ГОМЕОСТАЗ

ГОМЕОСТАЗ свойство живого организма сохранять относительное динамичное постоянство внутренней среды. Гомеостаз выражается в относительном постоянстве химического состава, осмотическом давлении, устойчивости основных физиологических функций. Гомеостаз специфичен и обусловлен генотипом.

Болезнь человека является следствием нарушения гомеостаза и путей его восстановления.

Живой организм – открытая система, имеющая связь с окружающей средой посредством нервной, пищеварительной, дыхательной, выделительной систем и др.

В процессе обмена веществ с пищей, водой, при газообмене в организм поступают разнообразные химические соединения, которые в организме подвергаются изменениям, входят в структуру организма, но не остаются постоянно. Усвоенные вещества распадаются, выделяют энергию, продукты распада удаляются во внешнюю среду. Разрушенная молекула заменяется новой и т.д.

Целостность структуры полипептидов клетками не нарушается. Т.о., организм – открытая, динамичная система. В условиях непрерывно меняющейся среды организм поддерживает устойчивое состояние в течение определенного времени.

Латинское “…………”, как и греческое “……………..” означает “неделимый”. Современная наука расчленила атом и индивидуума, показав их сложную структуру. Как атом в химических превращениях, так и индивидуум в живой природе в процессе своего онтогенеза участвует как целостное образование. Сохранение целостности индивидуальных свойств организма – один из наиболее общих биологических законов. Этот закон обеспечивается в вертикальном ряду поколений механизмами воспроизведения, а на протяжении жизни индивидуума – механизмами гомеостаза.

Почти 100 лет назад К. Гернер впервые поставил вопрос о значении гомеостаза, хотя сам термин был введен В. Кэнном в 1929 г. К. Гернер, будучи материалистом, считал, что все проявления жизни обусловлены конфликтом между конституцией организма и влиянием внешней среды. На основе процесса синтеза и распада создается приспособление организмов к условиям среды, или адаптацией. У каждого высоко организованного животного имеются две среды: внешняя, в которой находится организм, и внутренняя, в которой живут элементы тканей. Под внутренней средой К. Гернер понимал жидкую среду организма, которая омывает все элементы тканей (плазма крови, лимфа, межтканевая жидкость). Постоянство внутренней среды является условием свободной и независимой жизни. К. Гернер особо подчеркивал, что в механизмах свободной жизни взаимоотношения внутренней и внешней среды являются тесными.

В. Кэннон, в отличие от широких биологических обобщений К. Гернера, пришел к заключению о значимости постоянства внутренней среды организма на основе физиологических исследований. Он обратил внимание на то, что жизнь животного, несмотря на довольно частые неблагоприятные воздействия на организм различных вредных факторов, продолжает в течение многих лет сохраняться в нормальном состоянии. Рассматривая живое, как открытую систему, имеющую множество связей с внешней средой, В. Кэннон показал, что эти связи осуществляются через посредство дыхательной и пищеварительной систем, поверхностных кожных рецепторов, опорно-двигательного аппарата. Изменения в окружающей среде прямо или опосредовано воздействуют на указанные системы, вызывая у них соответствующие изменения. Однако эти воздействия обычно не сопровождаются большими отклонениями от нормы благодаря тому, что саморегуляция ограничивает возникающие в организме колебания в сравнительно узких пределах. Именно для этих состояний и процессов, обеспечивающих устойчивость организма, В. Кэннон и предложил термин “ГОМЕОСТАЗ”. Явление гомеостаза может служить хорошим примером диалектического единства противоположностей постоянства и изменчивости.

Явление гомеостаза представляет собой эволюционно выработавшееся наследственно-закрепленное адаптационное свойство организма к обычным условиям окружающей среды. Однако эти условия могут кратковременно или длительно выходить за пределы нормы. В таких случаях явления адаптации характеризуются не только восстановлением обычных свойств внутренней среды, но и кратковременными изменениями функции (например, учащение ритма сердечной деятельности и увеличение частоты дыхательных движение при усиленной мышечной работе). Реакции гомеостаза могут быть направлены на :

  • 1) поддержание известных уровней стационарного состояния,
  • 2) устранение или ограничение действия вредностных факторов,
  • 3) выработку или сохранение оптимальных форм взаимодействия организма и среды в изменившихся условиях его существования. Все эти процессы и определяют адаптацию.

Поэтому понятие гомеостаза означает не только известное постоянство различных физиологических констант организма, но и включает процессы адаптации и координации физиологических процессов, обеспечивающих единство организма не только в норме, но и при изменяющихся условиях его существования.

Основные компоненты гомеостаза можно разделить на 3 группы:

А. МАТЕРИАЛЫ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ КЛЕТОЧНЫЕ ПОТРЕБНОСТИ:

  • 1. Вещества, необходимые для образования энергии, для роста и восстановления – глюкоза, белки, жиры.
  • 2. Вода.
  • 3. NaCl, Ca и другие неорганические вещества.
  • 4. Кислород.
  • 5. Внутренняя секреция.

Б. ОКРУЖАЮЩИЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА КЛЕТОЧНУЮ АКТИВНОСТЬ:

  • 1. Осмотическое давление.
  • 2. Температура.
  • 3. Концентрация водородных ионов (рН).

В. МЕХАНИЗМЫ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ СТРУКТУРНОЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ЕДИНСТВО:

  • 1. Наследственность.
  • 2. Регенерация.
  • 3. Иммунобиологическая реактивность.

Т.о., на действие внешних факторов регуляторные механизмы поддерживают относительное постоянство внутренней среды.

Регуляторные гомеостатические механизмы функционируют на клеточном, органном, организменном и надорганизменном уровнях.

Генетические механизмы гомеостаза – самовоспроизведение, основанное на редупликации ДНК по принципу комплементарности. В случае нарушения структуры молекул ДНК восстановление генома, исправление повреждения осуществляется посредством репарации. При нарушении репарации – происходит нарушение гомеостатических реакций.

Гомеостаз клеточной среды обеспечивается мембранными системами, с которыми связаны биоэнергетические процессы и регулирование транспорта веществ в клетку и из неё. В клетке непрерывно идут процессы изменения и восстановления органоидов, особенно при повреждающих факторах (физическая нагрузка влечет увеличение количества митохондрий, увеличение сердечных сокращений, гипертрофию миокарда и т.д.).

Примерами клеточных механизмов гомеостаза является репарация тканей и органов и её виды (внутриклеточная, клеточная, клеточная и внутриклеточная). Классификация тканей по способности к репарации:

– репаративная регенерация и способы её осуществления (эпиморфоз, морфолаксис, эндоморфоз, регенерационная гипертрофия, регенерационная индукция).

Репаративная регенерация у человека: внутриклеточная, регенерационная гипертрофия, полная регенерация.

В случаях, когда орган не может регенерировать, его заменяют естественным или искусственным органом. Пересадка или приживление органов и тканей называется ТРАНСПЛАНТАЦИЕЙ. Пересаженный участок называется ТРАНСПЛАНТАНТОМ, организм у которого берут ткань для пересадки является ДОНОРОМ, которому пересаживают – РЕЦИПИЕНТОМ. Успех трансплантации зависит от иммунологических реакций организма.

  • При АУТОТРАНСПЛАНТАЦИИ (пересадка на другую часть тела того же организма) белки (антигены) трансплантанта не отличаются от белков реципиента и операция наиболее успешна, иммунологическая операция не возникает.
  • При АЛЛОТРАНСПЛАНТАЦИИ (от одной особи к другой одного вида) донор и реципиент отличаются по антигенам, у высших животных наблюдается длительное приживание.

КСЕНОТРАНСПЛАНТАЦИЯ (донор и реципиент относятся к разным видам) удается у некоторых беспозвоночных, но у высших животных такие трансплантанты рассасываются.

При пластических операциях распространена пересадка кожи, хряща, мышц, сухожилий, кровеносных сосудов, нервов, сальника.

При трансплантации большое значение имеет явление ИММУНОЛОГИЧЕСКОЙ ТОЛЕРАНТНОСТИ (терпимости) к чужеродным клеткам вследствие реакции отторжения. Подавление иммунитета в случае пересадки тканей (иммунодепрессия) достигается: подавлением активности иммунной системы, облучением, введением антилимфотической сыворотки, гормонов коры надпочечников, химических препаратов – антидепрессантов (имуран). Основная задача подавить не просто иммунитет, а трансплантационный иммунитет.

Системные механизмы обеспечиваются взаимодействием регуляторных систем: нервной, эндокринной и иммунной.

По принципам биологического регулирования развивается внутреннее содержание любого жизненного явления, взаимосвязь его отдельных звеньев в ходе фило-онтогенеза. Принцип регулирования оказался настолько широко распространенным, что при изучении его возникла специальная наука об общих закономерностях процессов управления и регулирования, названная Н. Винером КИБЕРНЕТИКОЙ. По А. И. Бергу слово “кибернетика” древнегреческого происхождения “хипернаутес” – командир корабля, “хипернаутека” – искусство управления кораблем. Под кибернетикой понимают науку о целенаправленном и оптимальном управлении сложными процессами, происходящими в живой природе, в человеческом обществе или промышленности (А. И. Берг, 1963).

Физиологические механизмы гомеостаза основаны на понятиях кибернетики: живой организм – сложная, управляемая система, в которой происходит взаимодействие многих переменных как внешней, так и внутренней среды. Входные переменный в системе различным образом изменяются и превращаются в выходные переменные. Выходные переменные зависят от входных и от функций (закона поведения) системы. Этот процесс осуществляется посредством механизма обратной связи. В биологических системах входные элементы: пища, вода, болевой или другой раздражители; выходные – выделяемые вещества, эффект действия органа, реакция. Обратная связь означает влияние выходного сигнала на управляющую часть системы. Отрицательная обратная связь уменьшает влияние входного воздействия на величину выходного сигнала, а положительная – увеличивает. Отрицательная  обратная связь способствует восстановлению исходного состояния организма, при положительной изменение нарушенного показателя прогрессирует, нормализация не происходит и функция отклоняется от исходного состояния, что приводит к нарушению гомеостаза. (рН крови 7, 32-7, 45). Сдвиг на 0, 1 приводит к нарушению сердечной деятельности.

Общий принцип гомеостатической реакции: отклонение от исходного уровня ─────── сигнал ─────── включение регуляторных механизмов по принципу обратной связи ──────── коррекция изменения (нормализация).

Так, при физической работе СО 42 0 в крови увеличивается — рН сдвигается в кислую сторону — сигнал в продолговатый мозг в дыхательный центр — центробежные нервы импульс к межреберным мышцам дыхание усугубляется — снижение СО 42 0 в крови, рН восстанавливается.

Анохин – теория функциональных систем.

Все виды саморегуляции действуют по одному принципу: самоотклонение от основного уровня служит стимулом для включения механизмов, коррегирующих нарушение. Этот принцип впервые был описан П. Н. Анохиным в 1935 г. под названием эффекта обратной эфферентации, который служит для осуществления приспособительных реакций.

Все явления гомеостаза организма генетически детерминированы. Уже на уровне первичных генных продуктов существует прямая связь – “один структурный ген – одна полипептидная цепь”. Причем между первичной структурой ДНК полипептидной цепи существует колинеарное соответствие. В наследственной программе индивидуального развития организма предусмотрено формирование видоспецифических характеристик не в постоянных, а в меняющихся условиях среды, в пределах наследственно обусловленной нормы реакции. Двухспиральность ДНК имеет существенное значение в процессах ее репликации и репарации. И то и другое имеет непосредственное отношение к обеспечению стабильности функционирования генетического материала. С генетической точки зрения можно различать элементарные и системные проявления гомеостаза. Примерами элементарных проявлений гомеостаза могут служить свертывание крови, гистонесовместимоть, их существование можно проследить на молекулярно-биохимическом уровне, вследствие чего они относительно легко расчленяются на дискретные составные части. Это облегчает их выявление и анализ (пример: генный контроль 13 факторов свертывания крови, генный контроль гистонесовместимости).

Примерами системных проявлений гомеостаза могут быть: сохранение постоянства температуры, артериального давления. Элементарные и системные проявления гомеостаза можно рассматривать как норму реакции на изменение условий среды.

Живой организм представляет собой пример ультрастабильной системы, что выражается в удержании переменных показателей организма в физиологических пределах несмотря на изменение условий существования. Это достигается за счет многоконтурности биологической системы. Многоконтурность биологической системы характеризуется наличием параллельных систем управления функций организма и явлениями иерархии. Приведем схему иерархии управления живых организмов какого-либо вида по А. Б. Когану (1972).

Схематическое изображение иерархии различных уровней организации живого, каждый из которых является элементом и системой.

Вид элемент биоценоза, система организмов.

Организм элемент вида, система органов.

Орган элемент организма, система клеток.

Клетка элемент органа, система органелл.

Органелла элемент клетки, система субмикроструктур.

В процессе приспособления живых существ к окружающим условиям существования основным инструментом передачи и оценки раздражителей, поступающих из внутренних сфер организма или внешней среды, является нервная система. С позиций гомеостаза и адаптации нервная система является главным организатором всех процессов организма. В основе приспособления, уравновешивания организмов с окружающими условиями, по Н. П. Павлову, лежат рефлекторные процессы. Между разными уровнями гомеостатического регулирования существует частная иерархическая соподчиненность в системе регуляции внутренних процессов организма. Самый первичный уровень составляют гомеостатические системы клеточного и тканевого уровня. Над ними представлены периферические нервные регуляторные процессы типа местных рефлексов. Далее в этой иерархии располагаются системы саморегуляции определенных физиологических функций с разнообразными каналами “обратной связи”, Вершину этой пирамиды занимает кора больших полушарий и головной мозг.

В сложном многоклеточном организме как прямые, так и обратные связи осуществляются не только нервными, но и гормональными (эндокринными) механизмами. Каждая из желез, входящая в эндокринную систему, оказывает влияние на прочие органы этой системы и в свою очередь испытывает влияние со стороны последних. Основной принцип гомеостаза в эндокринной системе может быть сформулирован как сохранение равновесия между напряжением секреторной активности данной железы и концентрации ее гормона, находящегося в циркуляции. Так, например, когда количество гормонов щитовидной железы повышается сверх нормы, функциональная активность самой железы ослабляется, и, наоборот.

Эндокринные железы можно разделить на две группы по отношению их к передней доле гипофиза. Последняя считается центральной, а прочие эндокринные железы – периферические. Это разделение основано на том, что передняя доля гипофиза продуцирует так называемые тропные гормоны, которые активируют некоторые периферические эндокринные железы. В свою очередь, гормоны периферических эндокринных желез действуют на переднюю долю гипофиза, угнетая секрецию тропных гормонов.

Реакции, обеспечивающие гомеостаз, не могут ограничиваться какой-либо одной эндокринной железой, а захватывают в той или иной степени все железы. Возникающая реакция приобретает цепное течение и распространяется на другие эффекторы. Физиологическое значение гормонов заключается в регуляции других функций организма, а потому цепной характер должен быть выражен максимально.

Постоянные нарушения среды организма способствуют сохранению ее гомеостаза в течение длительной жизни. Если создать такие условия жизни, при которых ничто не вызывает существенных сдвигов внутренней среды, то организм окажется полностью безоружен при встрече с окружающей средой и вскоре погибает.

Эндокринные механизмы гомеостаза по Б. М. Заводовскому – механизм плюс-минус взаимодействия, т.е. уравновешивание функциональной активности железы с концентрацией гормона. При высокой концентрации гормона (выше нормы) деятельность железы ослабляется и наоборот. Такое влияние осуществляется путем действия гормона на продуцирующую его железу. У ряда желез регуляция устанавливается через гипоталамус и переднюю долю гипофиза, особенно при стресс-реакции.

Объединение в гипоталамусе нервных и эндокринных механизмов регуляции позволяет осуществлять сложные гомеостатические реакции, связанные с регуляцией висцеральной функции организма. Управление такими функциями обеспечивается гормонами.

Отдельные группы нейросекреторных клеток продуцируют гормоны, непосредственно влияющие на определенные органы. Так, антидиуретический гормон стимулирует процесс обратного всасывания воды в почечных канальцах, что приводит к образованию вторичной мочи. При недостатке воды в организме секреция гормона увеличивается, способствуя задержке воды. При длительной жажде включаются нервные механизмы регуляции: хеморецепторы — ЦНС — …….

Нет прямой зависимости от гипофиза – панкреатические островки, продуцирующие инсулин и ………. мозговая часть надпочечников, эпифиз, вилочковая железа, околощитовидные.

Так, при повышении в крови уровня тиреоидного гормона угнетается теротропная функция гипофиза и уменьшается активность щитовидной железы. При уменьшении продукции тиреотропных гормонов уровень их в крови становится ниже потребности организма, возбуждается деятельность гипофиза, уменьшается продукция тиреотропного гормона и выделение тиреоидного гормона возрастает. Так же осуществляется реакция коры надпочечников гипофизарным адренокортикотропным гормоном, половых гормонов – гонадотропным гормоном гипофиза.

В свою очередь гипофиз находится под контролем гипоталомической области, где выделяются особые, активирующие гипофиз, факторы.

Высшим центром регуляции эндокринных функций является подбугорная область в основании мозга (гипоталамус). Здесь происходит интеграция нервных и эндокринных систем (около 40 ядер – скопления нервных клеток). С одной стороны – контролирует вегетативные функции нервной системы (центр голода, жажды, половой активности), а также выполняет железистые функции, продуцируя нейрогормоны, которые, попадая в гипофиз, регулируют выделение тропных гормонов.

Все жизненные процессы организма подчинены строгой ритмичности: суточной, месячной, годовой и т.д. Установлено, что проблемы влияния геофизических факторов на процессы адаптации человека тесно соприкасаются с проблемами биоритмологии. Главный признак ритмических процессов – их повторность. Под РИТМАМИ понимают периодически повторяющиеся явления природы (А. М. Эмме, 1967). Ритмы, регистрируемые в живом мире, называются БИОЛОГИЧЕСКИМИ. Их можно охарактеризовать, как регуляторные количественные и связанные с ними качественные изменения некоторых особенностей биологических процессов, происходящих на разных уровнях организации живого: клеточном, тканевом, организменном и популяционном.

Ритм нервной системы определяет ритм возбуждения и торможения, в частности, фундаментальный ритм высших организмов – сна и бодрствования, который обеспечивает функцию всех систем организма. Подвержен периодизации электролитический и гормональный состав внутренней среды. Эндокринные железы имеют суточную ритмическую деятельность и в то же время определяют ритмы некоторых функций организма. Всем клеткам организма свойствен самостоятельный суточный ритм, не зависящий от гормонов.

Биологические ритмы, совпадающие по длительности с соответствующими геофизическими циклами, называют “экологическими” или “адаптационными”. Это многолетние, годовые, сезонные, лунные, приливно-отливные и суточные изменения жизнедеятельности.

По степени зависимости от внешних условий биологические ритмы разделяют на экзогенные и эндогенные. Экзогенные ритмы зависят от ритмики геофизических и космических факторов (фотопериодизация температуры, атмосферного давления, гравитации и т.д.). Эндогенные ритмы совершаются при постоянных внешних условиях. Чаще всего – это суточные ритмы жизненных функций организма (митотическое деление клеток, секреция гормонов и т.д.).

Анализ хронобиологических закономерностей в общебиологическом эволюционном плане способствует глубокому изучению биологических механизмов гомеостаза человека и целенаправленному использованию эффективных средств, повышающих устойчивость к экстремальным факторам.

Оценивая гомеостаз организма в старости, следует иметь ввиду два важных обстоятельства.

1. Все гомеостатические величины сложнорегулируемы. Один и тот же уровень обмена и функции имеет в разные возрастные периоды неодинаковое внутреннее обеспечение. Так, артериальное давление у старых и молодых людей существенно не различается. Однако у молодых оно поддерживается за счет увеличения работы сердца, а у старых – за счет высокого   тонуса сосудов.

2. Исходный уровень ряда функций в разные возрастные периоды различается несущественно. Вместе с тем, надежность, потенциальные возможности, диапазон приспособления функций при старении существенно падают. Если использовать функ- циональные нагрузки, то отчетливо выявляются возрастные различия в уровне деятельности организма. Так, после физической нагрузки у пожилых людей уровень артериального давления, ритм сердечных сокращений, работа сердца, потребление кислорода медленнее возвращаются к исходной величине.

Следовательно, приспособительные механизмы, возникающие в ходе старения, оказываются уже недостаточными, чтобы сохранить уровень обмена и функции при различных нагрузках.

Итак, гомеостаз – большая проблема современной биологии и медицины потому, что явление гомеостаза означает не только сохранение постоянства или оптимальное восстановление и приспособление организма в онтогенезе к условиям окружающей среды. С механизмами гомеостаза в онтогенезе к условиям окружающей среды. С механизмами гомеостаза в онтогенезе связано качественное изменение свойств организма и его реактивность. Сама болезнь по своей биологической сущности также представляет собой проблему гомеостаза, нарушение его механизмов и путей восстановления. На основе закономерностей гомеостаза проводится разработка эффективных методов гигиены и рациональной терапии. Решение многих вопросов этой проблемы – дело будущего.

ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ГОМЕОСТАЗА

1. Способность сохранять гомеостаз – свойство живой системы, находящейся в состоянии динамического равновесия с условиями внешней среды. Эта способность неодинакова. По мере усложнения организма она становится все более независимой от условий

внешней среды: так, человек имеет сложные нервные, эндокринные, иммунные механизмы регуляции.

2. Молекулярно-генетический уровень гомеостаза обеспечивается процессами редупликации ДНК, репарации на уровне клетки – компенсаторное восстановление ряда органоидов при повышении функции.

3. Контроль за генетическим постоянством осуществляется иммунной  системой.

4. В системных механизмах гомеостаза действуют кибернетические принципы отрицательной обратной связи: при любом возмущающем воз действии – влияние нервных и эндокринных механизмов.

5. Нормализация физиологических показателей осуществляется на основе свойства раздражимости, у высших организмов – инстинкты, условные рефлексы, элементы рассудочной деятельности, абстрактное мышление.

6. Каждый возрастной период характеризуется специфическими особенностями обмена вещества, энергии, механизмами гомеостаза:

  • – ювенильный период – механизмы гомеостаза не созрели – на рушение физиологических процессов, болезненные процессы;
  • – зрелый – совершенствование обменных процессов. Система восстановления гомеостаза обеспечивает компенсацию;
  • – старческий – надежность механизма поддержания гомеостаза ослабляется.

7. На поддержание гомеостаза направлены адаптивные реакции организма к окружающим условиям: на клеточном уровне – изменение порога чувствительности и метаболизма, на организменном – перестройка физиологических функций и поведения. У млекопитающих и человека важнейшую роль играют нервные механизмы, гипоталамо-гипофизарная и симпатико-адреналиновая системы. Физиологическая адаптация – совокупность реакций, способствующих приспособлению организма к изменению окружающих условий и направленных на сохранение гомеостаза. При действии сильных раздражителей – неспецифический ответ в виде стресса. В реакции стресса 3 стадии:

1) тревоги: рецептор — симпато-адреналиновая система         — выделение адреналина мозговым веществом надпочечников — повышение сахара в крови, усиление сердечных сокращений, повышение артериального давления;

2) стадия резистентности (устойчивого приспособления): адреналин через гипоталамус — нейрогормон либерин (специальные клетки) — передняя доля гипофиза выделяет адренокортикотропный гормон — усиление продукции гормонов коры надпочечников, которые повышают устойчивость организма к стрессу (увеличение глюкозы, аминокислот……);

3) истощение — кора надпочечников не может дать необходимое количество гормона, что может привести к стрессу. Адаптационный синдром является физиологической мерой против возникновения  болезни.

8. Биоритмы – ритмичные процессы жизнедеятельности (хронобиология), результат естественного отбора. Выработался эндогенный ритм организма, синхронный с периодическими процессами внешней среды. Зоофункция у человека имеет периодичность: t тела изменяется в течение суток – max в 18 часов, ночью снижается, min с 1 часа до 5 часов, днем повышается – зависит от скорости биохимических процессов. Суточные: митоз – 5 часов – самое активное деление, тромбоциты – ночью меньше, свертываемость выше днем, адреналина больше утром – min в 18 часов, активность физиологических процессов повышается утром, понижается ночью.

Сезонные: изменение длины светового дня является важным фактором для перестройки деятельности при участии гипоталамо-гипофизарной системы. Обострение хронических заболеваний – следствие рассогласованности биоритмов: сердечных, дыхательных. Изменение солнечной активности – психиатрические заболевания, сердечно-сосудистые.