2.3.1. Саморегуляция функций организма

Саморегуляция физиологических функций - основной механизм поддержания жизнедеятельности организма на относительно постоянном уровне. Саморегуляция, возникнув в процессе эволюции как результат приспособления к воздействиям окружающей среды, присуща всем формам жизнедеятельности. В ходе естественного отбора в процессе приспособления к среде организмами были выработаны общие регуляторные механизмы различной физиологической природы (нейрогуморальные, эндокринные, иммунологические и др.), направленные на достижение и поддержание относительного постоянства внутренней среды.

Способность поддерживать относительное постоянство внутренней среды появляется на сравнительно высоких ступенях развития мира животных. Так, уже у хрящевых рыб концентрация солей в крови и тканях независима от ее изменения во внешней водной среде. У ганоидных и костистых рыб также поддерживаются многие константы внутренней среды.

У человека и высокоорганизованных животных гомеостатические механизмы достигли высокой степени развития. Относительное постоянство внутренней среды у них поддерживается нервно-гуморальными физиологическими механизмами, регулирующими деятельность сердечно-сосудистой и дыхательной систем, желудочно-кишечного тракта, почек и потовых желез, которые обеспечивают удаление из организма продуктов обмена веществ.

К наиболее совершенным гомеостатическим механизмам у высших животных и человека относятся процессы терморегуляции. Определенные признаки терморегуляции наблюдаются уже у животных с непостоянной температурой тела, пойкилотермных (холоднокровных) животных, температура тела которых в большинстве случаев следует за изменениями температуры внешней среды не совсем пассивно. Однако о действительной терморегуляции можно говорить только по отношению к гомойотермным (теплокровным) животным. Постоянство температуры тела настолько велико, что в норме ее отклонение в "ядре тела" не превышает нескольких десятых градуса при самых резких колебаниях температуры внешней среды. В поддержании нормальной температуры тела участвует большое число сложных процессов регуляции, часть которых в настоящее время изучена.

Особое значение для организма имеет постоянство состава крови. Хорошо известна устойчивость ее активной реакции (рН), осмотического давления, содержания глюкозы, соотношения электролитов (натрия, калия, кальция, хлора, магния, фосфора) и т. д. Например, рН крови, как правило, не выходит за пределы 7,35-7,47. Даже резкие нарушения кислотно-щелочного обмена с патологическим накоплением кислот в тканевой жидкости, например, при диабетическом ацидозе, очень мало сказываются на активной реакции крови.

Множество отдельных механизмов, регулирующих внутри- и внесистемные взаимоотношения, оказывает в ряде случаев взаимопротивоположные (антагонистические) воздействия, уравновешивающие друг друга. Это приводит к установлению подвижного физиологического фона и позволяет живой системе поддерживать относительное динамическое постоянство, несмотря на изменения в окружающей среде и сдвиги, возникающие в процессе жизнедеятельности организма.

Гомеостаз и гомеостатическая регуляция. Среди целостных реакций организма, определяющих само его существование, поддержанию постоянства внутренней среды принадлежит особая роль.

Понятие гомеостаз (от греч. homoios - подобный, схожий, и stasis - стояние, неподвижность) (гомеостазис) впервые было введено в 1929 г. Уолтером Кенноном, творчески развившим идеи К. Бернара о динамическом характере постоянства внутренней среды. Этот термин У. Кеннон употреблял в двух смыслах: как постоянство внутренней среды организма, обеспечиваемое деятельностью ряда физиологических процессов, и как совокупность последних. Современные определения гомеостаза включают оба аспекта.

Под внутренней средой У. Кеннон понимал кровь, лимфу и тканевую жидкость. Основные параметры, характеризующие внутреннюю среду, были названы гомеостатическими константами. В качестве примера назовем концентрацию глюкозы, натрия и других ионов, величину мембранного потенциала, значения артериального и осмотического давления, напряжения газов крови, температуры. Они различаются по диапазону варьирования, т. е. норме реакции, определяемой генотипом. Чем уже диапазон варьирования константы, тем более значимы ее изменения для гомеостаза и тем большее число физиологических систем участвует в ее регуляции. Примером могут послужить рН жидкостных сред и температура тела у теплокровных. Гомеостатические константы с более широкой нормой реакции расширяют адаптивные возможности организма. В каждый данный момент гомеостатическая регуляция направлена преимущественно на достижение оптимального уровня той константы, которая максимально отклонилась от своего среднего значения.

Границы гомеостаза могут быть жесткими и пластичными, меняться в зависимости от индивидуальных, возрастных, половых, социальных и других условий. Жесткие константы, (например, осмотическое давление крови) допускают лишь незначительные отклонения от своего уровня, пластичные константы (например, уровень кровяного давления или питательных веществ в крови) варьируют в довольно большом диапазоне и в течение длительного времени. Значительная вариабельность уровня кровяного давления, свойственная здоровому человеку в норме, имеет определенный физиологический смысл. Так, повысившееся кровяное давление в результате физической нагрузки или эмоционального сдвига улучшает кровоснабжение многих органов и тканей. Вместе с тем длительное повышение кровяного давления приводит к нарушениям кровоснабжения - кровоизлияниям, таким как инфаркты и инсульты.

Любые физиологические, физические, химические или эмоциональные воздействия (будь то температура воздуха, изменение атмосферного давления, обычная терапевтическая процедура или волнение, радость, печаль, горе, прием лекарства и т. д.) могут явиться поводом к выходу организма из состояния динамического равновесия, в котором он пребывает. Таким образом, любое воздействие может оказаться "отклоняющим", или "возмущающим". Рассмотрим достаточно простой пример. Углеводы служат важнейшим источником энергии для организма. В результате распада и главным образом "сгорания" в кислороде молекулы углеводов, богатые энергией, постепенно превращаются в молекулы конечных продуктов - воды и двуокиси углерода, обладающих малым запасом энергии. Энергия, высвобождающаяся при этом, идет на покрытие энергетических потребностей клеток организма. Ни одна клетка, ни один орган не могут существовать даже кратковременно без расходования энергии и потребления "горючего" в виде углеводов.

Наиболее чувствительны к недостатку снабжения "горючим" нервные и мышечные клетки. Особенно нервные, так как они обладают незначительными запасами в виде гликогена и даже малое и кратковременное снижение уровня сахара в крови (гипогликемия) приводит к тяжелым функциональным расстройствам, вызывающим угрожающие явления в состоянии всего организма. Функции нервных образований всецело зависят от содержания сахара в крови. В крови здорового человека находится 44,4-66,6 мМ сахара в виде глюкозы.

Обращает внимание строгое постоянство уровня сахара в крови, что, по-видимому, наиболее благоприятно для протекания процессов жизнедеятельности и обмена веществ. Оно обеспечивается благодаря очень точно поддерживаемому балансу между потреблением сахара и его поступлением в кровь. Существует не менее семи-восьми механизмов, поддерживающих этот баланс. Центральную роль здесь играет печень.

Потребление сахара крови особенно возрастает при повышенной мышечной деятельности. Можно было бы ожидать, что при этом уровень сахара в крови резко понизится и наступит опасное состояние, называемое гипогликемией. Однако этого не происходит: в печени как в депо углеводов гликоген распадается до стадии глюкозы, которая и обеспечивает замену сахара в крови. Можно было бы ожидать также и контрастного явления: после приема пищи, богатой углеводами, последние, всасываясь в тонкой кишке, в большом количестве поступают в кровь, что должно было бы привести к значительному и стойкому повышению уровня сахара в крови. Но и этого не наблюдается.

Это обусловлено тем фактом, что оттекающая от кишки, обогащенная сахаром кровь поступает в общий кровоток не сразу, а проходит сначала по воротной вене через печень. В клетках печени глюкоза венозной крови поглощается, образуется гликоген, так что содержание сахара в крови, поступающего из печени в общий кровоток, сохраняется приблизительно на нормальном уровне. При употреблении очень большого количества сахара наблюдается лишь небольшое и кратковременное увеличение содержания его в крови, так называемая алиментарная гипергликемия. В этой ситуации вследствие превышения "почечного порога" для глюкозы ее избыток удаляется с мочой.

Какие же адекватные раздражители возбуждают и приводят в действие механизмы регулирования уровня сахара в крови? Последние могут, очевидно, вступать в действие только в ответ на определенные возмущающие стимулы. Можно с уверенностью утверждать, что таким стимулом является сам уровень сахара в крови, изменения которого обусловливают и определяют регуляторную деятельность организма. Эта деятельность осуществляется в тех случаях, когда уровень сахара в крови становится выше или ниже нормы. Вступление в действие регуляторных механизмов вызывается изменением той величины, постоянство и регулирование которой необходимы организму. Этот факт свидетельствует о наличии здесь обратной связи, аналогичной техническому замкнутому контуру регулирования. В самом деле, изменение уровня сахар в крови вызывает противоположные возмущению регулирующие действия. Последние вызывают новые изменения уровня сахара крови; их сдвиги приводят в свою очередь к новым поправкам и т. д.

Применяя техническую терминологию, можно подчеркнуть, что цепь регулирования уровня сахара в крови представляет собой "систему с переходным и передаточным запаздыванием". Необходимым условием всякого регулирования является непрерывное измерение подлежащей регулированию величины с помощью рецепторного измерительного устройства. Полагают, что рецепторы периферии (печени, поджелудочной железы), как и сахарочувствительные клетки центров (гипоталамуса), формируют афферентный поток сигналов, преобразуемый в промежуточном мозге и гипофизе в эфферентные посылы, исходящие из центров и несущие приказы исполнительным механизмам. Исключительно важную роль в регуляции уровня сахара в крови играют гормоны коры надпочечников (глюкокортикоиды), их мозгового вещества (адреналин), а также поджелудочной железы (инсулин и глюкагон) и щитовидной железы (тироксин) (см. гл. 6).

Закончив краткое рассмотрение углеводной регуляции, вернемся снова к фундаментальному физиологическому закону - гомеостазу. Любое раздражение, особенно стресс, ведет к возникновению сложного комплекса реакций, основная цель которых приспособить организм к изменившимся условиям, предотвратить или сгладить возможный сдвиг во внутренней среде, в состоянии и деятельности органов, физиологических систем, организма в целом.

Для развития организма постоянно необходимо дополнительное количество энергии и пластических веществ, которое не может приобрести полностью уравновешенная гомеостатическая система. Иначе для реализации программы развития организма необходимо нарушение стабильности, нарушение гомеостаза. Таким образом, наряду с законом сохранения гомеостаза в развивающейся системе должен соблюдаться и другой закон - закон отклонения гомеостаза.

Законы гомеостатической регуляции. Изменения гомеостатических констант под влиянием воздействующих факторов должны устраняться системой

механизмов гомеостатического регулирования. Закономерности самих изменений гомеостатических констант описываются несколькими правилами.

Выведенное на основе экспериментальной и клинической практики правило фона гласит: "Направленность и величина изменения гомеостатической константы под влиянием воздействующего фактора зависят от ее исходных (фоновых) значений". В качестве примера можно привести изменения терморегуляции у человека, выходящего из холодного помещения (+12,6 °С), где он озяб, на улицу (-15,6°С) и вновь возвращающегося в ту же комнату. При выходе человека на улицу терморегуляция уменьшается теплоотдача за счет вазоконстрикции кожных сосудов, усиливаются сократительный термогенез, катаболические процессы в печени, пищеварительном тракте, увеличивается просвет сосудов во внутренних органах возрастает тонус скелетных и гладких мышц. На фоне увеличенного термогенеза и уменьшенной теплоотдачи, адаптированных к -15,6°С, возврат в помещение (+12,6 °С) вызывает первоначальное ощущение перегрева и способствует запуску реакций противоположной направленности с последующей адаптацией терморегуляции к новому температурному режиму окружающей среды. Следовательно, гомеостатическая регуляция, направленная на стабилизацию температуры тела человека, меняется и в зависимости от фона может осуществляться разными механизмами.

Другая особенность гомеостатической регуляции сформулирована в виде правила гиперкомпенсации: "Регуляция сдвигов гомеостатических констант носит гиперкомпенсаторный характер". Говоря иными словами, новое значение гомеостатической константы, достигнутое в результате гомеостатирования, не идентично фоновому, а превышает его. Это соответствует определению гомеостаза как динамического относительного постоянства внутренней среды.

На клеточном уровне закон гиперкомпенсации можно иллюстрировать изменениями мембранного потенциала возбудимой клетки: на смену спайку с характерными для него деполяризационным сдвигом мембранного потенциала и защелачиванием цитоплазмы приходит следовая гиперполяризация. Она представляет собой гиперкомпенсаторные сдвиги мембранного потенциала (более отрицательные значения, чем у потенциала покоя) и рН примембранной цитоплазмы (ацидоз превышает фоновый).

Типы гомеостатической регуляции. Различаются по условиям запуска соответствующих механизмов. Так, в приведенных выше примерах имеет место гомеостатическая регуляция по отклонению, когда само изменение величины константы вызывает запуск гомеостатических механизмов регулирования. Этот тип регуляции характерен для тех случаев, когда воздействующий фактор является новым для организма. По мере повторения воздействия и запоминания его параметров наблюдается появление гиперкомпенсаторых изменений гомеостатических констант, опережающих их первичные сдвиги. Подобная опережающая гомеостатическая регуляция имеет энергосберегающее значение.

Опережающая гомеостатическая регуляция может стать причиной извращения знака первичной реакции. Например, было показано, что употребление алкоголя впервые вызывает у человека первичную реакцию снижения температуры тела (регуляция по отклонению), тогда как при повторных применениях - ее повышение (опережающая регуляция). Аналогично первичный электрошок вызывает .тахикардию, а при повторных применениях - брадикардию. Этот же тип опережающей гомеостатической регуляции лежит в основе повышения толерантности к фармакологическим агентам при их  многократных введениях. Он используется при обучении пациентов и экспериментальных животных регулированию собственного системного артериального давления.

Не всегда опережающая гомеостатическая регуляция связана с обучением в онтогенезе. Генетически закрепленная память способствует включению опережающего гомеостатирования до наступления запредельных или близких к ним сдвигов констант. Это видно на примере поискового пищевого поведения (гомеостатирующее поведение по А. Д. Слониму), которое запускается прежде, чем уровень глюкозы в крови уменьшится до критических значений. В контроле опережающего гомеостатирования, связанного с врожденной и приобретенной памятью, значительная роль принадлежит циркадным ритмам активности нейроэндокринной системы организма, определяемым соотношением периодов света и темноты, магнитным полем Земли, периодами солнечной активности, лунными циклами и др.

На разных уровнях реализации механизмов гомеостатирования соотношение между гомеостатической регуляцией двух типов может различаться. Так, на субклеточном и клеточном уровнях преобладает регуляция по отклонению, обусловливая последовательную смену реакций фосфорилирования - дефосфорилированием, катаболизма - анаболизмом, эндоцитоза - экзоцитозом, открытого состояния ионного канала закрытым и т. п. В целом обеспечивается гомеостатирование внутриклеточного рН, осмотического давления и объема клетки. На уровнях системной регуляции значений основных гомеостатических констант оба типа регуляции равноправны, тогда как на уровне организма преобладает опережающая. Все уровни регуляции взаимосвязаны, причем их иерархия определяется порогом чувствительности к изменениям регулируемой гомеостатической константы и возможностями ее регуляции на данном уровне.

Для большинства уровней регуляции значений каждой константы характерна взаимозамещаемость гомеостатических механизмов и многоконтурность регуляторных воздействий. Так, умение регулировать уровень собственного артериального давления при гипотонии можно выработать несколькими способами: внушением, воспоминанием об эмоционально напряженной ситуации, повышением тонуса определенных скелетных мышц или специальными упражнениями, а также задержкой дыхания. С каждым из них связаны различные нейрогормональные механизмы регуляции артериального давления, действующие на разные компоненты сердечно-сосудистой системы и контролирующие ее центры через запуск соответствующих реакций. Этим достигается надежность и гибкость гомеостатической регуляции значений данной константы. Следует подчеркнуть, что в живом организме никогда не происходит селективной регуляции какой-либо одной константы, поскольку константы взаимосвязаны. Она приводит к минимизации энергетических затрат на решение таких комплексных задач, как выработка и сохранение оптимального режима взаимодействия физиологических систем или организма со средой в изменившихся условиях, поддержание определенных уровней стационарного состояния и сохранение целостности организма.

Закрепившееся в процессе эволюционного развития состояние гомеостаза позволяет организму приспосабливаться к условиям окружающего мира. Адаптация при этом может быть оптимальной, неоптимальной и даже вредной, связанной с нарушением жизнедеятельности. Живая система способна перестраиваться, переходить на новый гомеостатический уровень, активизируя при этом одни регулирующие системы и тормозя другие.

Адаптация к стрессорным факторам осуществляется на всех уровнях организации начиная с клеточного, однако для реализации гомеостатической защитной реакции у высших животных имеется специализированная адаптационная система. Основными компонентами этой системы являются:

кора надпочечников, вырабатывающая гормон защиты - кортизол; гипофиз, который высвобождает кортикотропин, регулирующий продукцию кортизола;

и, наконец, гипоталамус, контролирующий секрецию кортикотропина, а также другие отделы ЦНС (см. разд. 6.2).