, ми- нутный объем сердца не меняется. Физиологической нагрузкой, растягивающей во- локна сердечной мышцы, является количество крови, заполняющей полости сердца. Чем больше в сердце скапливается крови за время диастолы, тем сильнее растягиваются волокна сердечной му- скулатуры и тем энергичнее они сокращаются при следующей систоле. Благодаря этому быстро уста- навливается соответствие между притоком крови к сердцу и ее оттоком от него. Особое значение этот вид регуляции приобретает 193
при некоторых патологических состояниях сердца, в частности при недостаточности аортальных кла- панов, когда часть крови из аорты возвращается в левый желудочек. Впоследствии, в фазу диастолы желудочков, туда поступает обычная порция крови в результате систолы предсердий. Это приводит к тому, что стенка желудочка растягивается кровью больше, чем в норме, и по закону Старлинга, за Нервный тип регуляции счет усиления следующего систолического сокра- щения, количество крови, выброшенное в аорту, будет больше нормального. Однако возврат через дефект в клапанах некоторой порции крови приве- дет к тому, что практически в кровеносное русло попадет обычная порция крови, т. е. само сердце как бы компенсирует имеющийся дефект. Тем не менее закон Старлинга весьма относителен, по- скольку растяжение сердечных волокон ведет к усилению их последующего сокращения только при некоторых средних степенях растяжения. При растяжении сверх известного предела, варьирую- щего в зависимости от различного функционально- го состояния сердца, сила последующего сокраще- ния уже не увеличивается а наоборот, ослабляется. Следующим видом регуляции сердечной деятель- ности является нервная регуляция, осуще- ствляемая с помощью центробежных нервов серд- ца. Такими нервами прежде всего являются нервы вегетативной нервной системы, двух ее отделов — симпатического и парасимпатического. Парасим- патическая иннервация представлена сердечными ветвями блуждающего нерва, отходящими от об- щего ствола этого нерва в верхней части грудной полости. Ветви симпатического нерва берут свое начало от нижнего шейного и звездчатых симпати- ческих узлов. Если на шее у животного перерезать один блуждающий нерв, а его конец, идущий к сердцу (периферический), раздражать электриче- ским током, то при слабом раздражении возникает урежение сокращений сердца и ослабевает их си- ла. Если раздражение усилить, то может произой- ти и полная остановка работы сердца (во время ди- астолы желудочков). Эти данные свидетельствуют о том, что по блуждающим нервам к сердцу идут импульсы из центральной нервной системы, вызы- вающие урежение и ослабление его деятельности. Одновременно возникает ухудшение проводимости 194
и возбудимости сердечной мышцы. Раздражение симпатических нервов оказывает влияние, проти- воположное действию блуждающих нервов: часто- та сердечных сокращений увеличивается, возрас- тает сила сокращений, улучшается проводимость и повышается возбудимость. И. П. Павлов открыл в составе симпатического нерва особый нерв, раздражение которого усилива- ет сокращения сердечной мышцы без учащения ритма. Этот нерв получил название усиливающего нерва Павлова. Влияние усиливающего нерва на деятельность сердца объясняется усилением про- цессов обмена веществ, их улучшением в тканях сердца, т. е. положительным трофическим влияни- ем. В опытах на животных обнаружено, что пере- резка блуждающего нерва приводит к учащению сердечной деятельности вследствие выпадения тор- мозного влияния блуждающего нерва. Наоборот, перерезка симпатических ветвей приводит к неко- торому замедлению сердечного ритма. Эти опыты доказывают, что сердце находится под влиянием возбуждений, постоянно идущих по симпатическо- му и блуждающему нервам. Причиной указанных постоянных влияний слу- жит некоторое умеренное возбуждение в нервных клетках центров этих нервов, что получило назва- ние центрального тонуса. Блуждающий и симпати- ческий нервы оказывают влияние на сердце обыч- но одновременно (взаимосвязанное влияние). Работа сердца в каждый данный момент зависит от взаимодействия между центрами вегетативной нервной системы, регулирующими работу сердца. Иннервация сердца обеспечивает проведение из центральной нервной системы импульсов, тонко регулирующих сердечную деятельность в пяти на- правлениях: урежение и учащение сердечных со- кращений; ослабление и усиление силы сокраще- ний; повышение и понижение возбудимости сер- дечной мышцы; ухудшение и улучшение проводи- мости; изменение тонуса сердечной мышцы. В целом организме влияние центральной нерв- ной системы на сердце осуществляется по рефлек- торному принципу. Значительную роль в этом играют рецепторные образования, расположенные в рефлексогенных зонах кровеносных сосудов: дуге 195
аорты, каротидном синусе, верхней полой вене и правом предсердии. Кроме того, рефлекторное влияние на работу сердца оказывают механорецепторы, расположен- ные в брыжейке, кишечнике, желудке. Существу- ют рефлекторные влияния на сердце других рецеп- торов организма человека. Всякого рода болевые, температурные, световые и другие раздражители в той или иной степени изменяют состояние сердеч- ной деятельности. Наиболее наглядно торможение работы сердца рефлекторным путем иллюстрируется в опыте с легким поколачиванием по брюшку лягушки. При таком воздействии наступает замедление ритма и даже остановка сердца. В данном случае раздраже- ние рецепторов органов брюшной полости рефлек- торно повышает тонус блуждающего нерва, и дея- тельность сердца угнетается (рефлекс Гольца). Гуморальный тип регуляции Гуморальная регуляция работы сердца осуществляется за счет химических веществ, нахо- дящихся в крови. К числу таких веществ относят- ся, например, гормоны, некоторые минеральные соли и большое число биологически активных bi ществ различного химического состава. Наприме] гормон мозгового слоя надпочечников — адрен! лин — вызывает учащение деятельности сердца увеличивает силу его сокращения. Сходное влияние на сердце оказывают соли каль- ция. Адреналин и соли кальция действуют на серд- це подобно влиянию симпатической нервной сис- темы. Соли калия оказывают на сердце влияние, подобное действию блуждающего нерва: избыток калия в крови вызывает урежение ритма сердца, ослабляет силу сокращения, угнетает проводимость и возбудимость. Подобное действие на работу сердца оказывает и химическое вещество, выделяющееся при раздра жении блуждающего нерва, — ацетилхолин. Целый ряд веществ, таких, например, как ангио тензин-П, брадикинин, простагландины и другие, образующиеся в различных органах и поступаю щие в кровь, могут оказывать влияние на деятель ность сердца как прямым путем, так и через воз действие на центральную нервную систему. 196
Изменение массы циркулирующей крови Вещества с прессорным характером воздействия Наряду с изменениями работы сердца и просвета сосудов в поддержании артериального давления принимает активное участие и такой механизм, как изменение массы циркулирующей крови. В обычных нормальных условиях около 1/5 всей крови выключено из общей циркуляции и нахо- дится в депо. Наиболее крупными депо в орга- низме являются селезенка, печень, подкожные сосудистые сплетения, легкие. В селезенке кровь может выключаться полностью из общей циркуля- ции на довольно длительный период благодаря наличию капилляров особого вида — синусоидов. Эти капилляры имеют сфинктеры, сужение или расширение которых и обеспечивает наполнение или опорожнение селезенки. В других депо полного выключения крови из об- щего кровотока не происходит. Депонирование в этих резервуарах достигается за счет сокращения венных сфинктеров, уменьшения оттока крови и размещения ее в легко расширяющихся сосудах. Включение этих эффекторных механизмов про- исходит по эфферентным путям симпатической и парасимпатической нервной системы параллель- но с включением других исполнительных органов в процессе саморегуляции артериального давле- ния. К числу веществ, обладающих выраженным прес- сорным действием, относятся гормон мозгового ве- щества надпочечников — адреналин и гормон задней части гипофиза — вазопрессин. Адрена- лин оказывает стимулирующее влияние на дея- тельность сердца, усиливая и учащая его работу, суживает артерии и артериолы скелетной мускула- туры, органов брюшной полости, легких, кожи. Ва- зопрессин преимущественно суживает артериолы и капилляры. Мощное прессорное действие оказывают ренин- ангиотензиновые механизмы. Ренин сам является неактивным веществом и не оказывает влияния на сосуды. Однако в кровеносном русле ренин, воз- действуя на протеиновую фракцию 02-глобулина, высвобождает декапептид ангиотензин-I. Конвер- тирующий энзим расщепляет гистидин-лейцино- вую связь физиологически неактивного ангиотен- зина-1 и переводит его в ан г и оте нз и н-П. 197
Эти превращения наиболее выражены при про хождении крови через легкие, однако конверти рующий энзим встречается и в других органах Ангиотензин-П обладает выраженным сосудосу живающим действием и повышает систолическо< и диастоличекое давление. Кроме того, ангиотен зин-П повышает секрецию глюкокортикоидов I альдостерона путем прямого воздействия на кор} надпочечников. В нормальных условиях накопление ангиотензи на-П в крови не происходит, так как он крайне н< стойкий (период полураспада— 12 мин) и быстр< разрушается. Однако наряду с непосредственным сосудосуживающим эффектом ангиотензин-П даже в небольших, подпороговых по отношению к пря мому сужению сосудов, количествах постепенна усиливает влияние симпатической нервной систе мы на сердце и сосуды. Вещества с депрессорным характером воздействия К веществам с депрессорным характером воздейст вия относятся ацетилхолин и гнетам Оба эти вещества оказывают местное влияние на со суды. Ацетилхолин расширяет преимуществе нно просвет мелких артерий, а гистамин — капилля- и н ров. Более выраженный депрессорный эффект вызыва ют биологически активные вещества кинины. Они образуются в плазме крови из аг-глобулинов (кининогенов) путем активации протеолитически ми ферментами — калликреинами. Образующиеся из кининогенов брадикинин, лизил брадикинин и метионинлизилбрадикинин прини мают участие в регуляции артериального давления несколькими путями: — основное действие кининов состоит в расшире нии мелких артериальных сосудов и прекапил лярных сфинктеров, в увеличении венозной оттока и повышении сброса крови в венозно( русло за счет раскрытия артериовенозных ана стомозов. Непосредственного влияния на сокра тительную функцию миокарда кинины не ока зывают, но рефлекторно или за счет увеличени я кровоснабжения сердечной мышцы увеличиваю: работу сердца, пульсовое давление, что способе-! вует увеличению кровообращения в отдельны органах; 198
— кроме того, усиливая почечный кровоток и изме- няя проницаемость сосудов, кинины повышают выведение с мочой ионов К+, Na+, Cl и воды, что также может приводить к снижению артери- ального давления. Подобно кининам депрессорным эффектом облада- ют также простагландины. Влияние простаг- ландинов на уровень артериального давления про- исходит за счет изменения деятельности сердца. Увеличение ударного объема сердца достигается усилением коронарного кровотока и изменением метаболизма миокарда. Кроме того, простагландины играют роль в регу- ляции почечного кровотока, выведении натрия и воды. Например, простагландин Е увеличивает ди- урез и экскрецию натрия с мочой без изменения уровня фильтрации. Таким образом, в целом организме самые разнооб- разные факторы принимают участие в регуляции артериального давления, и в естественных услови- ях происходит постоянное динамическое взаимо- действие двух противоположных тенденций - прессорных и депрессорных. В случае воздействия какого-нибудь возмущающего фактора внешней среды, когда жизненно необходимым условием для организма является повышение артериального дав- ления, активируются все нервные и гуморальные прессорные механизмы. Устранение этого воздейст- вия немедленно включает весь комплекс депрессор- ных механизмов, что приводит артериальное дав- ление к исходному уровню, оптимальному для нормального метаболизма. Следовательно, в здоровом организме депрессорные влияния всегда чостаточны, чтобы устранить любые эпизодически возникающее отклонения. Это свойство саморегуляции артериального дав- ления П. К. Анохин назвал «золотым правилом». Динамика работы функциональной системы в разных режимах При эмоциональных или физических напряжени- ях нисходящие возбуждения адресуются к буль- барным симпатическим сосудосуживающим отде- лам сосудодвигательного центра. Благодаря этому усиливаются тонические симпатические, а затем 199
Режим повышения кровяного давления и гормональные влияния на артериолы и сердце, что приводит к повышению артериального давле- ния. Оно остается повышенным до тех пор, пока со- храняются указанные возбуждения. Однако после устранения эмоционального или физического воз- буждения включаются механизмы саморегуля- ции. За счет усиленной импульсации от барорецепто- ров происходит снижение тонуса симпатического отдела вегетативной нервной системы и повыше- ние тонуса парасимпатического отдела, что приво- дит к торможению сердечной деятельности и рас- ширению просвета сосудов. Параллельно с этим происходит регионарное распределение крови, выключение из общей цир- куляции некоторого объема крови, путем задерж- ки ее в депо, изменение вязкости крови и, соот- ветственно, периферического сопротивления. При длительном повышении артериального дав- ления в функциональную систему включаются и процессы кроветворения и кроворазрушения (уси- ливают работу органы, обеспечивающие кровораз- рушение). Согласованное взаимодействие всех эффекторных механизмов приводит к снижению повышенного артериального давления. Режим падения кровяного давления В случае падения кровяного давления, например при кровопотерях, уменьшение импульсации от ба- рорецепторов вызывает повышение тонуса симпа- тического отдела вегетативной нервной системы и снижение парасимпатического, что приводит к су- жению просвета сосудов, усилению сердечной дея- тельности, выбросу дополнительных порций крови из депо, увеличению вязкости крови и, соответст- венно, периферического сопротивления. В конечном итоге все это приводит к повышению артериального деления до величин, необходи- мых для оптимального метаболизма в тканях орга- низма. В обоих случаях наряду с нервной регуляцией при нимают участие и перечисленные выше гумораль но-гормональные факторы. 200
2.6. Функциональная система поддержания оптимальных величин дыхательных показателей Общая характеристика процесса дыхания Жизнедеятельность организма сопряжена с непре- рывным потреблением кислорода и образованием в тканях углекислого газа (двуокиси углерода). Единственным источником кислорода для организ- ма является атмосферный кислород. Во время вдо- ха атмосферный воздух поступает в легкие. В лег- ких происходит газообмен: притекающая к легким кровь насыщается кислородом, а избыток углекис- лого газа удаляется с выдыхаемым воздухом. Обмен газов между атмосферой и клетками орга- низма называется дыханием. Периодическое обновление воздуха в легких по- зволяет организму поддерживать дыхательный го- меостазис — состояние, характеризующееся опти- мальным для жизнедеятельности относительным постоянством газового состава в крови и тканях ор- ганизма. Жизнь организма невозможна без поддер жания оптимального уровня дыхательных показа телей pH, рСОг, рОг в тканях организма. Само по себе поступление кислорода в организм и удаление из него углекислого газа еще не может обеспечить поддержания оптимального для метабо- лизма соотношения кислорода и углекислого газа. Постоянно меняющиеся режимы деятельности ор- ганизма, связанные с изменениями потребления кислорода и выделения углекислого газа, напри- мер при мышечной деятельности, эмоциональных реакциях и т. д.. могут влиять на дыхательный го- меостазис организма. Кроме того, состав атмосфер- ного воздуха, содержание в нем кислорода и угле- кислоты, атмосферное давление также не являются постоянными, что, в свою очередь, может стать причиной изменений соотношения в организме со- держания кислорода и двуокиси углерода. Однако, несмотря на всевозможные возмущающие факто- ры, способные нарушить дыхательный гомеостазис, организм способен при различных условиях суще- ствования поддерживать оптимальное содержа- ние этих показателей в крови и тканях. Эту задачу выполняет функциональная система, поддержи- вающая оптимальные величины дыхательных по- казателей организма. Деятельность данной функ- циональной системы направлена на стабилизацию 201
кислородно-углекислого баланса в организме и вое полнение возникающей газовой потребности. Функциональная система, поддерживающая о, тимальный для метаболизма уровень Дых ательны показателей организма, относится к сложным ф; кциональным системам (рис. 58). Рис. 58. ('вязь функциональной системы поддержания оптимальных величин дыхательных показателей организма с другими функциональными системами ПОДДЕРЖАНИЯ ТКАНЕВОГО ME [АБОЛИЗМА ФУС РЕЧИ ФУС ВНЕШНЕГО ДЫХАНИЯ ПОДДЕРЖАНИЯ ВОДНО-СОЛЕВОГО БАЛАНСА ФУС ЦЕЛЕНАПРАВ- ЛЕННОГО ПОВЕДЕНИЯ ФУС ПОДДЕРЖАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕЛА ФУС ПОДДЕРЖАНИЯ ПОСТОЯНСТВА ДЫХАТЕЛЬНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ФУС ПОДДЕРЖАНИЯХ ВЫДЕЛЕНИЯ I Г МОЛИНАМИ ЧЕСКИХ КОНСТАНТ На основе иерархического соподчинения в и входят две подсистемы. Одна из них — функци' нальная система внешнего дыхания, которая в каж дом дыхательном цикле обеспечивает необходимы! объем легочной вентиляции. Эта система входит 1 более общую функциональную систему, поддержи вающую оптимальный для метаболизма уровень Д1 хательных показателей в организме (рис. 59). В эт< обобщенной функциональной системе изменен! внешнего дыхания способствует поддержанию оптй мального уровня тканевого дыхания. Благодаря деятельности рассматриваемой систе мы, в условиях изменяющейся жизнедеятельности объем легочной вентиляции принимает значения, которые способствуют наиболее полному удовлет ворению дыхательных потребностей организма. 202
ГЛУБИНА ВДОХА ЧАСТОТА ДЫХАНИЯ ЖЕЛ ОТ АЛЬВЕОЛ ФИЗИ- ЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ ДЫХАТЕЛЬНЫЙ ЦЕНТР I КОЛИЧШВОЭРИТРОЦИКШ ГОРМОНАЛЬНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ 1М0ЦИ0- ИАЛЬНЫЕ влияния Рис. 59. Схем» функциональной системы поддержания оптимальных величин ||ыхательных показателей организма j ПОВЕДЕНИЕВ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ БУФЕРНЫЕ СВОЙСТВА КРОВИ ЧАСТОТА СЕРДЦЕБИЕНИЙ УДАРНЫЙ ОБЬЕМ СКОРОСТЬ КРОВОТОКА КОЛИЧЕСТВО ГЕМОПЮЬИНА CIЮДСТВОНМОГ РОБИНА КИСЛОРОДУ ЗРИИ'О! 1о;>! I ВЫДИ1ИII ПЫ <t Uf ФУ1 IK I (ИИ IK nt к IIOIOOJfllJlLIM КИОТ 1Р0ДНАЯ ЕМКОСТЬ КРОВИ ЖЕЛУЦОЧНО КИШЕЧНОГО ТРАКТА ХЕМО РЕЦЕПТОРЫ СОСУДОВ Результат деятельности функциональной системы Обмен газов между организмом и атмосферой Организм имеет широкие возможности для изме- нения объема легочной вентиляции как по частоте, так и по амплитуде дыхания. Деятельность функциональной системы направлена на достижение оптимальных для метаболизма орга- низма величин дыхательных показателей — pH, рСОг, рО2. В атмосферном воздухе содержится около 80 % кислорода, что соответствует его парциальному дав- лению в воздухе, равному 159 мм рт.ст., и наи- меньшее парциальное давление углекислоты — 0,23 мм рт. ст. Парциальное давление отражает давление газа в смеси других газов, соответствующее его процент- ному содержанию. 203
Атмосферный воздух, содержащий кислород, по. ступает благодаря дыхательным движениям: вдохи и выдоху. Воздух, поступающий из атмосферы И легкие, называется вдыхаемым воздухом, а удаляем мый во время выдоха — выдыхаемым. В альвеола® легких происходит газообмен. Кислород диффун.1 дирует из альвеол в кровь легочных капилляров,] Вместе с током циркулирующей крови кислород переносится в ткани. В тканевых капиллярах про исходит диффузия кислорода в окружающую ткань. Перенос углекислоты осуществляется в против» положном направлении. Углекислота образуется в тканях в результате окислительного метаболизма. Из клеток она диффундирует в тканевые капилля ры, затем транспортируется кровью к легким. Из легочных капилляров углекислота диффундирует и альвеолы и затем вместе с выдыхаемым воздухом удаляется в атмосферу. Стадии дыхания Обеспечение организма кислородом и удаление углекислоты происходит в несколько стадий: • первая — легочное или внешнее дыхание — свя зана с поступлением и удалением воздуха из лег ких, т. е. вдохом и выдохом; • вторая — газообмен в легких между альвеоляр ным воздухом и легочными капиллярами; • третья — транспорт газов кровью: кислород из легких к тканям, углекислота — из тканей в легкие; • четвертая — газообмен в тканях; • пятая — соответственно тканевое (внутреннее! дыхание: метаболические процессы утилизации кислорода клетками и образование углекислоты 2.6.1. Внешнее дыхание. Системные механизмы вдоха и выдоха Вентиляция легких осуществляется благодаря пи прерывным, в течение всей жизни, и поперемении чередующимися вдохом (инспирация) и выдохом (экспирация). Во время вдоха в легкие поступш1'! насыщенный кислородом атмосферный воздух, при выдохе в атмосферу возвращается воздух, обеднен ный кислородом и обогащенный углекислотой. Дыхательные Вдох и выдох обеспечиваются дыхательными :>ы движения курсиями (движениями) грудной клетки и диафраг мы. Изменение объема грудной клетки происходит 204
Механика вдоха Гсудное и брюшное дыхание Модель дыхания благодаря сокращению межреберных мышц, движе- нию ребер и уплощению диафрагмы. При сокращении инспираторных мышц ребра под- нимаются, перемещаются вокруг оси, проходящей через сочленения в грудных позвонках. В результа- те объем грудной клетки увеличивается, особенно в ее нижних отделах, что определяет значительно большую вентиляцию нижних отделов легких по сравнению с верхушками. Разница между окружностью грудной клетки в положении вдоха и выдоха у здорового мужчины составляет 7 10 см, женщины — 5 8 см. Сокращение мышцы диафрагмы также вызывает увеличение объема грудной клетки. Во время вдоха диафрагма уплощается, а в покое и особенно во вре- мя выдоха купол ее поднимается в грудную клетку. Различают грудное и брюшное дыхание. При грудном типе дыхание возникает за счет со- кращения межреберных мышц, при брюшном типе в основном сокращается диафрагма, которая одновременно смещает органы брюшной полости. Иллюстрацией к механизму вдоха и выдоха может служить модель Дондерса (рис. 60). В замкнутом объеме находятся легкие мелкого животного. Трахея через отверстие сообщается с атмосферой. При потя- гивании за нитку, прикрепленную к резиновому Рис. 60. Модель Дондерса для демонстрации механики вдоха и выдоха ВЫДОХ 205
Эластичность легких Механизм вдоха Пассивный механизм выдоха дну стеклянного сосуда, объем его увеличивается, что приводит к падению давления в нем, расшире- нию легких и поступлению в него воздуха. При уменьшении объема процесс идет в обратном направ- лении, и воздух выходит из легких. Нечто подобное происходит и в естественных физиологических условиях. , В замкнутой, полностью изолированной от атмос- ферного воздуха грудной клетке находятся легкие, которые благодаря собственным эластическим свойствам стремятся сжаться и занять пространство вокруг корня. Во время вдоха при увеличении объема грудной клетки в замкнутой плевральной полости давление падает. Благодаря различию между атмосферным давлением в альвеолах и плевральным давлением легкие растягиваются, в целом увеличиваясь в объеме, следуют за грудной клеткой. При этом дав- ление в полости легких падает и становится ниже атмосферного. Полость легких -- альвеолы че- рез воздухоносные пути сообщаются с атмосферой. Появившаяся разница между давлением в легких и снаружи в атмосфере приводит к тому, что воздух начинает поступать через воздухоносные пути — трахею, бронхи и альвеолы, заполняя их. Тем са- мым давление выравнивается. В естественных физиологических условиях воз- дух в легкие поступает пассивно, как бы засасыва- ясь, благодаря растяжению легких, а не нагнетает- ся, как могло бы быть в случае повышения давления вовне. Выдох в основном происходит пассивно, межребер- ные мышцы расслабляются, купол диафрагмы под нимается. В результате объем грудной клетки уменьшается и давление в плевральной полости возрастает. Это давление передается на мышечную ткань, так что одновременно повышается давление воздуха в альвеолах. Теперь уже давление воздуха в легких становится больше, чем в атмосфере, и воздух благодаря этому начинает выходить из лег ких по воздухоносным путям наружу. 206
Дыхательный Периодичность дыхания, т. е. цикл вдох — выдох, цикл связана с ритмическими процессами расширения и уменьшения объема грудной клетки. От степени увеличения грудной клетки зависит объем вдоха и, соответственно, величина выдоха. Пневмоторакс В случае повреждения грудной клетки или легких в плевральную полость входит воздух. Это явление называется пневмотораксом. При этом легкие сжи- маются под давлением вошедшего воздуха, благода- ря эластичности ткани легких и поверхностному натяжению альвеол. В результате во время дыха- тельных движений легкие оказываются не способ- ными следовать за грудной клеткой, и газообмен в них уменьшается или полностью прекращается. При одностороннем пневмотораксе дыхание толь- ко одним легким на неповрежденной стороне может обеспечить дыхательную потребность при отсутст- вии физической нагрузки. Двусторонний пневмото- ракс делает невозможным естественное дыхание, и в этом случае единственным способом сохранения жизни является искусственное дыхание. Легочная Объем легочной вентиляции — это количество ноз- вентиляция духа, поступившего в легкие за единицу времени. Он определяется глубиной дыхания (объе- ма вдоха и выдоха) и ч а с т о т о й дых а н и я. Минутный объем дыхания- объем вды- хаемого или выдыхаемого воздуха за 1 мин, рав- ный произведению дыхательного объема на частоту дыхательных движений. Строго говоря, экспираторный объем несколько меньше инспираторного, так как поглощение кис- лорода больше, чем выделение углекислоты (дыха тельный коэффициент меньше 1). В спокойном состоянии взрослый человек в сред- нем вдыхает 500 мл воздуха 16 раз в минуту. Из этого складывается объем легочной вентиляции, равный 8 л в минуту. Дыхательный объем — амплитуда и частота ды- хательных движений — широко варьирует в раз- личных условиях жизнедеятельности человека в зависимости от его дыхательной потребности, пола, возраста. 207
Объемы легочной вентиляции 3. 4. Легочную вентиляцию можно подразделить на не- сколько компонентов (рис. 61). 1. Дыхательный объем— количество воздуха, ко- торое человек вдыхает и выдыхает в покое. 2. Резервный объем вдоха — количество воздуха, которое человек может дополнительно вдохнуть после нормального вдоха. Резервный объем выдоха — количество возду- ха, которое человек может дополнительно вы- дохнуть после спокойного выдоха. Остаточный объем — количество воздуха, остав- шееся в легких после максимального выдоха. Жизненная емкость легких — максимальное количество воздуха, которое можно выдохнуть 5. 208
Характеристика жизненной емкости легких «Мертвое» воздушное пространство Сурфактанты 6. Общая емкость легких — максимальное коли- чество воздуха, содержащегося в легких при наибольшем вдохе; состоит из функциональных компонентов 4 и 5. Из всех перечисленных функциональных компо- нентов наибольшее практическое значение имеют дыхательный объем и жизненная емкость легких. Жизненная емкость легких является показателем подвижности легких и грудной клетки. Она зави- сит от многих факторов: конституции, возраста, пола, степени тренированности человека. С возрастом жизненная емкость легких умень- шается, что связано со снижением эластичности легких и подвижности грудной клетки. У женщин жизненная емкость легких в среднем па 25 % ниже, чем у мужчин. У мужчин ростом 180 см жизненная емкость легких в среднем состав- ляет 4,5 л. Объем вдыхаемого и выдыхаемого воздуха и жизненную емкость легких можно измерить с по- мощью спирометра. Воздухоносные пути, состоящие из носового про- странства, ротовой полости, трахеи, бронхов, обра- зуют так называемое мертвое пространство. Воздух, занимающий объем «мертвого» пространства, не участвует в газообмене. Во время вдоха первая пор- ция вдыхаемого воздуха поступает в альвеолы из «мертвого» пространства. Во время выдоха она воз- вращается последней в воздухоносные пути «мерт- вого» пространства. Фактически один и тот же воздух «мертвого» пространства без обновления состава поступает в легкие. Эффективность дыхания зависит от объема ле- гочной вентиляции и «мертвого» пространства. Чем меньше дыхательный объем, тем более значи- тельной оказывается доля «мертвого» простран- ства. Воздухоносные пути наряду с основной функ- цией выполняют ряд важных вспомогательных функций. К ним относятся очищение, увлажнение и согревание воздуха. В альвеолярной жидкости, смачивающей альвеолы изнутри, имеются поверхностные активные вещест- ва сурфактанты, которые снижают поверхностное Н-2929 209
натяжение, особенно при спадении легких. Если бы этого не происходило, то при уменьшении объема альвеол поверхностное натяжение в них оказалось бы столь большим, что они могли бы полностью спасться. По своему составу сурфактанты легких представ- ляют собой смесь белков и липидов. 2.6.2. Газообмен в легких Содержание газов в атмосферном воздухе В атмосферном воздухе содержится 20,9 об. % кислорода, 0,03 об. % углекислоты и 79,07 об. % азота. Вдыхаемый воздух имеет наибольшее парциаль- ное давление кислорода— 159 мм рт. ст. и наи- меньшее парциальное давление углекислоты — 0,23 мм рт. ст. Парциальное давление кислорода и углекисло- ты не одинаково в различных альвеолах легких. Различия обусловлены неравномерностью венти- ляции разных долей легких и неодинаковым их кровоснабжением. В среднем парциальное давле- ние кислорода при нормальных атмосферных условиях поддерживается в альвеолярном воздухе на уровне 105 мм рт. ст., а углекислоты — около 40 мм рт. ст. В то же время парциальное напря- жение углекислоты в притекающей к альвеолам венозной крови равно 46 мм рт. ст., а парциальное напряжение кислорода в венозной крови не пре выптает 40 мм рт. ст. Благодаря градиенту давлений происходит транспорт газов через стенку альвеол. Углекис лота покидает венозную кровь и поступает в аль веолярный воздух. Кислород диффундирует в про тивоположном направлении — из альвеолярного воздуха в кровь. Оттекающая от альвеол легких артериальная кровь имеет парциальное напряже ние кислорода 100 мм рт. ст. и углекислоты 40 мм рт. ст. (рис. 62). В покое поглощение организмом кислорода (в пересчете на стандартные условия температу ры, давления) составляет в среднем 280 мл/мин. Выделение углекислоты при этих же условиях равно в среднем 230 мл/мин. 210
Рис. 62. Кровообращение в области альвеолы: возможные соотношения между капиллярами и альвеолами; II - газообмен между альвеолой и капилляром [Коробков А. В., 1986] 1 ОКСИГЕНИЗАЦИЯ КРОВИ Состав Содержание кислорода в альвеолярном воздухе со- альвеолярного ставляет 14 об. %. Содержание углекислоты в аль- воздуха веолярном воздухе равно 5,6 об. %. Основная часть в смеси приходится на долю азота. Анализ газового состава альвеолярного воздуха Для анализа альвеолярного воздуха во время глубо- кого выдоха используют последнюю порцию выды- хаемого воздуха. С помощью специального газоана- лизатора производят непосредственное определение содержания кислорода и углекислоты в альвеоляр- ном воздухе. Для этого последовательно производят химическое поглощение кислорода и углекислого газа из альвеолярного воздуха. После этого изме- ряют оставшийся объем газовой смеси. Разница в объемах до и после поглощения равна объему со- держащихся в смеси газов. Существует специальная современная аппарату- ра, позволяющая определить газовый состав вдыха- емого, выдыхаемого и альвеолярного воздуха. Принцип действия приборов, определяющих со- держание углекислоты и кислорода, основан на особенностях поглощения углекислотой инфра- красных лучей, а устройство, измеряющее содер- жание кислорода, — на парамагнитных свойствах кислорода. Преимущество этих методов заключается в быстро- действии и возможности определения содержания газов непосредственно в крови. 211
Газообмен в альвеолах Парциальное давление газов в альвеолах зависит от интенсивности легочной вентиляции. При ее увели- чении (гипервентиляции) парциальное напряжение кислорода (рОг) повышается, а парциальное напря- жение углекислого газа (рСО2) снижается; напро- тив, при снижении вентиляции (гиповентиляции) легких наблюдаются обратные изменения. Парциальное давление кислорода в альвеолах значительно выше, чем напряжение в венозной крови, притекающей к легким. Напротив, парциальное давление углекислоты в притекающей венозной крови превышает парци- альное давление в альвеолярном воздухе. Эти суще- ствующие градиенты парциальных давлений опре- деляют противоположное направленное движение кислорода в кровь и углекислоты в альвеолярный воздух. Благодаря огромной общей поверхности альвеол, составляющей 50-80 м2, имеются условия для до- статочно эффективной диффузии газов, обеспечива- ющей дыхательные потребности организма. Тонкий слой легочной ткани, отделяющей кровь легочных капилляров от альвеолярного пространства, легко проницаем для газов. В процессе диффузии газы проходят через следующие среды: альвеолярный эпителий, интерстинальное пространство между основными мембранами, эндотелий капилляров, плазму крови, мембраны эритроцитов, внутреннюю среду эритроцитов. Диффузный барьер составляет 1 мкм. В результате диффузии кислород из альвеол по ступает в кровь, напряжение кислорода в ней ста ловится равным 100 мм рт. ст. Диффузия углекис- лоты из венозной крови в альвеолярный воздух приводит к тому, что парциальное давление СОг н оттекающей от альвеол артериальной крови стано вится равным 40 мм рт. ст. У здорового человека парциальное давление газов в артериальной крови становится практически таким же, как и в альвео лярном воздухе. Факторы, определяющие газообмен Насыщение крови кислородом и удаление из нее углекислоты зависит от трех факторов: 1) альвеолярной вентиляции; 2) кровотока в легких; 3) диффузной способности тканей легких. | 212
Эти факторы — вентиляция, перфузия и диффу- зия — вариабельны и неравномерно проявляют се- бя в различных отделах легочных доль у здоровых лиц. Кровь, оттекающая из хорошо вентилирован- ного участка, газообмен в которой происходит более эффективно, постоянно перемешивается с кровью другого участка легкого, где газообмен может быть снижен. В результате неравномерность диффузных процессов в легких является важным фактором эффективности газообмена. Дополнительным внелегочным фак- тором, влияющим на содержание дыхательных газов в крови, является изменение кровотока че- рез артериовенозные шунты, по которым венозная кровь, минуя легкие, поступает в артерии большо- го круга. 2.6.3. Транспорт газов кровью Перенос кровью кислорода Физическое растворение кислорода Химические соединения кислорода Кислородная емкость крови Обогащенная кислородом кровь направляется по сосудам с током крови из легких в ткани организма. Кислород транспортируется кровью двумя спосо- бами: в связанном с гемоглобином виде в форме оксигемоглобина и за счет физического растворе- ния газа в плазме крови. Все газы, в том числе и кислород, в соответствии со своим парциальным напряжением и растворимо- стью могут физически растворяться в жидкости. Так, в артериальной крови содержание физически растворенного кислорода составляет 0,003 мл на 1 мл крови. Доля кислорода, переносимого за счет физического растворения, невелика. И все же этот процесс имеет огромное значение для жизнедея- тельности, так как процесс транспорта — переноса газов в легких и тканях — всегда идет с обязатель- ным участием физического растворения. Большая часть кислорода переносится кровью в ви- де химических соединений с гемоглобином. Один моль гемоглобина может связать до четырех молей кислорода; 1 г гемоглобина в среднем способен свя- зать 1,34 1,36 мл кислорода. Исходя из описанного выше, можно определить кислородную емкость крови, характеризующую ко- личество кислорода, содержащееся в 1 л крови. Принимая во внимание, что в норме в 1 л крови 213
Кривая диссоциации оксигемоглобина содержится 150 г гемоглобина (НЬ), можно рассчи- тать, что максимально в 1 л крови содержится 0,2 л кислорода. Связывание кислорода с гемоглобином и высво- бождение зависят от парциального давления кис- лорода. Соотношение количества гемоглобина и оксигемоглобина в крови иллюстрирует кривая диссоциации оксигемоглобина (рис. 63). Рис. 63. Кривые диссоциации оксигемоглобина: 1 — кривая насыщения гемоглобина кислородом при нормальном содержании СОг; 2 — при высоком содержании СОг; 3— при низком содержании СОг Парциальное давление кислорода, мм рт. сг. Факторы, определяющие кривую диссоциации оксигемоглобина Содержание оксигемоглобина в крови зависит от парциального давления кислорода. Чем выше пар- циальное давление кислорода, тем болыпе содержа- ние оксигемоглобина в крови. При парциальном давлении, равном 80 мм рт.ст., практически весь гемоглобин насыщается кислородом. Графически эту зависимость отражает кривая диссоциации оксигемоглобина, которая теоретиче- ски имеет гиперболическую форму. Динамика кривой зависит от нескольких факторов. Кривая может сдвигаться относительно оси абсцисс вправо или влево (эффект Бора) в зависимости от сопутствующего парциального давления углекисло- ты и величины pH. При этом реальная физиоло- гическая кривая имеет S-образную форму. При уве- личении содержания углекислоты и закислении крови кривая диссоциации оксигемоглобина сдви- 214
Биологическое значение кривой диссоциации оксигемоглобина Эффективность транспорта кислорода Эффект Бора гается вправо, и, напротив, при снижении углекис- лоты и защелачивания крови имеет место сдвиг кривой влево. Кривая диссоциации оксигемоглобина имеет важ- ное биологическое значение для переноса кисло- рода кровью. Участок кривой, соответствующий низким парциальным значениям кислорода, харак- теризует содержание оксигемоглобина в капилля- рах тканей, а фрагмент кривой, лежащий в области высокого парциального давления кислорода 80- 100 мм рт. ст., соответствует крови в легочных капиллярах. Эффективность транспорта кислорода к тканям определяется двумя факторами: • количеством оксигемоглобина, образовавшегося в легких; • количеством отдаваемого кислорода тканям, за- висящим от степени распада оксигемоглобина в восстановленный гемоглобин. Этот процесс наиболее эффективного переноса кислорода к тканям соответствует S-образной фор ме кривой диссоциации оксигемоглобина: • в области высокого парциального давления кислорода кривая близка к насыщению кисло- родом крови; • в области низких значений напряжения кис- лорода в тканях значительная часть оксигемо- глобина отдает кислород и превращается в восстановленную форму. Огромное биологическое значение для транспорта кислорода и углекислоты имеет эффект Вора. При увеличении напряжения углекислоты в тканях кривая диссоциации оксигемоглобина, сдвигаясь вправо, иллюстрирует повышение способности оксигемоглобина отдавать кислород тканям и тем самым высвобождаться для дополнительного свя- зывания углекислоты и переноса ее избытка из тка- ней в легкие. Напротив, при снижении парциального давления углекислоты (гипокапния) и смещении pH крови в щелочную сторону (алкалоз) сдвиг кривой диссоци- ации оксигемоглобина влево означает уменьшение способности оксигемоглобина отдавать кислород 215
Транспорт кровью углекислоты Разновидности транспорта углекислоты Перенос углекислоты из тканей в легкие Химические связи тканям и захватывать углекислоту для транспорта ее к легким. Сдвиг кривой диссоциации оксигемоглобина ил- люстрирует взаимосвязь транспорта кислорода и углекислоты в крови и сродство гемоглобина к этим газам. Углекислота, образующаяся в тканях, переносится с кровью к легким и выделяется выдыхаемым воз- духом в атмосферу. В отличие от транспорта кислорода, углекислота транспортируется кровью тремя способами. Во-первых, так же как и кислород, углекислота пе- реносится в физически растворенном состоянии. Содержание физически растворенной углекислоты в артериальной крови составляет 0,026 мл СО2 на 1 мл крови, что в 9 раз больше содержания физи- чески растворенного кислорода. Это объясняется гораздо более высоким коэффициентом растворе- ния СОг- Во-вторых, в виде химического соединения с гемо- глобином, называемого карбогемоглобином. В-третьих, в виде бикарбонатов — кислых солей угольной кислоты. Процесс переноса углекислоты из тканей в легкие осуществляется следующим образом. Наибольшее парциальное давление углекислоты в клетках ткане- й и в тканевой жидкости — 60 мм рт. ст. В притека- ющей артериальной крови напряжение углекислоты равно 40 мм рт. ст. Благодаря этому градиенту угле- кислота движется из тканей в капилляры. В резуль- тате парциальное давление углекислоты возраста- ет и в венозной крови составляет 46 48 мм рт. ст. Под влиянием высокого парциального давления часть углекислоты физически растворяется в плазме крови. Большая же часть углекислоты претерпевает хими- ческие превращения: благодаря ферменту карбоан- гидразе углекислота, соединяясь с водой, образует угольную кислоту. Особенно активно эта реакция идет в эритроцитах, через мембраны которых угле- кислота легко проникает. Угольная кислота диффундирует на ионы водоро- да и бикарбонаты, которые проникают через мемб- 216
рану в плазму. В эритроцитах образуется бикарбо- нат калия, в плазме — бикарбонат натрия. Наряду с этим углекислота вступает в соединение с белковым компонентом гемоглобина, образуя кар- боаминовую связь. В целом 1 л венозной крови захватывает около 2 ммоль углекислоты, из этого количества: • 10 % находится в виде карбоаминовой связи с гемоглобином; • 35 % составляют бикарбонаты в эритроцитах; • оставшиеся 55 % — в виде солей угольной кислоты в плазме. Кривая Содержание углекислоты в крови определяется ве- диссоциации личиной ее парциального давления. Зависимость углекислоты содержания углекислоты в крови от парциального в крови давления описывается кривой содержания углекис- лоты (рис. 64). Рис. 64. Парциальное напряжение Oz и СОг в различных тканях организма По своему характеру эта кривая принципиально не отличается от кривой диссоциации оксигемогло- бина. Однако содержание углекислоты в крови не сводится только к диссоциации карбогемоглобина и описывает все способы транспорта. На рис. 65 приведены кривые связывания угле- кислоты для оксигенированной (артериальной) и дезоксигенированной (венозной) крови. Пунктир- ная кривая ab («эффективная кривая связывания СОг») отражает фактический газообмен. 217
Рис. 65. Кривые содержания СО2 в оксигени- рованной и дезоксиге- нированной крови: 1 -- венозная кровь; 2 — артериальная кровь Общая закономерность проявляется в увеличе- нии содержания углекислоты в крови при возраста- нии ее парциального давления. Конкуренция с кислородом При одном и том же парциальном давлении содер- жание углекислоты в дезоксигенированной крови больше, чем в оксигенированной крови. Это объяс- няется уже описанным сродством углекислоты и кислорода к гемоглобину и конкуренцией между ними за соединение с ним. В оксигенированной крови гемоглобин связан с кислородом, и в связи с этим меньше возможность захвата и переноса угле- кислоты. Реальная кривая содержания углекислоты в кро- ви проходит между двумя графиками, относящи- мися к оксигенированной и дезоксигенированной крови в диапазоне 40-46 мм рт. ст., который соот- ветствует парциальному давлению углекислоты в артериальной и венозной крови. В этом проявляется биологическая целесообраз ность. В легких оксигенированная кровь, насыща- ясь кислородом, вытесняет углекислоту, которая, выделяясь, дает возможность дополнительной пор ции кислорода связаться с гемоглобином. В тканях, напротив, дезоксигенированная кровь, отдавая кислород клеткам, способна связать боль шее количество углекислоты и переносить ее с то ком крови в легкие. Зависимость pH от содержания углекислоты и кислорода Содержание углекислоты и кислорода в крови и тканях активно влияет на pH. Убыток углекислоты ведет к увеличению угольной кислоты и повыше- нию концентрации водородных ионов (ацидоз). 218
Снижение углекислоты вызывает обратную реак- цию — развитие защелачивания (алкалоз). При недостатке кислорода (гипоксии) усиливает- ся доля гликолитических реакций в метаболизме, что проявляется в избытке недоокисленных про- дуктов, молочной, а-кетоглютаровой и пировино- градной кислот. При выраженной гипоксии наблюдается сдвиг pH в кислую сторону (ацидоз). Величина pH, в свою очередь, находится под контролем буферных систем крови (см. раздел «Кислотно-щелочное равновесие») и соответствующей функциональной системы, под- держивающей физиологически оптимальный уро- вень в организме. Благодаря этому в норме отклоне- ния весьма незначительны. Взаимосвязь кислорода, углекислоты и pH позво- ляет их рассматривать в едином комплексе дыха- тельных показателей организма. 2.6.4. Регуляция дыхания Хорошо известно, что внешнее дыхание постоянно изменяется в различных условиях жизнедеятельно- сти организма. Дыхательная Деятельность функциональной системы дыхания потребность всегда подчинена удовлетворению дыхательной по- требности организма, которая в значительной сте- пени определяется метаболизмом в тканях. Так, при мышечной работе по сравнению с поко- ем возрастает потребность в кислороде и удалении углекислоты. Для компенсации повышенной дыха- тельной потребности увеличивается интенсивность легочной вентиляции, что выражается в увеличе- нии частоты и глубины дыхания. Впервые экспериментальные доказательства то- го, что недостаток кислорода и избыток углекисло- ты в крови оказывают влияние на внешнее дыха- ние, представлены в экспериментах Фредерика с перекрестным кровообращением (рис. 66). У двух собак создаются анастомозы между сосудами таким образом, что кровь одной собаки поступает через сонные артерии в голову другой собаки. При этом если у первой собаки производится асфиксия путем пережатия трахеи, то усиление дыхания обнаружи- вается у второй собаки, через голову которой прохо- дит кровь с избытком углекислоты и недостатком 219
Рис. 66. Схема опыта Фредерика с перекрестным кровообращением I СОБАКА II СОБАКА Роль углекислоты Недостаток кислорода Избыток кислорода Ацидоз ЛАМ_____________________плыШии t t АСФИКСИЯ МОМЕНТ ПЕРЕЖАТИЯ ТРАХЕИ кислорода. В результате развивающейся у второй собаки гипервентиляции из крови удаляется из- лишнее количество углекислоты. Эта кровь, посту- пая в голову первой собаки, вызывает снижение объема легочной вентиляции вплоть до полной остановки (апноэ), несмотря па то что именно у этой собаки наблюдается асфиксическое состояние. Специальные эксперименты показали, что избыток углекислоты в воздухе и крови (гиперкапния) сти- мулирует легочную вентиляции за счет учащения и углубления дыхания, тем самым создавая условия для удаления из организма избытка СО2. Напротив, снижение рСОг в крови (гипокапния) вызывает уменьшение легочной вентиляции вплоть до апноэ. Это явление наблюдается после произвольной или искусственной гипервентиляции, во время которой из организма в избытке удаляется углекислота. В результате сразу же после интенсивной гинервенти ляции возникает остановка дыхания — постгипер вентиляционное апноэ. В свою очередь, недостаток кислорода в атмосфере, снижение его парциального давления при дыхании на большой высоте в условиях разреженной атмосфе ры (гипоксия) также стимулируют дыхание, вы зывая увеличение глубины и особенно частоты дыха ния. В результате гипервентиляции осуществляется частичная компенсация недостатка кислорода. Избыток кислорода в атмосфере — г и п е р о к с и я, наоборот, снижает объем легочной вентиляции. Закисление крови (ацидоз), который может быть связан с гиперкапнией и увеличением содержа ни.я в крови метаболических кислот, стимулирует 220
легочную вентиляцию. Углубление и учащение ды- хания в этих условиях способствуют вымыванию СОг из организма, а следовательно, способствуют восстановлению уровня pH в крови. Алкалоз При смещении pH в щелочную сторону (алкалоз) происходит снижение легочной вентиляции, спо- собствующее задержке углекислоты в организме и уменьшению сдвига pH. Во всех случаях вентиляция изменяется в на- правлении, способствующем восстановлению изме- ненного газового состояния организма. Этот процесс, получивший название регуляции дыхания, заключается в стабилизации дыхатель- ных показателей у человека. На рис. 67 представлены графики, демонстриру- ющие процесс легочной вентиляции при различных дыхательных потребностях организма (отклонение кривой вверх - закисление, увеличение степени насыщения оксигемоглобином крови). 5% СО] в ВОЗДУХЕ ИСКУССТВЕННАЯ ГИПЕРВЕНТИЛЯЦЙЯ 1‘ис. 67. Динамика дыхательных показателей трех жидкостных сред организма: %НЬОг— запись степени насыщения артериальной крови оксигемоглобином; ЗД — запись дыхания 221
Хеморецепция дыхательных показателей Периферические хеморецепторы Можно видеть, что дыхательные показатели Н4Я только непосредственно зависят от внешнего дыха-Ч ния, но, в свою очередь, и сами оказывают влияние 1 на вентиляцию легких. В результате образуется са- | морегулирующаяся функциональная система, дея- ] тельность которой направлена на поддержание трех ] констант — рСОг, рОг и pH. В этом проявляется! участие внешнего дыхания в поддержании дыха-| тельного гомеостаза с обеспечением соответствия! дыхательной функции метаболическим потребно-1 стям организма. 1 В опытах Гейманса были открыты хеморецепторы, 1 воспринимающие изменения парциального давле- ' ния углекислоты и кислорода, а также pH крови. Эти хеморецепторы расположены в синокаротид- ной зоне в месте бифуркации общей сонной артерии и в аортальной зоне, главным образом в стенке дуги аорты (рис. 68). Рис. 68. Каротидные и аортальные тельца Морфо- функциональная организация хеморецепторов Д Вид А КАРОТИДНОЕ ТЕЛЬЦЕ Хеморецепторы — это сложно построенные чувст- вительные аппараты, снабженные специальными хемочувствительными структурами, обладающими избирательной чувствительностью к отдельным физико-химическим параметрам внутренней сре- ды. Хеморецепторы также могут быть представле- ны окончаниями миелинизированных волокон (группы А, В) и пемиелинизированных волокон (группа С). Функциональная специализация этих хеморецепторов менее выражена. 222
Доказательство хеморецепции Центральные хеморецепторы Для доказательства влияния дыхательных показа- телей крови на хеморецепторы сосудов были прове- дены опыты с перфузией изолированного сонного синуса растворами с разными рСОг, pOz- В экспери- ментах Гейманса обнаружено, что при уменьшении рОг или увеличении рСОг наблюдается усиление импульсации в синусном нерве и увеличение легоч- ной вентиляции. Кроме сосудистых хеморецепторных зон информа- ция о величинах дыхательных показателей в ткани мозга может восприниматься при непосредствен- ном воздействии углекислоты и водородных ионов на центральные хеморецепторы, расположенные в продолговатом мозге на вентральной поверхности и на дне IV желудочка. Наличие центральных хемо- рецептивных влияний подтверждается опытами с непосредственным воздействием буферных раство- ров с разными pH и рСОг на дно IV желудочка и вентральную поверхность продолговатого мозга. Оказалось, что закисление и воздействие углекис лоты в области продолговатого мозга оказывают стимулирующее влияние па дыхание (рис. 69). Рис. 69. Хеморецепторные зоны, участвующие в регуляции дыхания, на вентральной поверхности продолговатого мозга кошки Сигнализация о дыхательных показателях Таким образом, величина дыхательных показателей в организме определяется двумя механизмами: хе- морефлексогенным, при помощи сосудистых хемо- рецепторных зон, и центральными хеморецептора- ми, находящимися в области продолговатого мозга. Благодаря рефлексогенным и центральным меха- низмам хемочувствительности информация о вели- чинах дыхательных показателей воспринимается от различных гуморальных сред организма — крови, 223
t- ликвора и ткани продолговатого мозга. От хеморе- цепторных зон возбуждение направляется в продол- говатый мозг по синусным нервам и афферентным волокнам блуждающего нерва. Вся эта информация о состоянии кислородно-углекислотного баланса в организме поступает в так называемый дыхатель- ный центр — нейрональную организацию, опреде- ляющую ритмический характер дыхания. Дыхательные В функциональном отношении понятие дыхатель- центры ного центра можно определить в узком и широком смысле. В узком смысле под дыхательным центром Определение надо понимать сравнительно ограниченную нейро- дыхательного центра нальную структуру, которая определяет ритмиче- ское дыхание и без существования которой дыха- ние невозможно. Такая нейрональная организация располагается в области продолговатого мозга. Как показали опыты, при разрушении этой зоны рит- мическое дыхание необратимо исчезает. В широком смысле под дыхательным центром понимают совокупность структур мозга, так или иначе участвующих в регуляции дыхания и в наи- более совершенном приспособлении его к изменяю- щимся дыхательным потребностям организма. Локализация При нанесении электрических стимулов в разные дыхательных структуры центральной нервной системы были об- центров наружены различные области мозга, которые ока- зывали влияние на дыхание (рис. 70). Среди этих Рис. 70. Многоуровневая организация дыхательного центра в центральной нервной системе; Я- представительство дыхательного центра в коре (условно); Гт представительство дыхательного центра в гипоталамусе - Варолиев мост ДВИГАТЕЛЬНЫЕ НЕЙРОНЫ ДЫХАТЕЛЬНЫХ МЫШЦ АПНОЭТИЧЕСКИЙ ЦЕНТР ЦЕНТР ВЫДОХА (ЭКСПИРАТОРНЫЙ ЦЕНТР) ЦЕНТР ВДОХА {ИНСПИРАТОРНЫЙ ЦЕНТР) ПНЕВМОТАКСИЧЕСКИЙ ЦЕНТР СТРУКТУРЫ ДЫХАТЕЛЬНОГО ЦЕНТРА диафрагме intercostales межреберным мышцам СПИННОЙ МОЗГ Gh-Cv n.phrenicus ПРОДОЛГОВАТЫЙ МОЗГ 224
Экспериментальные доказательства Ритмическая активность дыхательного центра структур — кора большого мозга, промежуточный мозг, включающий гипоталамус, средний мозг вме- сте с входящей в него ретикулярной формацией, мост мозга, мозжечок, а также продолговатый и спинной мозг. Широкое участие различных структур мозга в ор- ганизации дыхательного центра демонстрируют опыты с перерезками ствола мозга на уровне моста, продолговатого мозга. В этих случаях разоб- щение отдельных нейрональных организаций ды- хательного центра, в частности отделение моста мозга от продолговатого мозга, приводит к нару- шению ритмичности дыхания, изменению частоты и амплитуды дыхания, потере плавности смены вдоха выдохом. Первые опыты по изучению ритмической активно- сти дыхательного центра были проведены И. М. Се- ченовым в 1863 г. Он показал наличие ритмиче- ской электрической импульсации в продолговатом мозге лягушки. Позже Эндриан и Бьютендайк заре- гистрировали ритмическую активность в изолиро- ванном продолговатом мозге золотой рыбки. В еще более поздних работах разными исследователями проводилась полная изоляция бульбарного дыха- тельного центра от выше- и нижележащих отделов мозга. Такая изоляция полностью исключала какие-либо нервные ритмические влияния извне. Существовала единственная связь — гуморальная, которая осуществлялась через сосудистый крово- ток. Установлено, что в изолированном центре про- долговатого мозга сохраняются нейроны с ритмиче- ской активностью, хотя ритмика их существенно изменяется по сравнению с активностью в нормаль- ных условиях. Все эти данные послужили основой для научно- го представления о том, что дыхательный центр продолговатого мозга обладает автоматизмом. Дыхательные нейроны Основными нейрональными элементами, входящи- ми в дыхательный центр, являются дыхательные нейроны. Все эти нейроны обладают ритмической залповой активностью, возникающей в определен- ный период дыхательного цикла. В зависимости от того, в какой период разряжаются нейроны, их относят к инспираторным (вдыхательным) или 225
экспираторным (выдыхательным) нейронам (рис. 71). Инспираторные нейроны дают залповый разряд в фазу вдоха, экспираторные нейроны раз- ряжаются в период выдоха. Среди дыхательных нейронов есть и такие, которые постоянно разряжа- ются, лишь периодически изменяя частоту в одну из фаз дыхательного цикла. Каждый дыхательный нейрон сохраняет постоянной свою принадлеж- ность по отношению к периоду дыхательного цикла. Инспираторные и экспираторные нейроны располагаются диффузно в непосредственной близо- сти друг от друга. МИ-------ня» Рис. 71. Форма инспираторной и экспираторной активности дыхательных нейро- нов: а --- потенциалы действия одиночного двигательного волокна диафрагмально- го нерва; б— интегрированные потенциалы действия диафрагмального нерва; в — интегрированные потенциалы действия экспираторной мышцы. Потенциалы действия одиночных инспираторных и экспираторных нейронов: г — запись дыхания; д — ранний инспираторный нейрон; е поздний инспираторный нейрон; ж— инспираторио-экспираторпый нейрон; з — экспираторный нейрон Таким образом, в дыхательном центре продолго- ватого мозга существуют две взаимосвязанные кле- точные популяции, определяющие вдох и выдох. Автоматическая фазная деятельность дыхательного центра обусловлена функциональной организацией инспираторных и экспираторных нейронов. Между инспираторными и экспираторными нейронами в 226
Роль нейронов в организации акта вдоха Роль нейронов в организации акта выдоха большинстве случаев проявляются реципрокные отношения. Для инспираторных нейронов харак- терна непрерывная импульсная активность, обус- ловленная биоэлектрохимическими процессами, которая преобразуется в фазную периодическую активность благодаря тормозным влияниям экспи- раторных нейронов. Первично возникающая им- пульсная активность инспираторных нейронов активирует экспираторные нейроны. Те, в свою очередь, оказывают тормозное влияние па актив- ность инспираторных нейронов. Благодаря этому активность инспираторных нейронов на определен- ное время подавляется, преобразуясь из непрерыв- ной в периодическую, фазную, соответствующую дыхательному циклу. Кроме экспираторных нейронов, в торможении активности инспираторных нейронов принимают участие блуждающие нервы. Увеличение импульс- ной активности в блуждающих нервах, возникаю- щее при наполнении воздухом легких, вызывает торможение определенной части инспираторных нейронов. В условиях перерезки ствола мозга под мостом мозга и блуждающих нервов можно наблю- дать возникновение длительного тетануса инспира- торных мышц инспираторное апноэ. В это время проявляется непрерывная спонтанная активность инспираторных нейронов продолговатого мозга, освободившихся от тормозных влияний. Непрерыв- ная спонтанная активность — это специфическое свойство инспираторных нейронов, зависящее от специфики обмена веществ и особой чувствительно- сти инспираторных нейронов к окружающей их гуморальной среде, и в частности к углекислоте. Акт вдоха определяется ритмической залповой ак- тивностью инспираторных дыхательных нейронов. В нормальных условиях непрерывная активность инспираторных нейронов тормозится экспиратор- ными нейронами, которые, в свою очередь, ритми- чески возбуждаются афферентной импульсацией блуждающих нервов и нейронами моста мозга. Выдох, как правило, осуществляется пассивно, за счет расслабления диафрагмы и межреберных мышц. Большинство экспираторных нейронов не принимают участия в нем. Экспираторные нейроны в большинстве случаев являются антиинспиратор- 227
ними нейронами. Однако определенная часть экс- пираторных нейронов может участвовать в органи- зации активного выдоха. Фазная деятельность нейронов продолговатого мозга Модулирующая деятельность других структур мозга Таким образом, ритмическое дыхание обеспечива- ется периодической фазной деятельностью дыха- тельного центра продолговатого мозга. Это единст- венная структура из множества образований мозга, принимающих участие в регуляции дыхания, кото- рая способна самостоятельно автоматически под- держивать ритмическое дыхание. Остальные структуры мозга модулируют ритм дея- тельности дыхательного центра, оказывая влияние на частоту и глубину дыхания и плавность смены вдоха на выдох. Влияние дыхательной потребности Среди множества разнообразных влияний наиболь- шее значение для деятельности дыхательного цент- ра имеет информация о величинах дыхательных показателей организма. Сосудистые и центральные хеморецепторные зоны воспринимают изменения кислородно-углекислотного баланса в организме и обеспечивают приток афферентных возбуждений к дыхательному центру. Избыток углекислоты и не- Влияние чистого кислорода достаток кислорода, оказывающие стимулирующее влияние на дыхапие, вызывают усиление активно- сти инспираторных нейронов и уменьшение актив- ности экспираторных. Противоположные явления в импульсной активности нейронов дыхательного центра возникают после искусственной гипервенти- ляции вследствие избыточного удаления из орга- низма углекислоты и развития алкалоза. В период гипокапнии во время остановки дыхания импульс- ная активность инспираторных нейронов исчезает, а активность экспираторных — возрастает. Перед началом вдоха импульсная активность инспиратор- ных нейронов становится непрерывной, а с момента появления ритмического дыхания инспираторные и экспираторные нейроны приобретают свойствен- ную им фазную активность. При вдыхании чистого кислорода наблюдается активация экспираторных нейронов, частота им- пульсов возрастает, и длительность залпов увеличи- вается. У инспираторных нейронов уменьшается частота импульсов, укорачивается длительность залпа, вплоть до полного его исчезновения. В то же время усиление выдоха не наблюдается, что еще 228
функцию, чем собственно выдыхательную, связан- ную с обеспечением акта выдоха. Легочно- вагусная регуляция дыхания Резюмируя вышесказанное, можно видеть, что автоматическая по своей природе деятельность дыхательного центра находится под контролем дыхательных показателей организма. Благодаря периферическим и центральным хеморецепторным механизмам в дыхательный центр одновременно поступает информация о дыхательных показателях различных гуморальных сред — крови, церебро- спинальной жидкости, межклеточной жидкости дыхательного центра. Именно эта афферентация и определяет режим работы дыхательного центра, пе- рестраивая его в интересах обеспечения ведущего результата деятельности рассматриваемой функци- ональной системы - поддержания оптимального для метаболизма уровня рС)2, рСОи и pH. Кроме отмеченных хеморецепторных влияний, активность дыхательного центра продолговатого мозга определяется еще целым рядом факторов. Среди них наибольшее значение имеет а<]хрерспта- ция от механорецепторов альвеол легких, поступа- ющих по блуждающим нервам. Она была открыта Герингом и Брейером. Эти исследователи обнару- жили, что увеличение объема легких тормозит или прекращает вдох, а отсасывание воздуха из легких, наоборот, вызывает сильное сокращение инспира- торных мышц и активацию дыхания. Установлено, что в альвеолах легких, стенках бронхов имеются механорецепторы, которые реаги- руют на увеличение объема и растяжения легочной ткани. При поступлении в легкие воздуха альвеолы растягиваются, и при этом увеличивается частота импульсации, генерируемая механорецепторами. По афферентным волокнам блуждающих нервов импульсы от механорецепторов легких проводятся к дыхательному центру. Пропорционально степени расширения легких во время вдоха в афферентных волокнах блуждающего нерва постепенно нарастает импульсация, которая при определенной частоте тормозит вдох и вызывает выдох (рис. 72). В опы- тах, в которых исключалось действие вагусной аф- ферентации путем перерезки блуждающих нервов, 229
было отмечено удлинение вдоха вследствие отсут- ствия тормозных влияний на дыхательный центр. В этом случае дыхание становилось более глубоким и редким. Рис. 72. Роль афферентных влияний блуждающего нерва в регуляции дыхания: а — кривая дыхания; 6 . просвет альвеол; в — импульсы, отводимые от одиночного афферентного волокна блуждающего нерва; г — тормозное влияние экспираторно- го центра на инспираторный; д - импульсы, идущие от инспираторного центра к дыхательной мускулатуре При раздражении центрального конца блуждаю- щего нерва, имитирующем активацию импульса- ции блуждающего нерва при растяжении легких, как правило, вдох прекращается раньше времени, и наступает выдох. Другие факторы регуляции дыхания Роль температуры Кроме афферентации, поступающей по блужда- ющим нервам, активность дыхательного центра определяется еще рядом факторов: температурой крови, импульсацией, поступающей от сосудистых барорецепторов, от мышечных проприорецепторов, болевыми стимулами, а также влияниями, связан- ными с эмоциями и речью. В целом эти влияния отражают межсистемные взаимоотношения с дру- гими функциональными системами организма. Повышение температуры тела вызывает учащение дыхания. У ряда животных, в частности у собак, учащение дыхания, способствующее испарению влаги с языка, является одним из путей стабили- зации температуры тела. Охлаждение организма, вызывающее мышечную дрожь, также влияет на дыхание, нарушая его регулярность. 230
Сигнализация от мышц Эмоциональные влияния При изменении мышечного тонуса и при появле- нии моторной активности мышечные проприоре- цепторы (мышечные веретена) посылают по /-аффе- рентным волокнам импульсацию к дыхательному центру, которая вызывает активацию дыхания. Благодаря этому механизму активация дыхания возникает задолго до того, как появляется наруше- ние кислородно-углекислотного баланса в организ- ме, например при мышечной работе. Эмоциональные возбуждения, охватывающие струк- туры лимбико-ретикулярного комплекса, и в первую очередь гипоталамус, распространяются в нисходя- щем направлении и также вызывают изменение дея- Влияние артериального давления Болевые реакции Речь и дыхание тельности дыхательного центра. Деятельность сосудодвигателыюго и дыхательного центров носит сопряженный характер и координи- руется вагусными влияниями. Депрессорная актив- ность, возникающая в барорецепторных зонах, оно собпа влиять па величину артериального давления и па характер дыхания, одновременно затрагивая деятельность сосудодвигательного и дыхательного центров. Повышение артериального давления мо- жет сочетаться с урежением дыхания. Отчетливые изменения дыхания возникают при болевых реакциях. Как показали опыты, даже у наркотизированных нембуталом кошек незначи- тельное раздражение в виде укола кожи живота вызывает изменение в ритмической деятельности дыхательного центра. Речь, относящаяся к высшим мозговым функциям человека, а также голосовые реакции животных возникают на основе дыхательных движений, вы- зывающих прохождение воздуха через голосовой аппарат. В этом отношении внешнее дыхание ста- новится эффекторной функцией сразу двух систем: функциональной системы дыхания, обеспечиваю- щей оптимальный газовый баланс в организме, и функциональной системы речи, осуществляющей построение слов, фраз и контролирующей смысло- вое содержание речи. Поэтому во время речи к ды- хательному центру приходят влияния, подстраива- ющие его деятельность для необходимых речевых реакций. В то же время дыхательный центр управ- ляет тем объемом легочной вентиляции, кото- рый необходим для поддержания дыхательного 231
Произвольный контроль дыхания Интегративные влияния на дыхательный центр гомеостаза. Поэтому дыхание в этих условиях становится апериодическим, одновременно удов- летворяя два необходимых условия. Произвольный контроль дыхания в отдельных слу- чаях может иметь самостоятельное значение в регу- ляции дыхательных показателей организма. На- пример, предварительная гипервентиляция перед подводным погружением и сама задержка дыхания под водой могут служить компенсаторными меха- низмами для предотвращения неблагоприятных для организма последствий. Гипервентиляция пе- ред погружением в воду способствует увеличению запаса кислорода в организме и уменьшает содер- жание углекислоты, что позволяет удлинить время задержки дыхания под водой. Таким образом, деятельность дыхательного центра определяется множеством нервных и гуморальных влияний. На нейронах дыхательного центра проис- ходит взаимодействие всех этих влияний, и объем легочной вентиляции в каждый момент времени есть результат этого сложного взаимодействия гу- моральных и нервных возбуждений, характеризую- щих дыхательную потребность. Эти процессы со- ставляют основу механизма афферентного синтеза в функциональной системе дыхания. 2.6.5. Центральная архитектоника функциональной системы поддержания оптимальных величин дыхательных показателей Афферентный Благодаря афферентному синтезу, в функциональ- синтез ной системе дыхания (рис. 73) интегрируется мно- жество как нервных, так и гуморальных влияний, и уровень вентиляции определяется совокупностью всех показателей. Одновременно в дыхательный центр поступает информация о гуморальных сдвигах от различных жидких сред организма. При этом наиболее важным источником информации являет- ся ткань дыхательного центра, так как совершенно очевидно, что деятельность дыхательного центра и всей функциональной системы дыхания подчинена обеспечению определенного баланса дыхательных показателей именно в тканях. Однако этот путь по- ступления информации требует определенного вре- мени для своего осуществления, поскольку «волна гуморального сдвига» должна пройти от капилляров 232
Рис. 73. Иннервация органов дыхания: Ап.П — апноэтический, пневмотаксический центры мозга; И.Э — инспираторный и экспираторный бульбарные центры; Дф, Мр — центры диафрагмального и межреберных нервов в спинном мозге [Коробков Л. В., 1986| мышца диафрагмы легких через кровь в ткань дыхательного центра. Для более быстрой информации дыхательного цент- ра о возможных гуморальных сдвигах используется нервный канал, начинающийся механорецепторами легких, проприорецепторами мышц и хемореценто- рами сосудистого русла. Все эти афферентные влия- ния предупредительно сигнализируют о дыхатель- ной потребности. Процесс афферентного синтеза в данной функци- ональной системе происходит с участием различ- ных структур мозга. Среди них: — кора большого мозга, участвующая в организа- ции произвольных реакций и речевых функций; — эмоциогенные зоны лимбико-ретикулярного комплекса, определяющие эмоциональные реак- ции организма; — структуры среднего мозга и мозжечка, приуро- чивающие дыхание к движению; — структуры продолговатого мозга, определяющие ритмичность дыхания. Афферентный синтез нервных и гуморальных воз- буждений на структурах мозга в каждый конкретный момент формирует эфферентные команды, обеспечи- вающие объем легочной вентиляции и необходимые для удовлетворения существующей дыхательной по- требности, т. е. достижения конечного результата — поддержания оптимальных величин дыхательных 233
Исполнительные механизмы Контроль и оценка результативности дыхательного акта показателей организма. Благодаря точному учету дыхательной потребности в каждый момент времени происходит ее адекватное удовлетворение. Механизмы, которые в функциональной систем! дыхания ведут к оптимальным удовлетворения» дыхательной потребности, следующие. Возбужде ние дыхательного центра как результат обработкт сигнализации о дыхательной потребности реализу ется в действие — сокращение определенных груш дыхательных мышц с соответствующей силой и по следовательностью. В организации дыхательньп движений принимают участие спинномозговьп центры диафрагмальной и межреберных мышц К этим центрам и поступает импульсация из дыха тельного центра продолговатого мозга. Нейронь диафрагмального нервного ядра и спинномозговые центров межреберных мышц также имеют фазнук периодическую активность, однако в отличие от нейронов дыхательного центра продолговатой: мозга эти нейроны не обладают автоматизмом и, будучи изолированы от дыхательного центра про- долговатого мозга, при пересечении нисходящих волокон оказываются не в состоянии ритмически разряжаться и поддерживать дыхание. Возникающее при сокращении дыхательных мышц увеличение объема грудной клетки приводит к тому, что в легкие поступает именно то количе- ство атмосферного воздуха, которое необходимо в данных условиях для удовлетворения дыхательной потребности. В деятельности дыхательного центра выявлено наличие аппарата программирования и оценки до- стигнутого результата — акцептора результата дей- ствия. Наличие аппарата программирования и оценки ре- зультата внешнего дыхания — количества поступив- шего в легкие воздуха, демонстрирует следующий эксперимент (рис. 74). Во время опыта кролик нахо- дится под наркозом, и воздух поступает в легкие кро- лика при помощи аппарата искусственного дыхания. Особенность данного эксперимента заключается в том, что количество воздуха, поступающее в легкие животного, зависит от активности диафрагмальных нервов. Аппарат подает воздух в легкие во время появления пачечной активности в диафрагмальном 234
ИМПУЛЬСАЦИЯ ДИАФРАГМАЛЬНОГО НЕРВА Рис. 74. Схем» управляемого искусственного дыхания (по В. Л. f (оляпцеву) нерве, соответствующей естественному периоду вдоха. Таким образом, сам дыхательный центр через активность в диафрагмальных нервах управляет аппаратом искусственного дыхания. Поэтому количе- ство поступающего в легкие воздуха всецело зависит от работы дыхательного центра. В определенный мо- мент эксперимента благодаря вмешательству экспе- риментатора в работу аппарата искусственного дыха- ния животное вместо обычного количества воздуха получает больший или меньший дыхательный объем. При этом оказывается, что дыхательный центр не- медленно изменяет качество и количество эффектор- ной импульсации в следующем дыхательном цикле таким образом, чтобы устранить возникшее рассо- гласование между существующей дыхательной по- требностью и реально поступившим в легкие объемом воздуха. Поэтому уже в последующем дыхательном цикле появляется такая импульсация, которая необ- ходима для обеспечения поступления в легкое соот- ветствующего количества воздуха. В данном опыте немедленная реакция дыхатель- ного центра возникает благодаря обратной аффе- рентации о несоответствии поступившего в легкие воздуха запрограммированному объему. Обратная В функциональной системе поддержания дыхатель- афферентация ных показателей обратная афферентация о коли- честве поступающего в легкие воздуха осуществля- ется на основе легочно-вагусной афферентации: от 235
механорецепторов альвеол по блуждающим нерва| она направляется в дыхательный центр. Фактически посредством вагусной импульсации дыхательны центр получает информацию о количестве поступи! шего в легкие воздуха. Легочно-вагусная афферентг ция прекращает вдох, заменяя его на выдох, ка только в легкие поступит необходимое количеств воздуха. В зависимости от условий пребывания орге низма, особенностей газовой среды, активности мы шечной работы, эмоционального состояния количе ство вдыхаемого воздуха будет различным, и всяки! раз легочная афферентация будет прекращать вдох тот самый момент, когда в легкие поступит необхс димое количество воздуха. Если же по каким-либ причинам в легкие не поступает нужное количеств, воздуха, то дыхательный центр немедленно получи информацию о возникшем рассогласовании и буде перестраивать свою работу в соответствии с дыха тельной потребностью. Нейрональная организация акцептора результата действия в дыхательном центре Специальные опыты раскрыли нейрональную орга низацию акцептора результатов действия в дыха тельном центре. Было показано, что среди дыха тельных нейронов имеются нейроны, иосылающи! «команду» к дыхательным мышцам, и нейронь вставочные, на которые конвергируют несколькс разнородных возбуждений (рис. 7Г>). Одним из пш является возбуждение, которое приходит по аксон, ным коллатералям выходных нейронов, имеющих прямые аксонные связи со спинномозговыми центра- ми диафрагмальной и межреберных мышц. По суще- ству, это возбуждение отражает «копию команды», посылаемой дыхательным центром для получения определенного количества воздуха в легкие. Другое Рис. 75. Схема функциональной орга- низации дыхательного центра: А— инспираторные нейроны, имею- щие выходные спинальные связи со спинномозговыми диафрагмальными и межреберными центрами; В — вставочные нейроны, восприни- мающие «копию команды» от инспи- раторных нейронов и афферентное возбуждение (по II. К. Анохину и Ю. И. Фельдшерову) КОМАНДА К ДЕЙСТВИЮ ОБРАТНАЯ афферентаЛ РЕЗУЛЬТАТЫ _ ДЕЙСТВИЯ 236
возбуждение, воспринимаемое вставочными ней- ронами, поступает по блуждающим нервам в виде обратной афферентации от рецепторов растяжения легких. Эта обратная афферентапия несет информа- цию о количестве поступившего в легкие воздуха, т. е. о параметрах уже положенного результата. Таким образом, на системе вставочных нейронов конвергируют два типа возбуждений. Одно пред- ставляет собой «копию команды» дыхательного центра эффекторам, второе несет информацию о ре- зультатах выполнения этой «команды». Благодаря взаимодействию этих возбуждений осуществляются постоянная оценка и сравнение достигнутого результата с существующей дыхатель- ной потребностью. 2.6.6. Многосвязная регуляция дыхательных показателей в организме Характерной чертой функциональной системы поддержания оптимальных величин дыхательных показателей является тот факт, что не один, а одно- временно несколько гуморальных показателей — pH, рСОг, рОг — являются параметрами конечного результата (рис. 76). Рис. 76. Схема многосвязного (мультипараметрического) регулирования дыхатель- ных показателей организма [Юматов Е. А., 1972] Другая важная особенность — наличие комплек- са гуморальных и нервных влияний на дыхатель- ный центр со стороны различных жидких сред 237
организма — крови, ликвора, межклеточной жид- кости ткани дыхательного центра. Это приводит к определенным особенностям саморегуляции дыха- тельных показателей организма. Так, например, при дыхании гипоксической га- зовой смесью снижение парциального давления приводит к гиперноэ, направленному на поддер- жание постоянства pOz, однако в результате уси- ленной вентиляции появляются гипокапния и ще- лочный сдвиг pH. Поэтому наблюдаемая картина отражает противоположное влияние химических показателей: снижение рОа стимулирует вентиля- цию, а появившееся в крови, ликворе и ткани ды- хательного центра гипокапния и алкалоз тормозят ее. В результате уровень вентиляции в этот период уменьшается и приобретает новое значение, недо- статочное для того, чтобы скомпенсировать сни- жение рОа. Однако оно оказывается еще слишком большим, чтобы pH и рОа могли оставаться неиз- менными. Таким образом, при установившемся состоянии легочная вентиляция приобретает про- межуточное значение в отношении поддержания постоянства каждого из показателей, и поэтому все дыхательные показатели устанавливаются на новом уровне. Анализ взаимоотношений между дыхательными показателями и легочной вентиляцией показал, что в случае незначительного отклонения величи- ны только одного из показателей вслед за возни- кающим в результате этого изменением объема вентиляции изменяются значения всех других ды- хательных показателей, и тогда деятельность дыхательного центра уже обуславливается их сум- марным сдвигом. Поскольку дыхательные показа- тели оказываются смещенными в разных направ- лениях в отношении их влияния на дыхание (одни из них стимулируют дыхание, другие, на- оборот, тормозят его), то легочная вентиляция бу- дет лишь частично компенсировать сдвиг дыха- тельного показателя, возникающего в результате действия возмущающего фактора. Благодаря сме- щению величин всех дыхательных показателей обеспечивается минимум сдвига каждого из них. Специальные опыты показали, что не существу- ет полного равновесия в отклонениях дыхательных показателей во всех жидких средах организма. 238
Благодаря этому в функциональной системе регу- ляции дыхательных показателей наблюдается та- кое положение, когда под влиянием одного и того же возмущающего фактора, например при гипо- ксии, вызванной вдыханием газовой смеси, содер- жащей сниженное количество кислорода, химиче- ские показатели крови, спинномозговой жидкости и ткани центра, смещаясь в разных направлениях, оказывают независимое и часто противоположное влияние на работу дыхательного центра (см. рис. 76). В этих условиях дыхательный центр на- ходится в «противоречивом» состоянии, поскольку его деятельность не может быть одновременно на- правлена на стабилизацию дыхательных показате- лей как в крови, так и в ткани. Например, если в крови имеется гипокапния, которая уменьшает активность дыхательного центра, и если в то же время pH ткани дыхательного центра смещается в кислую сторону, вызывая активацию его работы, то деятельность дыхательного центра, подчинен- ная всем этим влияниям, уже не может быть на- правлена на поддержание постоянства какого-либо дыхательного показателя любой из жидких сред. В результате ни pH ткани, пи pH крови уже не будут иметь значений, близких к нормальным. Отклонения одного из дыхательных показателей влияют и на другие дыхательные показатели той же жидкостной среды. Так, избыток СОг в артери- альной крови и ее закисление смещают кривую диссоциации оксигемоглобина вправо и, наоборот, щелочной сдвиг pH и гипокапния — влево (эффект Бора). Гипокапния сопровождается снижением способности оксигемоглобина отдавать кислород тканям, а значит — падением рОг в тканях. По- скольку центральный эффект недостатка кисло- рода незначителен, то в этот период активность дыхательного центра в основном определяется гипокапнией и щелочным сдвигом pH. В целях стабилизации и pH и рСОг легочная вентиляция уменьшается, приводя тем самым к еще большему снижению рОг в ткани дыхательно- го центра. Гиперкапния, наоборот, приводит к увеличению рОг в крови и мозге. В этом случае также нет усло- вий для поддержания постоянства каждого из дыхательных показателей. 239
Саморегуляция дыхательных показателей при различных условиях Таким образом, в данной функциональной сис- теме осуществляется регуляция сразу нескольких дыхательных показателей: pH, рСОг, рОг различ- ных жидкостных сред организма, которые одновре- менно оказывают влияние на деятельность дыха- тельного центра. Поэтому конечным результатом деятельности рассматриваемой функциональной системы является обеспечение баланса или опреде- ленных соотношений между значениями дыхатель- ных показателей организма. В период действия возмущающих факторов функциональная система дыхания переходит на новый стационарный уро- вень значений своих показателей (см. рис. 76). Наличие комплекса взаимосвязанных регулиру- емых показателей позволяет рассматривать функ- циональную систему регуляции дыхательных по- казателей как систему мультипараметрического регулирования. Системой мультипараметрического регулирования является такая система, в которой количество регулируемых величии больше одной и регулируемые величины связаны между собой так, что изменение какой-либо одной из них вызывает одновременно изменение всех других регулируе- мых величин. Функциональная система поддержания дыха- тельных констант является системой мультипара- метрического (многосвязного) регулирования, по- скольку ее деятельность одновременно направлена на регуляцию нескольких взаимосвязанных пока- зателей (pH, рСО?, рОг). Это означает, что в этой функциональной системе конечный результат представлен множеством составляющих его пар: метров. При пребывании организма в условиях изменение газовой среды возникают характерные изменения дыхательных показателей в организме и легочной вентиляции. Так, при попадании в газовую среду с повышен ным содержанием углекислоты в организме новы шается рСОг, возникает гиперкапния. Развитие ги перкапнии приводит к сдвигу pH в кислую сторону в крови и тканях. Реакция дыхательного центра па гуморальные и рефлексогенные влияния, обуслои ленные гиперкапнией и ацидозом, выражается и увеличении объема легочной вентиляции. Учащс 240
ние и углубление дыхания имеют компенсаторный характер, поскольку в определенной мере способст- вует удалению углекислоты из организма и тем са- мым уменьшению степени отклонения pH и рСОг. При подъеме организма на большие высоты, где существует сниженное парциальное давление кис- лорода, а также при вдыхании воздуха, содержаще- го пониженное количество кислорода, происходит снижение содержания оксигемоглобина в крови. При снижении парциального давления кислоро- да в организме — гипоксии — возникает благода- ря сосудистым хеморефлексогенным влияниям усиление легочной вентиляции, направленной на частичную компенсацию сниженного уровня содер- жания кислорода в организме. Однако в результате усиления легочной вентиля- ции также происходит избыточное вымывание из организма углекислоты, развитие гипокапнии и алкалоза. В свою очередь, гипокапния и алкалоз, появившиеся в результате усиления легочной вен- тиляции при гипоксии, вызывают снижение ле- гочной вентиляции, а также приводят к сдвигу кривой диссоциации оксигемоглобина влево, что затрудняет отдачу кислорода тканям. Вместе с тем гипокапния повышает потребность тканей в кисло- роде. Все это снижает эффект от усиления легоч- ной вентиляций при гипоксии, заключающийся в поддержании рОа на показателях, близких к нор- мальным. При более выраженных и продолжительных формах гипоксии алкалоз, возникающий в резуль- тате гипервентиляции, сменяется апидозом. Это связано с тем, что при гипоксии в тканях появля- ются в избытке недоокислепные продукты обмена (молочная, пировиноградная и другие кислоты), которые закисляют ее. Величина метаболического ацидоза зависит от ряда величин: от степени гипо- ксии, которая в первую очередь определяется рОа в воздухе, а также зависит от продолжительности гипоксического состояния, от рОа в тканях и, на- конец, от эффективности легочной вентиляции. Вдыхание чистого кислорода приводит к повы- шению содержания оксигемоглобина в крови. Ды- хательная реакция на гипероксемию развивается двухфазно. Для начального периода характерно снижение объема легочной вентиляции. Причиной И -2929 241
этого является устранение естественной стимуля- ции артериальных хеморецепторов при повыше- нии рОг в крови. В свою очередь, снижение легоч- ной вентиляции приводит к некоторой задержке углекислоты в организме и развитию небольшой степени гиперкапнии и ацидоза. Некоторое закис- ление крови также связано с возрастанием количе- ства оксигемоглобина в ней. В результате этих вторичных гуморальных от- клонений дыхательных показателей в организме легочная вентиляция в определенной мере увели- чивается и при этом сохраняется на таком уровне, что одновременно существуют гипероксия и неболь- шая степень гиперкапнии и ацидоза. При искусственном усилении легочной вентиля- ции — гипервентиляции — из организма усиленно удаляется углекислота, развиваются гипокапния и сопутствующий ей алкалоз. Во время гинервенти- ляции происходит повышение содержания оксиге- моглобина в крови за счет некоторого увеличения рОц. Характерная компенсаторная реакция на гипокапнию и алкалоз заключается в уменьшении легочной вентиляции вплоть до полной остановки дыхания в постгипервеитиляционном периоде. Снижение объема легочной вентиляции приводит к задержке углекислоты в организме и быстрейшей нормализации pH, однако одновременно с этим снижается содержание оксигемоглобина крови, которое приводит к снижению рОг в тканях. Таким образом, можно .заключить, что при вся- ком отклонении какого-либо дыхательного показа- теля в результате изменения окружающей газовой среды или навязанной неадекватной формы дыха- ния в функциональной системе поддержания ды- хательных показателей происходят перестройки, приводящие к изменению объема легочной венти- ляции в направлении нормализации величины ды- хательного показателя. Одновременно вторично происходят отклонения других дыхательных пока- зателей. Это связано с наличием разных форм вза- имосвязи между всеми дыхательными показателя- ми, например через легочную вентиляцию или благодаря жидкостной взаимосвязи, при которой изменение одного из дыхательных показателей крови может влиять на другие дыхательные пока затели организма. 242
2.7. Функциональная система, определяющая оптимальный для метаболизма уровень питательных веществ в организме Общая характеристика. Центральным си- стемообразующим фактором данной функциональ- ной системы является конечный результат — оп- тимальный для метаболизма организма уровень питательных веществ. Функциональная система, определяющая оптимальный для метаболизма уро- вень питательных веществ, иерархически и после- довательно объединяет ряд подсистем (рис. 77). ।---СМЕНА ФУС----1 КОРА ХЕ МО- РГ ЦЕНЗОРЕ ГОРМО НАЛЬНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ У ГА Г.ОЛИЗМ ИЗМЕНЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ МЕТАЬОЛИЗМА ТКАНЕЙ ПОСТУПЛЕНИЕ ПИТАГЕПЬНЫХ ВЕЩЕСТВ ИЗ ДЕПО ПЕРЕ РАСПРЕ ДЕЛЕ HUE ПИ ГАГЕ ЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ В ОРГАНИЗМЕ Рис. 77. Общая схема функциональной системы питания с соподчиненными подсисте- мами: ЛГ— латеральный гипоталамус; ИМГ вентромедиальный гипоталамус Функциональная система эндогенного пи- тания с помощью внутренних механизмов само- регуляции определяет нормальный метаболизм при отсутствии поступления питательных веществ из- вне. Она же на основе потребности в питательных веществах определяет возникновение пищевой мо- тивации. С этой функциональной системой на осно- ве иерархического соподчинения тесно связана функциональная система пищедобывания. С по- мощью данной функциональной системы организм на основе пищевой мотивации осуществляет актив- ный поиск и потребление пищи. 243
После этого в процесс последовательно включа- ются: 1) функциональная система обработки пищи, ко- нечный результат деятельности которой заклю- чается в превращении принятой пищи в пищевые вещества, способные к всасыванию — аминокис- лоты, жирные кислоты, моносахара и др.; 2) функциональная система всасывания, опреде- ляющая процессы поступления в кровеносное русло различных питательных веществ; 3) функциональная система выделения вредных и непереваренных пищевых веществ, заверша- ющаяся актом дефекации. В конечном счете функциональная система, опре- S деляющая оптимальный уровень питательных I веществ в организме, своей деятельностью обуслав- ; ливает равновесие двух главных факторов: поступ- ление питательных веществ в кровь и постоянное их использование в метаболизме. Любое изменение концентрации питательных ве- < ществ в крови контролируется рецепторным аппа- ратом. Рецепторные образования (хеморецепторы) \ воспринимают изменение концентрации любых пи- тательных веществ в крови. Их избирательная хи- мическая чувствительность к строго определенному j веществу обуславливает их специфику. Контроли- руемое питательное вещество, входя в интимные биохимические процессы жизнедеятельности ре- цепторов, определяет нормальное течение их мета- болизма. Таким образом, любое изменение концен- , трации того или иного питательного вещества в ; тканях и в плазме крови немедленно возбуждает ; именно те рецепторы, которые используют это ве- щество в своем метаболизме. Нервным центром, синтезирующим информации: о степени достижения конечного полезного резуль- тата в данной функциональной системе, являются ядра гипоталамической области головного мозга! Нервные клетки гипоталамических ядер получают импульсы не только от периферических хеморецеп- торов, но и гуморальным путем (формирование «го- лодной крови»). Следует отметить, что возбуждение этих клеток гипоталамуса может произойти чисто нервным путем за счет импульсации, поступающей из пустого желудка, опорожняющегося тонкого ки- шечника или печени еще задолго до того, как изме- 244
Внутреннее звено саморегуляции Внешнее звено саморегуляции Характеристика уровня питательных веществ в крови как предконечного результата функциональной системы питания нится содержание питательных веществ непосред- ственно в крови и в тканях. Эти процессы выступа- ют в качестве инициативного сигнала о пищевой потребности. Рассматриваемая функциональная система вклю- чает внутреннее и внешнее звено саморегуляции. Внутреннее звено саморегуляции обес- печивает поддерживание оптимального для метабо- лизма уровня питательных веществ за счет эндоген- ных механизмов перераспределения питательных веществ внутри организма: • от тканей менее .значимых в физиологическом отношении к тканям более значимым; • за счет опорожнения депо питательных веществ; • за счет изменения интенсивности метаболиче- ских процессов тканей. За счет внутреннего звена саморегуляции уро- вень питательных веществ в крови, обеспечиваю- щий нормальный метаболизм, может поддержи- ваться некоторое время без приема питательных веществ извне. Однако внутреннее звено саморегуляции не может длительное время обеспечивать оптимальный для метаболизма уровень питательных веществ в орга- низме. Вот почему данная функциональная система включает внешнее звено саморегуля- ции — специальные механизмы, которые забла- говременно побуждают живой организм к поиску и приему пищи. Причем это побуждение формирует- ся еще при достаточных запасах питательных ве- ществ в организме. Возникает так называемая пи- щевая мотивация, на основе которой формируется активное пищедобывательное поведение, заканчи- вающееся приемом пищи и восполнением питатель- ных веществ в организме. Питательные вещества, поступающие в организм, включаются в процессы обмена веществ клеток и тканей, которые лежат в основе всех форм прояв- ления физиологических процессов. Белки, жиры, углеводы и их производные являются, с одной сто- роны, источниками энергии для жизнедеятель- ности организма, с другой — материалом для построения всех макро- и микроструктур тела. Непрерывность протекания обменных процессов 245
требует постоянного расхода питательных веществ. Однако скорость процессов саморегуляции в функ- циональной системе питания обеспечивает поддер- жание веществ в крови и тканях на необходимом уровне, обеспечивающем оптимальный метаболизм в различных тканях и органах. Современные биохимические методы анализа дают возможность достаточно точно определить концентрацию основных питательных веществ в крови человека (табл. 8). Таблица 8 Содержание питательных веществ в крови человека Питательное вещество Плазма крови, % Питательное вещество Плазма крови, % Белки 7-5 Аминокислоты 0,003-0,005 Альбумины 4-5 Глюкоза 0,09-0,11 Глобулины 1,7-3,5 Липоиды 0,3 Фибриноген 0,4 Нейтральный жир 0,25 Жирные кислоты _ 0,3-0,45 Белки как питательный материал Аминокислоты Приведенные в табл. 8 данные показывают, что уровень питательных веществ в крови является многопараметрическим показателем, достаточно жестко сбалансированным. [Зажное пластическое значение имеют белки, кото- рые используются для образования различных кле- точных структур, необходимой составной частью которых они являются. Синтез белков происходит в клетках из аминокислот и низкомолекулярных по- ли- и олигопептидов, которые образуются при рас- щеплении белков пищи в пищеварительном тракте и всасываются в кровь. С этого момента обмен бел- ков по сути является обменом аминокислот. Перенос аминокислот из желудочно-кишечного тракта в кровь и из крови в клетки осуществляется активно против градиента концентрации за счет специальных транспортных ферментативных меха- низмов. Эти механизмы поддерживают концентра- цию аминокислот в клетках на более высоком уров- не, чем их концентрация в крови. В крови человека и животных в норме поддерживается постоянный уровень содержания аминокислот в свободном виде или в составе пептидов. Некоторые аминокислоты не могут синтезироваться в организме, и для нор- мального протекания физиологических процессов эти аминокислоты должны обязательно поступать 246
Белки плазмы крови Альбумины в организм с пищей. Такие аминокислоты называ- ются незаменимыми: валин, изолейцин, лей- цин, лизин, метионин, триптофан, фенилаланин. При отсутствии в пище хотя бы одной из незаме- нимых кислот не только нарушается синтез белка, останавливается рост и падает масса тела, но на- блюдаются еще и особые расстройства, специфи- чески связанные с отсутствием определенной аминокислоты в организме. Например, недостаток метионина приводит к поражению печени и почек. Остальные аминокислоты, используемые в орга- низме, относятся к заменимым: аланин, арги- нин, аспарагиновая кислота, гистидин, глицин, глутаминовая кислота, оксипролин, пролин, серин, тирозин, цистин, цистеин. Они могут быть синте- зированы из других аминокислот и даже из без- азотистых веществ и аммиака, а их поступление в организм с пищей не обязательно. Таким образом, необходимым условием поддержания постоянства аминокислотного состава крови является белковое питание организма, сбалансированное но содержа- нию отдельных аминокислот. Помимо клеточных белков, аминокислоты необхо- димы для синтеза белков плазмы крови. Много- численные белки плазмы крови составляют три основные группы: • альбумины, • глобулины, • фибриноген. Так же как и свободные аминокислоты, плазмен- ные белки могут использоваться для синтеза специ- альных клеточных белков. Синтез важнейших белков крови — альбуминов, фибриногена и протромбина осуществляется в пече- ни, куда попадают всосавшиеся из желудочно- кишечного тракта аминокислоты. Синтез глобулинов происходит в основном в ре- тикулоэндотелиальной системе лимфоидной ткани (костный мозг, селезенка, лимфатические узлы). Среди всех плазменных белков 50 % составляют альбумины. Они во многом определяют такие свой- ства плазмы, как вязкость, кислотно-щелочное рав- новесие, коллоидно-осмотическое (онкотическое) давление. Молекула альбумина способна к образо- ванию комплексов с большим количеством соедине- 247
Глобулины ний: жирными кислотами, веществами стероидной природы, ионами металлов, красителями. Альбу- м