Общие вопросы физиологии человека

Сергей Баранов

Книга «Общие вопросы физиологии человека» посвящена принципам работы организма. Рассмотрены ключевые аспекты: функционирование нервной, эндокринной, сердечно-сосудистой, дыхательной, пищеварительной и других систем. Автор объясняет механизмы регуляции процессов, адаптацию к условиям среды и взаимодействие систем для поддержания гомеостаза. Издание предназначено для широкого круга читателей и специалистов в области медицины, биологии и смежных наук.

ОСНОВЫ ФИЗИОЛОГИИ: ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ И ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ КОНЦЕПЦИИ

Живые организмы являются открытыми системами, тесно связанными с окружающей средой, в отличие от замкнутых систем. Они состоят из компонентов, таких как белки и нуклеиновые кислоты, обладающие способностью к саморегуляции и самовоспроизводству.

Основными характеристиками живых организмов являются метаболизм, раздражимость, подвижность, способность к самовоспроизводству и саморегуляции. Эти свойства обеспечивают поддержание гомеостаза и адаптивные реакции на изменения внешней среды.

Основные функциональные характеристики возбудимых тканей

Общей чертой всех живых тканей является их способность к раздражимости, т.е. возможность изменения обмена веществ и энергии под воздействием внешних факторов. Среди различных живых тканей организма особенно выделяются возбудимые ткани (нервная, мышечная и железистая), которые реагируют на раздражение путем специфических форм активности, таких как электрические потенциалы и другие явления.

Основными функциональными характеристиками возбудимых тканей являются их возбудимость и лабильность.

Возбудимость — это способность возбудимых тканей реагировать на раздражение специфическим процессом возбуждения, включающим электрические, ионные, химические и тепловые изменения, а также специфические проявления, такие как импульсы возбуждения в нервных клетках, сокращение или напряжение в мышечных клетках и выделение определенных веществ в железистых клетках. Это состояние представляет собой переход от физиологического покоя к активному состоянию. Нервная и мышечная ткани также обладают способностью передавать это активное состояние соседним участкам, т.е. проводимостью.

Возбудимые ткани характеризуются двумя основными нервными процессами — возбуждением и торможением. Торможение — это активное замедление процесса возбуждения. Взаимодействие этих двух процессов обеспечивает координацию нервной деятельности в организме в целом.

Существует различие между местным (или локальным) возбуждением и распространяющимся возбуждением. Местное возбуждение характеризуется незначительными изменениями в поверхностной мембране клеток, тогда как распространяющееся возбуждение связано с передачей всего комплекса физиологических изменений (импульса возбуждения) вдоль нервной или мышечной ткани. Для измерения возбудимости используется определение порога — минимальной величины раздражения, при которой возникает распространяющееся возбуждение. Величина порога зависит от функционального состояния ткани и характеристик раздражителя, который может быть любым изменением внешней среды (электрическим, тепловым, механическим и т. д.). Чем выше порог, тем ниже возбудимость и наоборот. Возбудимость может повышаться в процессе выполнения физических упражнений оптимальной длительности и интенсивности (например, разминка, вход в рабочий режим), а снижаться при утомлении и развитии переутомления.

Лабильность — это скорость протекания процесса возбуждения в нервной и мышечной ткани (лат. лабильность — подвижность). Понятие лабильности или функциональной подвижности было предложено Н. Е. Введенским в 1892 году. В качестве одной из мер лабильности Н. Е. Введенский предложил максимальное количество волн возбуждения (электрических потенциалов действия), которое может воспроизводиться тканью в 1 секунду в соответствии с ритмом раздражения. Лабильность характеризует скоростные свойства ткани. Она может повышаться под влиянием раздражений и тренировки, особенно у спортсменов в процессе развития качества быстроты.

Нервная и гуморальная регуляция

У древних одноклеточных животных одна клетка берет на себя множество функций. Однако с развитием организмов в процессе эволюции функции стали разделяться между различными клетками, что привело к своего рода специализации. В усложненных многоклеточных системах, управление стало требовать более эффективных методов, чем простая передача веществ через жидкие среды тела.

Регуляция функций у высших животных, включая человека, осуществляется двумя путями: гуморальным (через кровь, лимфу и тканевую жидкость) и нервным.

Гуморальный путь ограничен в скорости и не способен обеспечить быстрых реакций организма на внешние стимулы. Кроме того, он активизирует множество органов и тканей одновременно. В отличие от него, нервная система обеспечивает быстрое и точное управление различными частями организма и точечную доставку сигнала.

Оба эти механизма взаимосвязаны, но нервная система играет основную роль в регуляции функций. В этом процессе особую роль играют нейропептиды, выделяемые внутренней секрецией гипофизом и нервными клетками спинного и головного мозга. На сегодняшний день известно множество таких веществ, которые, будучи частями белков, могут значительно изменить функциональное состояние клеток без прямого возбуждения. Они оказывают влияние на сон, память, мышечный тонус, могут вызвать паралич или судороги, а также обладают анальгетическими и наркотическими свойствами.

Интересно, что у спортсменов концентрация нейропептидов в крови может быть в 6—8 раз выше, чем у нетренированных людей, что может повысить их спортивную производительность. Однако при чрезмерных нагрузках нейропептиды могут истощаться, что приводит к нарушению адаптации к физическим упражнениям.

Рефлекторный механизм деятельности нервной системы

Рефлекторные механизмы являются краеугольным камнем деятельности нашей нервной системы. Они представляют собой ответные реакции организма на раздражители извне, координируемые нервной системой. Каждый рефлекс строится на основе сложной схемы, называемой рефлекторной дугой. Этот путь включает в себя ряд важных звеньев: начиная от рецепторов, отвечающих за восприятие раздражителей, и заканчивая рабочими органами, такими как мышцы или железы.

Важно отметить, что рефлекс может быть исключительно простым, где участвуют лишь две нервные клетки, но в организме существует множество более сложных рефлекторных дуг, которые включают в себя разнообразные нейроны, размещенные по всей центральной нервной системе. При выполнении ответных действий нервные центры используют эфферентные пути, чтобы донести команды до рабочего органа, будь то сокращение мышцы или работа железы. Эти пути служат каналами прямой связи.

В процессе выполнения рефлекторного ответа или в его постэффекте рецепторы в рабочем органе и другие части тела отправляют информацию в центральную нервную систему через афферентные пути, представляющие собой каналы обратной связи. Полученная информация позволяет нервным центрам регулировать последующие действия, будь то прекращение, продолжение или изменение рефлекторной реакции.

Таким образом, основой интегрированной рефлекторной деятельности является не отдельная дуга, а замкнутое рефлекторное кольцо, состоящее из прямых и обратных связей между нервными центрами и периферией организма.

Гомеостаз

Огромная сила организма скрыта в состоянии его внутренней среды. Кровь, лимфа, межтканевая жидкость — это не просто составные части, а своеобразный конгломерат, обеспечивающий жизнь каждой клетки. Но как обеспечить стабильность и гармонию этой внутренней среды?

Этот вопрос открывает перед нами тему гомеостаза — состояния относительной постоянности, где даже малейшие изменения могут повлечь за собой серьезные последствия для клеток и тканей, особенно для тех, что принадлежат высокоспециализированным системам, таким как центральная нервная система. Температура тела, уровень кислотности крови (выраженный через показатель рН), осмотическое давление крови, концентрация гемоглобина — все эти показатели должны находиться в строго определенных пределах для поддержания здоровья организма и его полноценного функционирования.

Гомеостаз — это не «застывшее» состояние, а динамическое равновесие, обеспечиваемое сложным комплексом регуляторных механизмов. Эти механизмы, направленные на поддержание баланса в условиях постоянного обмена веществ и перемен в окружающей среде, получили название гомеокинеза.

Интересно, что даже при существенных колебаниях внешней среды или при интенсивной физической нагрузке большинство людей остается в пределах нормы гомеостаза. Однако некоторые индивиды обладают способностью переносить значительные изменения внутренней среды. Например, у высококвалифицированных бегунов во время тренировок рН крови может снижаться до уровней, которые для большинства были бы критичными. Или, например, лишь единицы способны выжить на экстремальных высотах без кислорода, как это происходит на Эвересте. Эти удивительные способности объясняются врожденными особенностями человека, его генетической нормой реакции, которая демонстрирует, что даже в самых стабильных функциональных состояниях организма каждый из нас — уникален.