Организм как саморегулирующаяся система. 
Гомеостаз

Все органы, системы и аппараты органов связаны между собой анатомически и функционально в единое целое — организм, главная функция которого — жизнь. Сложная система человеческого организма обладает способностью регулировать свое существование. Саморегуляция человеческого организма направлена на поддержание постоянства внутренней среды, обеспечивающего оптимальное протекание процессов жизнедеятельности, и на адаптацию организма к условиям внешней среды, обеспечивающую выживание человека как индивидуума и как биологического вида.

Системы саморегуляции действуют на всех уровнях организации целостного организма. Организм является суммой составляющих его органов, тканей и клеток, и от их оптимального функционирования зависит оптимальное функционирование организма как целого. В то же время адаптивные возможности целостного организма создают наиболее благоприятные условия для жизнедеятельности отдельных структур.

Впервые мысль о саморегуляции как основе физиологической стабильности была сформулирована французским физиологом Клодом Бернаром в 1857 г.: «Постоянство внутренней среды является обязательным условием свободной жизни». Постоянство качественного и количественного состава живой системы получило наименование гомеостаза (от греч. homoios — подобный, тот же самый; stasis — состояние, неподвижность), оно свойственно не только биологическим, но и большинству социальных систем. В физиологии под гомеостазом понимают относительное динамическое постоянство внутренней среды (обмена веществ, водно-электролитного и кислотно-щелочного равновесия), необходимое для устойчивого функционирования основных физиологических систем организма (кровообращения, дыхания, терморегуляции, обмена веществ и т. д.). Внутренние механизмы регуляции, обеспечивающие оптимальный уровень функционирования клеток, органов и систем целостного организма, получили наименование гомеостатических.

Изучение гомеостаза направлено на вопросы регулирования и саморегулирования физиологических функций, взаимосвязи нервных и гуморальных компонентов регуляции, циклического и фазного протекания физиологических процессов, а также реакций компенсации. Рамки гомеостатических реакций могут быть жесткими или подвижными, могут зависеть от возрастных, половых, социальных, профессиональных, индивидуальных факторов.

Одной из важнейших систем поддержания гомеостаза является сердечно-сосудистая система. Ее функция заключается не только в поддержании заданного объема крови и распределении ее по сосудам, но и в изменении кровоснабжения в соответствии с изменением потребностей тканей в кислороде при разных нагрузках. Недостаточное снабжение тканей кислородом может быть причиной кислородного голодания и гибели клеток. Кроме того, кровь участвует в поддержании кислотно-щелочного равновесия и в гуморальной регуляции функций органов и систем, перенося гормоны и другие биологически активные вещества от эндокринных желез к органам.

Система дыхания также выполняет важные гомеостатические функции: вентиляцию, легочное кровообращение, диффузию газов через альвеолярно-капиллярную мембрану, транспорт газов кровью и тканевое дыхание. Обеспечение газообмена между организмом и окружающей средой должно быть адекватно изменяющейся скорости обменных процессов и связанной с ней скорости потребления клетками кислорода. Поэтому регуляция системы дыхания должна быть направлена на поддержание постоянного уровня кислорода и углекислоты в изменяющихся условиях жизнедеятельности, что требует тесной связи с другими системами, в первую очередь с сердечно-сосудистой.

Главная функция почечной системы — экскреторная (выделительная). Она направлена на сохранение водно-электролитного (водно-солевого) баланса, кислотно-щелочного равновесия и удаление из организма продуктов обмена веществ. Водно-электролитный баланс занимает в поддержании гомеостаза важнейшее место. Вода составляет основную массу большинства живых организмов, входит в состав клеток и межклеточного пространства, является растворителем большинства веществ, участвующих в обменных процессах, и сама принимает участие в биохимических реакциях. Все биохимические жидкости представляют собой водные растворы солей и коллоидов, обладающих свойствами электролитов. Функции этих растворов многообразны: участие в биохимических реакциях, сохранение осмотического давления, поддержание кислотно-щелочного равновесия (сохранение постоянства pH жидких сред организма как основы для протекания биохимических реакций).

Процессы гомеостаза направлены прежде всего на поддержание постоянства внутренней среды организма, а регуляция внешних действий — на поддержание равновесия организма с окружающей средой. Вместе они образуют сложную систему, позволяющую организму удовлетворять свои потребности, жить и продолжать свой биологический вид.

Рассмотрим упрощенную схему процессов саморегулирования организма. Информацию о состоянии окружающего мира и о внутренней среде организм получает с помощью датчиков-рецепторов — органов чувств, обладающих модальной (избирательной) чувствительностью к определенным воздействиям (зрительным, слуховым, температурным, гравитационным). Вся информация о состоянии внешней среды и ее изменениях поступает в центральную нервную систему, которая выполняет несколько ролей одновременно. Проводя аналогию с работой компьютера, их можно обозначить как базу данных, центральный процессор, оперативную память, программы обработки информации, сохраненную информацию. Туда же поступает информация от рецепторов, расположенных внутри нашего тела, — «датчиков» давления, содержания углекислого газа и кислорода, кислотности различных биологических жидкостей, напряжения мышц и др.

Когда ситуация по каким-то причинам изменилась и требует соответствующих реакций на системном уровне, организм предпринимает действие, направленное на стабилизацию системы. Например, чувство голода обусловлено снижением уровня глюкозы в крови, информация о котором достигла клеток головного мозга и послужила основанием для усиления активности пищеварительного тракта (усиливается секреция желудочного сока и перистальтика кишечника). При этом органы зрения и связанные с ними отделы центральной нервной системы фиксируют продукты питания, а сопоставление их образов с хранящимися в базе памяти моделями указывает, что они дают возможность утолить голод. В этом случае центральная нервная система отдает распоряжение исполнительным (эффекторным) органам осуществить необходимые действия, приводящие к насыщению и восстановлению уровня глюкозы в крови. Таким образом, цель саморегулирующейся системы — устранение причины изменений гомеостаза (снижения в крови уровня глюкозы, необходимой всем клеткам как источник энергии) — оказывается достигнутой. В приведенном упрощенном случае она достигается легко — достаточно взять и съесть продукт, находящийся в поле зрения. Более сложные сценарии действий, основанные на таких побудительных мотивах, как любовь и стремление к продлению вида, семейные ценности, дружба, потребность в безопасности, самоутверждении, тяга к новому и стремление к красоте, имеют в своей основе сходную структуру. Врастая в психологические и социальные механизмы существования человека, они создают основу развития человеческой цивилизации, оставаясь неизменными с древней истории до наших дней.

Действие предполагает движение, следовательно, при достижении любой цели возрастает потребность в энергии, «добываемой» в процессе обмена веществ. Для обеспечения системы энергией требуются мобилизация доступных запасов питательных веществ, усиление кровообращения, дыхания и некоторых других функций. Любое повышение активности обмена веществ сдвигает равновесие в системе, поэтому необходима активизация механизмов поддержания гомеостатического равновесия, которые тоже нуждаются в значительных количествах энергии для своей деятельности. Таким образом, организм как саморегулирующаяся система постоянно нуждается в поступлении энергии, без которой поддержание гомеостаза станет невозможным.

Организм как сложноорганизованная система имеет не один, а несколько путей регуляции, прежде всего гуморальный и нервный. Гуморальная регуляция (от лат. humor — жидкость) осуществляется гормонами, медиаторами, ионами, продуктами обмена, выделяемыми одними клетками в кровь, лимфу или тканевую жидкость и действующими на другие клетки и органы, изменяя их работу. Ведущее место в этой системе принадлежит железам внутренней секреции. Скорость гуморальной регуляции определяется скоростью движения крови по сосудам — от 0,005 до 0,5 м/с, т. е. она позволяет осуществить медленную перестройку работы органов. Нервная регуляция — регуляция посредством нервной системы — осуществляется рефлекторно и значительно более быстро (скорость передачи импульса в нервной системе достигает 120—140 м/с). Нейрогуморальная регуляция объединяет все функции организма, благодаря чему он существует как единое целое, хотя каждая его клетка имеет свою внутреннюю систему регуляции.

Можно выделить основные структурно-функциональные блоки организма как саморегулирующейся системы:

• • чувствительные окончания — рецепторы, несущие информацию о состоянии внешней и внутренней среды;
• • центральный «процессор» — отделы центральной нервной системы, отвечающие за обработку и хранение информации;
• • нервная и гуморальная регуляция — центральные механизмы управления системой;
• • эффекторные (исполнительные) органы;
• • «энергетический блок» — обеспечение структур системы энергией, необходимой для осуществления происходящих процессов;
• • «гомеостатический блок» — контроль за постоянством внутренней среды;
• • оболочка, отграничивающая и защищающая организм, а также обеспечивающая обмен энергией и информацией со средой.

Эти блоки включают в себя ткани и органы различных систем организма и постоянно обмениваются информацией. В итоге вся система реагирует на любые изменения внутренней и внешней среды как целостный организм. Представление о гомеостазе не соответствует представлению об устойчивом равновесии в организме — принцип равновесия неприложим к сложным физиологическим и биохимическим процессам, протекающим в живых системах. Скорее можно говорить о принципе динамического равновесия между внутренними процессами системы и ее движением во внешней среде.

Возрастные особенности гомеостаза. Детский организм находится в постоянных процессах роста и формирования, поэтому в нем усвоение веществ должно устойчиво преобладать над их расщеплением и выведением. В связи с этим регуляция гомеостаза детского организма оказывается значительно более напряженной, чем у взрослых. Поэтому в детском возрасте значительно чаще, чем у взрослых, встречаются нарушения гомеостаза, нередко угрожающие жизни. Они обусловлены незрелостью функции почек, кровеносной системы, желудочно-кишечного тракта и легких, снижающей возможности адаптации организма к изменениям внешней и внутренней среды. Это выражено в большей степени у детей младшего возраста, а у недоношенных младенцев первых месяцев жизни может принимать критический характер, когда каждое колебание условий внешней среды приводит к значительным нарушениям жизнедеятельности организма.

Одним из основных факторов гомеостаза является обмен в организме воды и растворенных в ней минеральных солей (водно-солевой баланс).

Рост ребенка и увеличение его массы сопровождается отчетливыми изменениями распределения воды в организме. Система регуляции водного баланса является несовершенной и не может полностью обеспечивать постоянство водного баланса. Высокое содержание воды в тканях у новорожденных и детей раннего возраста приводит к высокой потребности ребенка в воде (в расчете на единицу массы тела), а ее потери или ограничение быстро ведут к обезвоживанию организма. Почки ребенка — главные исполнительные органы в системе регуляции объема жидкости — из-за незрелости механизмов фильтрации мочи не обеспечивают экономии воды. Кроме этого, значительные (более существенные, чем у взрослых) потери воды при дыхании и через поверхность кожи создают дополнительные предпосылки для обезвоживания организма, нарушающего все метаболические процессы, а иногда и угрожающего жизни ребенка.

Нарушения гомеостаза, проявляющиеся гиперосмосом (повышенной концентрацией солей во внутриклеточной и внеклеточной жидкости), особенно часто встречаются у детей периода новорожденности и первых месяцев жизни; в более старших возрастах начинает преобладать гиноосмос, проявляющийся избыточным содержанием жидкости в тканях и приводящий к их отечности. Кроме того, незрелость функции почек создает предпосылки для развития ацидоза (сдвига кислотно-щелочного равновесия в организме в сторону кислотности), создающего неблагоприятные условия для обменных процессов в организме. Все это приводит к легкому возникновению расстройств, стоящих на грани между физиологическими и патологическими (болезненными).

Гормональная перестройка в периоде полового созревания также приводит к изменениям гомеостаза. Однако в этом возрасте сдвиги в обмене веществ легче компенсируются, так как гомеостатические системы подростка приближаются по уровню зрелости к таковым у взрослых.

Постоянство гомеостаза в разные возрастные периоды поддерживается через различные механизмы регулирования. Например, постоянство уровня артериального давления в молодом возрасте поддерживается за счет более высокого сердечного выброса и низкого общего периферического сопротивления сосудов, а в пожилом и старческом — за счет более высокого общего периферического сопротивления и уменьшения величины сердечного выброса. В период старения происходит не только угасание и нарушение многих процессов в организме, но и развитие специфических для этого возрастного этапа приспособительных механизмов (регуляция уровня содержания сахара в крови, кислотно-щелочного равновесия крови, осмотического давления и пр.). Однако эти механизмы обладают меньшими потенциальными возможностями, что повышает вероятность срыва адаптационных механизмов и нарушения гомеостаза при стрессах и (или) повышенных нагрузках.