Организм человека как саморегулирующаяся система. 
Элементы структуры организма

Понятийный аппарат описания организма человека как системы

В данном разделе приведены известные определения понятий, необходимых для описания функционирования организма человека как системы. При этом из множества существующих определений этих понятий, встречающихся в энциклопедиях и специализированных словарях, подобраны логически связанные определения, согласованные друг с другом и позволяющие описать организм человека с позиций системного подхода.

Историческое развитие общества, науки и биологии как части научных знаний о природе сопровождает формирование и смена парадигмы. Парадигма (от греч. paracLeigma — пример, образец) — это: 1) строго научная теория, воплощенная в системе понятий, выражающих существенные черты действительности; 2) исходная концептуальная схема, модель постановки проблем и их решения, методов исследования, господствующих в течение определенного исторического периода в научном сообществе.

Для создания любой вербальной модели, т. е. описания различных объектов Природы в рамках научной парадигмы, используется понятийный аппарат как совокупность определенных взаимосвязанных понятий, характеризующих объект и его свойства. Объект — это характеристика реальности, на которую человек обращает свою деятельность или направляет свое познание.

В соответствии с современной парадигмой, в природе как окружающем нас мире во всем многообразии его форм и как совокупности материальных объектов выделяют живую и неживую (косную) материю. Виды материи — это вещество, имеющее атомарное строение и обладающее массой покоя, и поле.

Для характеристики живой материи используют понятие «жизнь». Одно из определений этого понятия принадлежит Б. М. Медникову:

ю.

«Жизнь — это активное, идущее с затратой энергии поддержание и воспроизведение специфичной структуры».

Понятие «энергия» используют для описания взаимодействия материальных объектов. Понятие «взаимодействие» применяется для отображения взаимосвязи между различными объектами и обозначает воздействия как прямые, так и опосредованные, различных объектов друг на друга, взаимопревращения объектов. Как научный термин понятие энергия (от греч. energeia — действие, деятельность) применяется в естественных науках для обозначения общей количественной меры различных форм движения материи. Под движением материи как всеобщим способом ее существования понимают ее изменения, превращения в ходе ее самоорганизации и взаимодействия.

Полная энергия (строго — энергия покоя без кинетической составляющей) материальных объектов определяется количественно по уравнению А. Эйнштейна: Е₀ = тс², где с — коэффициент пропорциональности, численно равный скорости света (3 • 10⁸ м/с), т — масса объекта; энергия кванта электромагнитного излучения определяется по уравнению М. Планка: Е = hv, где V — частота электромагнитной волны, h — постоянная Планка (6,6 • 10^-34Дж • с).

Известны два способа передачи энергии от одного материального объекта другому: путем совершения работы или в виде теплоты. Часть энергии объекта, которая может быть использована на совершение работы, называется свободная энергия. Передача энергии происходит в соответствии с законами термодинамики. Самая краткая формулировка I закона — энергия сохраняется. Это значит, что энергия не возникает и не исчезает самопроизвольно, а только переходит из одного вида в другой. В зависимости от вида совершаемой работы различают механическую, электрическую, магнитную, электромагнитную и химическую энергии. В соответствии со II законом термодинамики, при передаче энергии от одного объекта другому часть ее обязательно переходит в теплоту, что приводит к уменьшению «упорядоченности», к возрастанию энтропии как меры неупорядоченности. Следствием этого закона является утверждение о том, что любая система, предоставленная самой себе, стремится к состоянию с минимальным запасом свободной энергии. Все взаимодействия между материальными объектами подчиняются законам термодинамики.

Для описания взаимодействий материальных объектов также используют понятие информация. Однозначного определения этого понятия не существует, хотя имеется множество способов его объяснения. Считается, что в общем виде под информацией понимают любое сообщение, передаваемое с помощью специальных средств связи: символов, знаков, кодов и т. д. В применении к живым системам большое значение имеет ценностный (прагматический) аспект информации. Ценность получаемой информации измеряется приращением вероятности достижения существующей цели в результате использования информации данной живой системой. Передача информации уменьшает энтропию системы, то есть увеличивается ее упорядоченность. В кибернетике количество информации, переданной от одного элемента системы к другому, определяют как логарифм вероятности изменения состояния одного из элементов системы при определенных изменениях другого элемента. Считается, что передача информации имеет место, если состояние какого-либо из элементов системы может быть с определенной вероятностью определено по состоянию другого элемента системы в предыдущий момент времени.

Несмотря на его неоднозначность, понятие «информация» удобно использовать как объяснительный принцип при описании таких взаимодействий в живых системах и взаимодействий организма и среды, при которых взаимосвязанные изменения состояния элементов системы превышают интенсивность обмена энергией между ними.

При описании передачи информации используют термины: сигнал, канал связи и коммуникация. Сигнал (от лат. signum — знак) — это физический процесс или явление, несущие сообщение (информацию) о каком-либо событии, состоянии объекта наблюдения либо передающие команды управления, указания, оповещения. Информация — это количественная характеристика сигналов. Сигнал как результат изменения состояния объекта, являющегося источником информации, приводит с определенной степенью вероятности к детерминированным изменениям состояния объекта, являющегося приемником информации. Любые, в том числе и очень слабые изменения энергии вещества или поля могут являться сигналами для определенных объектов. При этом в большинстве ситуаций следствием незначительных изменений свободной энергии источника сигнала могут быть значительные затраты энергии приемником этого сигнала. Сигналы имеют различную природу. В организме человека информация передается с помощью электрических и химических сигналов. Их приемниками являются клетки организма, в которых в ответ на эти сигналы совершаются различные виды работы.

Передача информации с помощью сигналов — это основа коммуникации. Коммуникация (от лат communication — делать общим, связывать, общаться) — форма связи, акт передачи информации, общение. Понятие «канал связи» характеризует способ передачи и приема информации, свойства сигналов. Например, для внутривидовой коммуникации многие животные используют акустический канал связи. В этом случае сигналами являются звуки, издаваемые животными, а их приемником — орган слуха.

Понятие структура (от лат. structura — строение, расположение, порядок) используется для обозначения совокупности устойчивых связей объекта, обеспечивающих его целостность и тождественность самому себе, т. е. сохранение своих основных свойств при различных внешних и внутренних изменениях.

В рамках действующей научной парадигмы все живые объекты — это живые сложные организованные саморегулирующиеся открытые системы, находящиеся в стационарном состоянии.

Система (от греч. sistema — составленное из частей, объединенное) — это целостный объект, состоящий из элементов, находящихся во взаимоотношениях, или совокупность элементов, находящихся в отношениях и связях между собой и образующих определенную целостность, единство. Свойства системы не сводимы к простой сумме свойств входящих в нее элементов, взаимодействие элементов в системе приводит к появлению у нее качественно новых свойств, отличающихся от свойств ее элементов.

Сложной системой называется система, составленная из элементов (подсистем), каждый из которых также является системой. При описании живых организмов как сложных систем выделяют такие уровни организации живой материи, как молекулярный, субклеточный, клеточный, тканево-органный, организменный и надорганизменный. Элементы каждого их этих уровней — это сложные системы. Например, клетка как элементарная единица живой материи — это сложная система, подсистемами которой являются ее органоиды: биологические мембраны, митохондрии, ядро, аппарат Гольджи, эндоплазматический ретикулум. Они также являются сложными системами. Их элементы — это различные, взаимодействующие друг с другом молекулярные ансамбли. Таким ансамблем является, например, мультиферментный, то есть образованный несколькими ферментами, комплекс митохондрий — дыхательная цепь как главная структура трансформации энергии в клетках аэробных организмов.

Как правило, сложные системы имеют иерархическое строение. Иерархия (от греч. hieros — священный, arche — власть) — это расположение частей или элементов целого от высшего к низшему, «подчинение» низших уровней более высоким. Иерархические системы являются организованными, т. е. в них осуществляется управление. Управление — это направление хода, движения, деятельности чего-либо (кого-либо), руководство. Понятие «управление» соотносится с понятиями «организация» и «структура» системы. Организация (от лат organize — сообщаю стройный вид, устраиваю) — это: 1) обусловленная строением целого внутренняя упорядоченность, согласованность, взаимодействие его более или менее дифференцированных и автономных частей; 2) совокупность процессов или действий, ведущих к образованию и совершенствованию взаимосвязей между частями целого. Организация системы — это особенность (специфичность) их структуры.

Для описания процесса управления используют понятия контроль и регуляция. Следует отметить, что при дословном переводе с английского языка слово «контроль» (англ, control) означает управление, руководство, власть, надзор, сдерживание, регулирование, контроль, проверку. Следовательно, использовать слово «контроль» как синоним слова «управление» допустимо. Вместе с тем в русском языке слово «контроль» по смыслу ближе к его переводу с французского языка 0control — проверка, наблюдение за чем-либо, кем-либо с целью проверки и надзора), или к заимствованному из английского языка слову.

«мониторинг» (monitoring — процесс проверки, предупреждения). В данной работе термин «мониторинг» используется для обозначения непрерывного наблюдения (контроля) за состоянием определенных параметров системы или состояния окружающей среды.

Регуляция (от лат. regulare — подчинение чего-либо определенному порядку, правилу, упорядочивание). Регуляция обеспечивает «согласование» элементов системы, оптимизирует затраты энергии на взаимодействия элементов системы и взаимодействия системы и окружения.

Как правило, в сложных системах высшие уровни иерархии на основе мониторинга осуществляют управление состоянием других подсистем (элементов системы) и регулируют уровень их функционирования. Это обеспечивает возможность системе длительно функционировать и сохранять структуру.

Механизм регуляции процессов в сложных системах основан на действии прямых и обратных связей между ее элементами. При действии прямых связей между элементами системы увеличение (уменьшение) уровня функционирования одного из элементов системы приводит к увеличению (уменьшению) уровня функционирования другого элемента системы. Прямые связи функционируют при регуляторных воздействиях элементов более высоких уровней иерархии системы на элементы более низких уровней иерархии или при взаимодействиях элементов одного иерархического уровня. Например, при увеличении секреции гипоталамусом гормона тиреолиберина в гипофизе увеличивается продукция тиреотропного гормона, что, в свою очередь, приводит к усилению активности клеток щитовидной железы, выделяющих тироксин. В результате взаимодействия тироксина с клетками организма в них увеличивается интенсивность окислительного фосфорилирования и усиливается теплопродукция. Прямые регуляторные воздействия имеются также в каскадах ферментативных реакций, например в системе свертывания крови, включающей более десяти факторов свертывания крови. В ней все факторы находятся в неактивном состоянии до повреждения стенки кровеносного сосуда. Оно активирует первый фактор свертывания крови, что приводит к каскаду реакций, в которых активная форма каждого предыдущего фактора активирует последующий до образования сгустка из фибрина, закупорки сосуда и прекращения кровотечения.

При наличии обратной связи между элементами системы результат функционирования системы (уровень функционирования управляемого элемента) влияет на уровень функционирования системы (на уровень функционирования управляющего элемента). В системах с обратной связью состояние одного из элементов системы в момент времени влияет на состояние другого элемента в момент времени t₂ а состояние этого элемента влияет на состояние первого элемента системы в момент времени t₃. Положительная обратная связь — это увеличение уровня функционирования системы результатом ее действия, а отрицательная обратная связь — это уменьшение уровня функционирования системы при увеличении результата ее функционирования до определенной величины.

В управлении различными процессами в организме человека включение обратных связей взаимосвязано с мониторированием, т. е. с «отслеживанием» результатов действия прямых связей между элементами системы. При этом в регуляции различных процессов жизнедеятельности в организме для поддержания констант гомеостаза обычно действуют отрицательные обратные связи, а в период изменения уровня функционирования клеток, органов и всего организма — положительные обратные связи.

Например, продукт последней реакции какого-либо биохимического процесса, состоящего из нескольких взаимосвязанных реакций, является ингибитором фермента, катализирующего первую реакцию этого процесса. Нередко увеличение в крови концентрации какого-либо гормона приводит к снижению секреторной активности системы желез, элементом которой является железа, вырабатывающая этот гормон. Например, при понижении температуры окружающей среды в организме активируются терморецепторы, в том числе и гипоталамуса. Это приводит к запуску прямых связей в системе таких желез внутренней секреции (ЖВС), как гипоталамус, гипофиз и щитовидная железа, что приводит к увеличению секреторной активности желез и возрастанию в крови концентрации их гормонов, в том числе и тироксина — гормона щитовидной железы. Это результат функционирования системы. Он уменьшает уровень ее функционирования. Так как уровень тироксина контролируется хеморецепторами гипоталамуса, то при определенной его концентрации в крови клетки гипоталамуса уменьшают секрецию тиреолиберина, управляющего секреторной активностью клеток гипофиза, вырабатывающих тиреотропный гормон. Уровень его секреции также уменьшается, что и вызывает уменьшение активности клеток щитовидной железы, вырабатывающих тироксин. Это одна из петель обратной связи. Вторая петля обратной связи в этой системе ЖВС запускается взаимодействием тироксина с клетками организма, что приводит к усилению в них теплопродукции и повышению температуры тела. Это также результат функционирования системы перечисленных выше ЖВС. Он, как и определенный уровень тироксина в крови, уменьшает уровень функционирования этой системы ЖВС. Повышение температуры тела изменяет характер активности терморецепторов гипоталамуса, что приводит к уменьшению секреторной активности системы ЖВС, состоящей из определенных секреторных клеток гипоталамуса, гипофиза и щитовидной железы, и снижению в крови содержания тироксина.

Положительная обратная связь в живых системах наблюдается, как правило, кратковременно. Например, при возникновении потенциалов действия в клетках возбудимых тканей в фазу деполяризации их мембран; при активации ферментов, участвующих в воспалении; при реализации некоторых образцов поведения, например демонстраций, включенных в агрессивное и половое поведение. Обычно в ходе различных процессов жизнедеятельности положительная обратная связь прерывается включением отрицательной обратной связи. Отсутствие этого прерывания может явиться причиной гибели организма.

При описании управления в живых системах используется понятие саморегуляция — это управление функционированием живой системы, осуществляемое элементами этой системы. Саморегуляция организма взаимосвязана с функционированием регуляторных систем организма. Такими системами являются нервная, иммунная и эндокринная системы.

Высшим уровнем иерархии в организме является нервная система. Она обеспечивает организацию и реализацию взаимодействий между организмом и средой, а также взаимодействия в организме, то есть регулирует различные аспекты жизнедеятельности. Понятие жизнедеятельность в данной работе используется для обозначения совокупности регулируемых процессов взаимодействий в организме и взаимодействий организма и среды. Взаимодействия организма и среды у такого варианта живых систем, как животные и человек — это поведение как биологический феномен.

Регуляторные системы организма генерируют управляющие сигналы, принимаемые клетками организма, и изменяют их функциональную активность. Они управляют функциональным состоянием белков клеток организма, в том числе и активностью ферментов в каждой из клеток организма, в том числе и клеток самих регуляторных систем. Кроме того, клетки регуляторных систем принимают сигналы обратной связи от контролируемых ими элементов организма, что изменяет уровень их функционирования. Управляющими сигналами регуляторных систем, а также сигналами обратной связи являются вещества-регуляторы — это химические сигналы; а в клетках возбудимых тканей генерируются электрические сигналы — распространяющиеся потенциалы действия. В нервной системе эти электрические сигналы трансформируются в такие химические сигналы, как нейромедиаторы. Они вызывают изменение функциональной активности клеток организма, в том числе клеток нервной и мышечной ткани.

Таким образом, жизнедеятельность обеспечивает возможность жизни и самосохранения живых систем как способа существования, движения живой материи. Понятие «самосохранение» используется в данной работе для обозначения преемственности жизни, ее продолжения в нескольких поколениях потомков. Самосохранение включает в себя способность к активному поддержанию структуры в онтогенезе, репродукцию, т. е. активное воспроизведение структуры в последующих поколениях, и сохранение в среде системы связей организма с ней. Поведение — это основной способ самосохранения животных, функция их организма, обеспечивающая взаимодействие их со средой. Вместе с тем, некоторые варианты поведения препятствуют самосохранению животных и человека. Поведение можно рассматривать как морфологический признак, являющийся материалом для естественного отбора — основного механизма биологической эволюции.

Организм человека, как все живые системы, — это открытая система, обменивающаяся с окружающей ее средой веществом, энергией и информацией.

Взаимодействие живых систем с их окружением включает в себя процессы переноса вещества и энергии из среды в организм и из него в среду, то есть сопровождается тепломассопереносом. У гетеротрофных многоклеточных организмов поступление веществ среды в организм происходит в ходе таких физиологических процессов, как дыхание, питание и выделение. Возможность питания и выделения обеспечивается определенными формами поведения.

При описании переноса вещества в организме как процесса, обеспечивающего поддержание структуры организма, используют понятия «ассимиляция» и «диссимиляция». Ассимиляция — это усвоение организмом веществ из окружающей среды, «распределение» веществ среды в организме, их упорядочивание, включение в структуру организма. Диссимиляция — это процесс выведения из метаболизма веществ, не пригодных к их использованию в организме, нередко сопряженный с их обезвреживанием, и перенос этих веществ в среду, а также процесс выделения из организма избытка веществ.

Перенос вещества в клетки организма и из них, или транспорт веществ через биологические мембраны, происходит или пассивно, или активно, то есть с затратой энергии. Пассивный транспорт — это перенос веществ через избирательно проницаемую биологическую мембрану за счет диффузии или разности электрических потенциалов. При диффузии, вследствие теплового движения молекул, или броуновского движения, происходит самопроизвольный перенос вещества из области их большей концентрации в область меньшей концентрации: вещества самопроизвольно перемещаются против градиента их концентрации. Градиент (от лат. gradients — шагающий) — вектор, показывающий направление наибольшего роста скалярной функции, то есть вектор, направленный от меньшего значения параметра к его большему значению. В организме человека путем диффузии через биологические мембраны происходит газообмен в легких и тканях, а также перемещаются вода и мочевина.

Активный транспорт веществ через мембрану происходит за счет энергии энергетических валют клетки, главным образом, за счет энергии гидролиза аденозитрифосфорной кислоты (АТФ). Он обеспечивает перенос через биологические мембраны веществ, не способных к диффузии через них, в основном, гидрофильных частиц, таких, как ионы, молекулы органических соединений. При этом перемещение вещества может происходить как против градиента их концентрации, так и по градиенту, то есть из области меньшей концентрации в область большей концентрации. При активном транспорте энергия расходуется, главным образом, или на активацию переносимых веществ, или на изменение конформации белков, специализированных на транспорте вещества через мембрану. Это ферменты: «насосы» или «помпы», например, K±Na⁺-ATO-a3a; каналоформеры — белки, образующие ионные каналы; белки-переносчики. Например, перенос жирных кислот из цитозоля в митохондрии, где происходит их окисление, осуществляет карнитин — низкомолекулярное азотсодержащее соединение. Присоединению жирных кислот к карнитину предшествует их активация, сопряженная с гидролизом АТФ.

Активный транспорт — это регулируемый процесс. Интесивность этого процесса регулируется веществами-регуляторами. При их взаимодействии с клетками-мишенями в них изменяется или интенсивность биосинтеза белков, участвующих в переносе веществ через мембрану, или функциональное состояние каналоформеров.

Поступившие в клетку вещества включаются в метаболизм — процесс, обеспечивающий, во-первых, возможность функционирования дифференцированных клеток организма в соответствии с их специализацией, а во-вторых, поддержание и воспроизведение структуры клеток и тканей организма.

Метаболизм (от греч. metaboU — перемена) — изменение, превращение, обмен веществ в организме, образование из одних веществ других, совокупность регулируемых биохимических реакций. В узком значении слова это химические превращения веществ в клетке. Скорость и направленность биохимических реакций в клетке, то есть интенсивность метаболизма, зависит от активности и набора (пула) в ней биологических катализаторов — ферментов. Активность ферментов регулируется посредством взаимодействия с клеткой химических сигналов — веществ-регуляторов как элементов системы саморегуляции организма.

В метаболизме выделяют два сопряженных, взаимозависимых, протекающих одновременно, но разнонаправленных процесса: катаболизм и анаболизм. Катаболизм — это биохимические процессы, в ходе которых сложные вещества превращаются в более простые. Эти вещества используются или для извлечения энергии и ее аккумуляции в клетке в виде энергетических валют (АТФ, трансмембранных потенциалов), или как материал для биосинтеза эндогенных веществ, то есть включаются в анаболизм. В ходе катаболизма в аэробных условиях, то есть в присутствии кислорода, около 42% химической энергии веществ окружающей среды аккумулируется в клетках гетеротрофных организмов в виде такой энергетической валюты, как АТФ. Остальная энергия рассеивается в виде теплоты.

Анаболизм — это процессы упорядочения, основа создания структуры организма; процессы синтеза собственных веществ организма, создания, поддержания и воспроизведения структуры организма, происходящие с затратой энергии, запасенной в ходе катаболизма.

Энергия, аккумулируемая в клетке в виде энергетических валют, в соответствии с первым законом термодинамики, расходуется на совершение различных видов работы. Во-первых, это химическая работа при биосинтезе различных веществ; во-вторых, это осмотическая работа, обеспечивающая активный транспорт ионов через мембрану, в частности, при генерации и распространении потенциалов действия; в-третьих, это механическая работа в виде энергозависимых изменений конформации, то есть пространственной структуры белков клетки. Такие конформационные изменения белков мембраны: ферментовнасосов, каналоформеров — наблюдаются при активном транспорте, в том числе и сопровождающем электрическую работу, а изменения белков-рецепторов происходят при взаимодействии с ними их лигандов, в частности, веществ-регуляторов. Конформационные изменения сократительных белков клеток необходимы для деления клеток. В мышечной ткани эти изменения пространственной структуры сократительных белков обеспечивают сокращение мышц, а следовательно, возможность перемещения в пространстве структур организма и всего организма в целом.

В соответствии со вторым законом термодинамики, все процессы трансформации энергии в клетках организма сопровождаются теплопродукцией.

Таким образом, химическая энергия веществ среды трансформируется в ходе катаболизма в химическую энергию АТФ. В ходе жизнедеятельности энергия гидролиза АТФ расходуется на процессы биосинтеза эндогенных веществ и конформационные изменения белков клетки, обеспечивающие активный транспорт веществ через мембрану и мышечное сокращение. Все процессы трансформации энергии сопровождаются теплопродукцией.

Интенсивность и направленность метаболизма в клетках организма характеризует уровень их метаболической активности. Предложено выделять три уровня метаболической активности клеток. Это уровень поддержания, готовности и активного обмена (метаболизма). Уровень поддержания — это минимальная интенсивность метаболизма, достаточная для сохранения клеточной структуры, ее снижение приводит к гибели клетки. Уровень готовности — интенсивность метаболизма в клетке, имеющей резервы для перехода к уровню активного обмена. Такими резервами может быть, например, определенный запас в клетке энергетических валют, определенное количество неактивных форм ферментов (проферментов). Уровень активного обмена — это интенсивность метаболизма в активно функционирующей клетке. Существование этих различий в метаболической активности клеток позволяет выделять различные уровни функциональной активности клеток организма. Таких как дифференцированные клетки, входящие в состав определенных тканей и органов и находящиеся в разных фазах клеточного цикла, клетки в состоянии жизни, старения (senescence), или гибели (апоптоза или некроза), а также стволовые клетки (в том числе в состоянии quiescence — «спящем» состоянии, в покое) и пролиферирующие прогениторные клетки. От этого уровня функциональной активности отдельных клеток зависит уровень функционирования отдельных органов и всего организма в целом.

Уровни функциональной активности дифференцированных клеток различных органов, а следовательно, и уровень функционирования этих органов и всего организма контролируется и регулируется. Управление осуществляется посредством сигналов, генерируемых элементами системы саморегуляции организма.

Как упоминалось, в организме человека такими сигналами, передающими команду о необходимости изменения уровня функциональной активности определенной группы клеток организма, являются сигналы, генерируемые клетками регуляторных систем. Это, во-первых, химические, а во-вторых, электрические сигналы.

Химическими сигналами являются вещества-регуляторы. В зависимости от места синтеза и действия, среди них можно выделить такие группы, как эйкозаноиды, цитокины, тканевые гормоны, нейромедиаторы, гормоны желез внутренней секреции. Эти сигнальные молекулы имеют различную химическую природу. Это производные полиненасыщенных жирных кислот, стероиды, азотсодержащие вещества: аминокислоты и их производные, такие, например, как биогенные амины, полипептиды, белки, нуклеотиды, азотистые основания нуклеотидов.

Приемниками этих химических сигналов являются клетки организма, называемые клетками-мишенями. Эти клетки имеют специальные белки-рецепторы, способные избирательно присоединять сигнальную молекулу или вещество-регулятор. Рецепторы могут располагаться на внешней поверхности мембраны клетки, в цитоплазме, на мембране ядра клетки или в ядре клетки-мишени. Из клетки, синтезирующей их, вещества-регуляторы поступают в межтканевую жидкость и (или) кровь. Одни из них действуют телекринно, т. е. взаимодействуя с клетками-мишенями, расположенными на значительном расстоянии от места синтеза сигнальной молекулы, как, например, гормоны желез внутренней секреции. Другие вещества-регуляторы взаимодействуют с клетками-мишенями, расположенными вблизи от клеток, синтезирующих их, т. е. действуя паракринно. Так действуют многие тканевые гормоны, нейромедиаторы, цитокины. Есть вещества-регуляторы, действующие аутокринно. Они изменяют уровень функциональной активности той клетки, где они синтезированы. Это эйкозаноиды — группа веществ каскада арахидоновой кислоты.

Таким образом, поскольку все эти химические сигналы обладают избирательностью действия, то при их взаимодействии с клетками организма наблюдаются изменения уровня функциональной активности только определенных клеток организма.

Несмотря на то что эти химические сигналы имеют различную химическую природу и синтезируются в клетках разных регуляторных систем, в данной работе эти вещества объединены общим понятием — вещества-регуляторы. Основанием к такому объединению химических сигналов в одну группу является их мишенное, избирательное взаимодеиствие с клетками организма, сходные механизмы их взаимодействия и одинаковые варианты конечных результатов этих взаимодействий с клетками-мишенями.

Сходство механизма действия веществ-регуляторов заключается в наличии «посредников» между ними и вариантом конечного результата взаимодействия. Посредники, или вторичные мессенджеры, — это вещества, активируемые, вовлекаемые в процесс взаимодействия в клетке при соединении вещества-регулятора со специфичным ему белком-рецептором. Вариантами конечных результатов взаимодействия веществ-регуляторов с клетками-мишенями являются или изменение функционального состояния, или изменение интенсивности биосинтеза определенных белков клетки: ферментов, каналоформеров, переносчиков, рецепторов, шаперонов, веществ-регуляторов. Следствием этих событий является изменение интенсивности или определенного биохимического процесса, включенного в метаболизм, или переноса вещества через биологическую мембрану, т. е. в конечном итоге изменение уровня функциональной активности клетки, в том числе и переходы от одной фазы ее жизненного цикла к другой.

Электрические сигналы, как регуляторные, управляющие, так и сигналы обратной связи, возникают и распространяются по клеткам возбудимых тканей, таких, как нервная и мышечная. В местах контакта нейронов друг с другом и нейронов с мышечными волокнами имеются специализированные морфологические структуры — синапсы. В химических синапсах происходит трансформация электрического сигнала в химический и обратная трансформация этого химического сигнала в электрический сигнал. В электрических синапсах, которые имеются между некоторыми нейронами головного мозга и клетками проводящей системы сердца, наблюдается передача электрических сигналов с одной клетки на другую без их трансформации в химические.

Химическими сигналами, действующими в синапсах или в местах контакта окончаний нейронов с клетками различных тканей, являются такие вещества-регуляторы, как нейромедиаторы (нейротрансмиттеры). Нейромедиатор, синтезированный в синапсе между нейронами, выделяется из пресинаптического нейрона в синаптическую щель и диффундирует к белку-рецептору постсинаптического нейрона. Медиатор, выделяемый нервным окончанием нейрона, контактирующего с клетками различных органов, выделяется в межклеточную жидкость и также взаимодействует с белками-рецепторами клеток органа, находящихся вблизи него.

Функциональная активность дифференцированных клеток различных органов и уровень функционирования образованных ими тканей и органов, а также всего организма в целом взаимосвязаны с интенсивностью тепломассопереноса в организме. Перенос вещества внутри организма и между организмом и средой — это функция пищеварительного тракта, печени, сердца, кровеносной системы, легких, почек. Теплопродукция осуществляется всеми клетками организма, но основным генератором тепла в организме является печень, в которой протекает большое количество разнообразных биохимических процессов. Интенсивная теплопродукция происходит также при функционировании скелетной мускулатуры, обеспечивающей различные виды физической активности. Кровеносная система обеспечивает как перенос вещества в организме, так и теплоперенос, в том числе и перенос теплоты от поверхности тела к внутренним органам и в обратном направлении. Интенсивность потока теплоты между организмом и средой зависит от функционального состояния покровов тела, прежде всего, от интенсивности их кровоснабжения.

Уровень функционирования внутренних органов регулируется, главным образом, посредством изменения в них интенсивности кровотока. Она, в свою очередь, зависит от просвета кровеносных сосудов. Просвет сосудов изменяется в зависимости от состояния их гладкой мускулатуры. Итак, регуляция функциональной активности клеток организма и уровня функционирования органов осуществляется, главным образом, через регуляцию состояния гладкой мускулатуры кровеносных сосудов, осуществляемую нервной системой и веществами-регуляторами.

В ходе жизнедеятельности происходят переходы организма из одного состояния в другое. Такими состояниями организма являются, прежде всего, сон и бодрствование. В состоянии сна у человека выделяют периодически повторяющиеся промежутки (фазы) «медленного» и «быстрого» (парадоксального) сна. Сон имеет большое значение в жизнедеятельности не только как период снижения энергозатрат на функционирование скелетной мускулатуры и на прием информации из окружающей среды. Во время сна происходит усиление контроля за состоянием внутренней среды и функциональным состоянием внутренних органов, устраняется рассогласование ритмов их работы, которое может происходить в период бодрствования. Считается, что сон имеет большое значение для психической деятельности, в частности, для запоминания и анализа информаций, поступившей в период бодрствования.

В период бодрствования можно выделить состояния, отличающиеся уровнем функционирования, прежде всего, скелетной мускулатуры и балансом уровней функционирования внутренних органов. Это покой и различные виды физической активности, сопровождающие взаимодействия со средой, то есть включенные в различные формы поведения. Каждому из этих состояний организма соответствует определенная функциональная активность клеток различных органов и баланс уровней их функционирования. Необходимость перехода от одного функционального состояния организма к другому определяется параметрами внутренней среды и состоянием внешней среды.

В регуляции перехода организма от одного состояния к другому большое значение имеют биологические часы. Они регулируют, прежде всего, переход от сна к бодрствованию, от покоя к различным видам активности. Регуляторные влияния биологических часов модулируются сезонными, суточными изменениями окружающей среды, состоянием внутренней среды организма, режимом социальной активности человека. Условия существования организма влияют на работу биологических часов, а могут и необратимо нарушать задаваемые ими биологические ритмы активности внутренних органов. Это ухудшает качество жизни и может являться причиной заболеваний.

Организм является открытой системой, находящейся в стационарном состоянии. Стационарное состояние живых систем, или устойчивое неравновесие (по Бауеру), проявляется в их способности сохранять относительное постоянство некоторых параметров внутренней среды при изменении своего состояния, независимо от интенсивности тепломассопереноса и обмена информацией между организмом и средой.

Внутренняя среда организма — это совокупность биологических жидкостей (кровь, лимфа, межклеточная жидкость). Физико-химические характеристики этих жидкостей, наличие в них определенных веществ и их концентрация значимы для транспорта веществ в клетки организма и для метаболизма в них. В широком значении внутренняя среда, в противопоставление понятию внешняя среда, — это не только жидкости внутрисосудистого и межклеточного пространства организма, а также состав и количество клеток в различных тканях организма, находящихся в определенной фазе клеточного цикла.

Способность посредством саморегуляции сохранять в ходе жизнедеятельности постоянство некоторых параметров своей внутренней среды совершенствовалась и развивалась в ходе эволюции живых систем. Это регулируемое постоянство некоторых параметров внутренней среды называют гомеостазом (от греч. homoiosis — подобный, одинаковый и stasis — неподвижность, состояние), а параметры внутренней среды, «удерживаемые» системой регуляции организма на постоянном уровне, — константами гомеостаза.

В широком понимании значения этого термина (по В. Кэннону), гомеостаз — это совокупность скоординированных реакций, обеспечивающих поддержание или восстановление постоянства внутренней среды живых систем. В данной работе для удобства описания жизнедеятельности животных и человека термин гомеостаз используется в узком значении — как постоянство внутренней среды.

Константами гомеостаза, т. е. параметрами внутренней среды, относительное постоянство которых необходимо для жизнедеятельности, являются, прежде всего, температура, реакция среды, оцениваемая по водородному показателю — pH, концентрация различных веществ в жидкостях организма и его клетках и взаимосвязанное с ней осмотическое давление. Отклонение от определенной величины хотя бы одной из этих констант гомеостаза в течение непродолжительного времени может приводить к необратимым изменениям в организме и его гибели, так как эти константы определяют оптимальную активность ферментов и интенсивность переноса вещества через биологические мембраны.

Так pH крови поддерживается на значении около 7,36 для венозной крови и 7,4 — для артериальной крови. Отклонение pH на величину, большую, чем 1, т. е. изменение концентрации ионов водорода в 10 раз, несовместимо с жизнью.

Оптимальной для жизнедеятельности температурой тела человека считается температура 36,6 °С (при измерении ее в подмышечной впадине). От температуры зависит количество активных молекул, а также состояние водородных и ковалентных связей внутри молекул белков, что влияет на их конформацию, а значит и на функциональные свойства.

Если осмотическое давлением плазмы крови превышает величину 7,6 атм, то возникает угроза осмотического плазмолиза клеток крови. При этом вода выходит из клеток, их объем уменьшается, и ухудшается функциональное состояние. При снижение данной константы гомеостаза ниже величины 7,3 атм начинается осмотический гемолиз клеток крови, т. е. вода поступает в клетки, происходит увеличение их объема, разрыв мембран и гибель клеток.

Некоторые константы гомеостаза могут изменяться в более широких пределах. Так, в организме человека циркулирует около 4,5—5 л крови, но при физических нагрузках этот объем может возрастать за счет включения в циркуляцию крови, находящейся в «депо»: селезенке, печени, костном мозге. Вместе с тем, кровопотеря в объеме, превышающем 2/3 ее общего объема в организме, представляет угрозу для жизни.

Регуляцию гомеостаза осуществляют регуляторные системы организма, изменяющие уровень функциональной активности клеток определенных органов, т. е. интенсивность в них процесса трансформации энергии и биосинтезов различных веществ.

В поддержании стационарного состояния организма большое значение имеет резерв эндогенных веществ организма, таких как гликоген печени и мышечной ткани, а также резервные липиды жировых депо и белки плазмы крови. Наличие этих веществ позволяет обеспечить функционирование организма в течение некоторого времени даже при отсутствии поступления в него воды и питательных веществ из окружающей среды.

Функционирование организма человека как открытой системы, находящейся в стационарном состоянии, сопровождается не только тепломассопереносом, но и передачей информации в организме и обменом информацией между организмом и средой. В приеме и обработке этого потока информации первостепенное значение имеет нервная система. Ее элементы осуществляют как передачу, так и прием коммуникативных сигналов различной природы из внутренней среды организма и из окружающей его среды. Межнейронная коммуникация является основой функционирования нервной системы. Она обеспечивает возможность протекания психофизиологических процессов, сопровождающих организацию и реализацию различных форм поведения. Такими процессами являются возникновение потребностей, формирование мотиваций, работа механизма эмоций, в том числе, и возникновение субъективных переживаний, а также процессы формирования памяти, когнитивная и рассудочная деятельность.

Коммуникация животных (людей) друг с другом как часть различных форм поведения, как элемент взаимодействия организма с окружающей средой обеспечивает поступление в организм из среды информации, значимой для его жизнедеятельности и самосохранения. Так, для жизнедеятельности не только животных, но и человека важны различные каналы связи, обеспечивающие прием и передачу коммуникативных сигналов. В различные формы поведения включены химическая, акустическая, ольфакторная, тактильная коммуникации, а также коммуникация, основанная на зрительном восприятии различных поз, локомоций, мимических реакций. У человека это так называемая невербальная коммуникация. В ходе биологической эволюции происходило развитие коммуникативных способностей животных. Следствием этого было появление у некоторых видов приматов и развитие у человека способности к вербальной коммуникации, что обеспечивает возможность «сжатия информации», увеличивает скорость и объем передаваемой информации. Отличительной чертой социальной эволюции, так же как и эволюции биологической, является создание новых способов и средств коммуникации, увеличение скорости обработки информации.

Таким образом, организм человека — это открытая организованная система, находящаяся в стационарном состоянии. Регуляторные системы организма, нервная, иммунная и эндокринная системы управляют уровнем функциональной активности клеток организма, т. е. интенсивностью и направленностью метаболизма в них. Это обеспечивает возможность протекания жизнедеятельности как совокупности процессов, в ходе которых сохранение гомеостаза сопряжено с возможностью переходов организма к различным вариантам его состояний, отличающихся интенсивностью тепломассопереноса и передачей информации в организме и между организмом и окружающей его средой.