Основные особенности эволюции гормональных регуляторных механизмов

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).

Обратная связь как один из ведущих механизмов в регуляции функций организма

Процесс саморегуляции постоянно сохраняет циклический характер и осуществляется на основе правила: какое--либо отклонение от константного уровня любого жизненного фактора служит толчком к немедленной мобилизации аппаратов, вновь восстанавливающих этот постоянный уровень.

По своей природе физиологическая саморегуляция является автоматическим процессом. Факторы, отклоняющие константу, и силы, ее восстанавливающие, всегда находятся в определенных количественных соотношениях. В этом физиологическая саморегуляция тесно соприкасается с закономерностями, сформулированными кибернетикой, теоретическим стержнем которой является автоматическая регуляция заданного фактора при помощи замкнутого контура с обратной связью. Наличие обратной связи уменьшает влияние изменений параметров системы на работу ее в целом, обеспечивает также ее стабилизацию и устойчивость, улучшает переходные процессы, обеспечивает повышение ее помехоустойчивости.

Рис. 2.5 Гомеостатическая система управления. Стрелками показаны направления воздействий.

Как уже указывалось, связь выхода системы с ее входом через усилительное звено с положительным коэффициентом усиления -- положительная обратная связь, с отрицательным усилением --отрицательная обратная связь (рис. 2.5). Положительная обратная связь повышает коэффициент усиления и обеспечивает возможность управления значительными потоками энергии, затрачивая при этом малые энергетические ресурсы. Заметим, однако, что в биологических системах положительная обратная связь реализуется в основном в патологических ситуациях. Отрицательная обратная связь обычно улучшает устойчивость системы, т. е. ее свойство возвращаться к первоначальному состоянию после прекращения влияния внешнего возмущения. Требование устойчивости -- одно из основных требований для системы управления, так как устойчивость определяет, как правило, работоспособность всей системы.

Обратные связи в организме обычно иерархичны, накладываются одна на другую и дублируют друг друга. Их можно делить по разным категориям, например, по постоянной времени -- на быстродействующую нервную и более медленную гуморальную и т. д. Например, ту же систему регулирования сахара в крови следует рассматривать как многоконтурную.

В 30--е гг. советский биолог М. М. Завадовский на основании изучения гуморальных механизмов регуляции в растущем организме выдвинул общебиологический принцип регуляции процессов развития и гомеостаза «плюс -- минус взаимодействие». Сущность этой концепции сводится к следующему. Если между двумя органами (процессами) имеется непосредственная связь, причем первый орган (процесс) стимулирует второй, то второй тормозит первый, и наоборот. В сущности, речь идет о механизме обратной связи. При этом прямая и обратная связи между органами и процессами имеют противоположные знаки: плюс--минус, минус--плюс. Такого типа связи обеспечивают животному и человеку свойства саморегулирующейся системы с высокой степенью устойчивости.

В ходе исследования роли афферентной информации в осуществлении локомоторных актов Н. А. Бернштейн выдвинул идею о сенсорных коррекциях, в соответствии с которой непрерывное участие потока афферентной сигнализации контрольного или коррекционного значения является необходимым компонентом двигательных реакций. Каждый случай упорядоченного реагирования представляет собой непрерывный циклический процесс взаимодействия организма с меняющимися условиями окружающей или внутренней среды. При этом огромную роль играет контролирующая коррекционная афферентация.

Другой советский физиолог, П. К. Анохин, еще в 30--е гг. и, пожалуй, впервые четко обосновал понятие обратной, или санкционирующей, афферентации, т. е. обязательной при любом действии импульсации, которая идет от рецепторов в ЦНС и информирует о результатах произведенного действия, соответствующего или не соответствующего намеченной цели. При дальнейшей разработке механизма последний получил название акцептора результата действия.

Примеров осуществления обратных связей в организме множество. Рассмотрим лишь некоторые процессы регулирования в нервной системе. Распространение нервных влияний отдаленно напоминает железнодорожное движение от одной станции до другой. Грузооборот станции определяется в основном не ее величиной, количеством помещений и т. д., а густотой и пропускной способностью ее линий связи с другими станциями. Аналогичным образом и в нервной системе упор в регуляции зачастую делается на доклеточное звено -- синаптический аппарат. Подобно семафорам и стрелкам, перед которыми часто останавливается движение, в нервной системе осуществляется пресинаптическое регулирование. Суть его заключается в том, что импульсы возбуждения, бегущие по одним волокнам, благодаря специализированному промежуточному нейрону затрудняют распространение таких же импульсов по другим нервным волокнам и «поезд останавливается перед семафором».

В центральной нервной системе существует еще один вид регуляции, пожалуй, наиболее изученный, осуществляемый на выходе рефлекторной дуги, --возвратное торможение. В этом случае импульсы, распространяющиеся от моторной клетки к мышцам, частично возвращаются в спинной мозг и через специализированный промежуточный нейрон -- клетку Реншоу -- уменьшают активность тех же или других моторных нейронов, десинхронизируя их деятельность. В результате этого мышечные волокна сокращаются не одновременно, что обеспечивает плавность мышечных движений. Пример с мотонейронами спинного мозга, возможно, самый яркий, но вообще подобные способы саморегуляции рефлекторной деятельности по типу отрицательной обратной связи широко распространены в ЦНС.

Значение механизмов обратной связи в поддержании гомеостаза чрезвычайно велико. Так, поддержание константного уровня кровяного давления всегда является следствием взаимодействия двух сил: нарушающей этот уровень и восстанавливающей его. В результате увеличенной импульсации из барорецептивных областей (главным образом синокаротидной зоны) снижается тонус вазомоторных симпатических нервов и повышенное кровяное давление нормализуется. Депрессорные реакции в норме оказываются сильнее прессорных реакций.

Увеличение содержания в крови катехоламинов -- адреналина и норадреналина -- при их инъекции или при естественной реакции организма на внешнее воздействие приводит к активации периферических эффекторных образований, тем самым имитируя возбуждение симпатического отдела нервной системы, но при этом препятствует дальнейшему высвобождению и синтезу таких соединений.

Рефлекторный принцип регуляции функций

В основе представлений о нейрогуморальной регуляции функций лежит учение о рефлексе. Рефлексом называют любую ответную реакцию организма, осуществляющуюся с участием нервной системы.

Структурной основой осуществления таких реакций является рефлекторная дуга, включающая пять звеньев: рецепторы, воспринимающие воздействие раздражителей; афферентные нейроны,связывающие своими отростками рецепторы с центрами нервной системы и обеспечивающие центростремительное проведение сигнала; промежуточные, или вставочные, нейроны, представляющие собой центральную часть рефлекторной дуги, или нервный центр; эфферентные нейроны, по аксонам которых происходит центробежное проведение сигналов к периферическим органам и тканям:эффекторы, или исполнительные органы (поперечнополосатые скелетные или гладкие мышцы внутренних органов, железы), осуществляющие соответствующую рефлекторную деятельность.

Во всех учебниках утверждается, что замыкательное звено рефлекторной цепи -- центральная нервная система. Это в подавляющем числе случаев так, однако в недавнем прошлом в ряде отечественных и зарубежных лабораторий описаны и местные рефлексы, замыкающиеся в периферических автономных ганглиях. Именно они во многом восстанавливают и обеспечивают функции децентрализованных или пересаженных внутренних органов.

Разбирая структуру рефлекторной дуги, надо иметь в виду, что она является замкнутой. Поступая в кровь, физиологически активные вещества (прежде всего медиаторы и гормоны) составляют в определенных условиях гуморальное звено рефлекторной дуги. Они передают в спинной и головной мозг соответствующую информацию, под влиянием которой возникает поток нервных импульсов из ЦНС в эффекторные органы.

Классическая рефлекторная дуга, таким образом, усложняется, превращаясь в многозвенное кольцо, в котором нервное звено сменяется гуморальным, а гуморальное -- .нервным.

Определенные рефлекторные реакции могут включать различное количество рецепторов, афферентных и эфферентных нейронов и сложные процессы взаимодействия возбудительных и тормозных процессов в центрах нервной системы. Области тела, в пределах которых расположены специализированные рецепторы, раздражение которых обусловливает строго определенные рефлексы, получили название рефлексогенных зон, или рецептивных полей.

Афферентный путь проведения информации от рецепторов в ЦНС обычно включает в себя биполярный нейрон спинальных ганглиев. Помимо этого пути чувствительными проводниками могут служить вегетативные нейроны -- клетки Догеля II типа, способные образовывать релейные соединения на различных уровнях нервной системы.

В отличие от редких случаев, отмеченных для соматических нервных образований (регуляция деятельности скелетных мышц), для всех вегетативных рефлексов характерна полисинаптичность рефлекторной дуги. Структурная и функциональная организация нервных центров наиболее изучена на уровне спинного и продолговатого мозга. Надсегментарные рефлекторные процессы, довлеющие над ними и вовлекающие миллионы и миллиарды нейронов разной морфологической, физиологической и химической природы, изучены гораздо хуже. Необходимо учитывать, что нервные импульсы при всяком рефлекторном акте способны широко распространяться в центральной нервной системе по многочисленным проводящим путям, включая стохастически функционирующие интернейроны.

Благодаря иррадиации возбуждения в ЦНС через один афферентный вход воздействие может распространиться на значительное число эфферентных нейронов. Взаимоотношения между рефлексами -- содружественные и антагонистические, их цепной характер -- предмет особого подробного рассмотрения. Не менее подробного освещения заслуживают и процессы интеграции, синтеза разнородных по своей природе возбуждений в ЦНС.

Особое внимание должен привлечь феномен доминанты, сформулированный академиком А. А. Ухтомским как временно господствующая рефлекторная система, направляющая работу нервных центров в данный момент. Интимные механизмы доминанты не определены, феноменология же ее вполне конкретна. Предварительно подготовленное импульсами своей рефлекторной дуги, подкрепленное в результате суммации влияниями из постороннего источника, возникающее в доминантном очаге возбуждение тормозит прочие рефлексы на очередные раздражители.

В развитии рефлекторной теории чрезвычайно важный вклад был сделан И. М. Сеченовым, распространившим понятие рефлекторных актов на все характеристики поведения человека, в том числе и на его психические проявления. Однако упрощенное понимание рефлекса как механизма, заканчивающегося унитарным рефлекторным действием, по существу «останавливало» понимание динамики развития поведения организма и не полностью раскрывало приспособительное значение рефлексов. Учение об условном рефлексе И. П. Павлова позволило сделать существенный шаг вперед в развитии рефлекторной теории и познании механизма рефлекторного действия. Ниже рассмотрены общие понятия о системах.

Конкретным аппаратом саморегуляции функций организма является функциональная система, представляющая обширное взаимодействие центральных и периферических образований, составляющих совокупно действующий комплекс с определенными физиологическими свойствами. Такой аппарат может включать в себя различные анатомические образования, комбинации гуморальных веществ, объединенных взаимозависимостью и соучастием в каких--либо приспособительных реакциях организма.

Каждая функциональная система, по определению П. К. Анохина, представляет собой до некоторой степени замкнутую систему благодаря тому, что позднее назвали «обратной связью», осуществляемой с периферических исполнительных органов. Таким образом, каждая функциональная система имеет определенный комплекс афферентных посылов, который через акцептор действия определяет выполнение функции. Так, при дыхательном акте афферентные импульсы следуют от диафрагмы, трахеи, легких, межреберных мышц. Несмотря на их различное происхождение, эти влияния интегрируются в центральной нервной системе путем временных и тонких соотношений между ними.

В организме существуют и регуляторные системы, работающие не по принципу рассогласования, а с учетом оценки величины поступающего сигнала, который нарушает состояние системы. Толчком к их деятельности служит отклонение от заданной величины не на выходе, а на входе системы, т. е. действие на систему раздражителей, отличающихся от заданных параметров. На входе этого регулятора «по возмущению» имеются устройства, которые улавливают и оценивают величину поступающего сигнала, нарушающего состояние системы. Если эта величина превышает допустимую и способна вызвать нежелательные отклонения в состоянии системы, то возникают команды, обеспечивающие нейтрализацию влияния этих сигналов и сохранение стабильного состояния системы. В этой ситуации происходит не восстановление уже нарушенного состояния системы, а предупреждение возможности таких нарушений.

Пример пресинаптического торможения в нервной системе приводился, но надо иметь в виду, что оно является только частным проявлением пресинаптического регулирования. Пресинаптические терминали с их богатым рецепторным аппаратом во многих случаях являются ареной действия гуморальных веществ, в результате чего и осуществляется коррекция синаптического процесса и рефлекторной дуги в целом.

В регуляторных, защитных, компенсаторных -- любых физиологических реакциях имеет место взаимодействие обоих принципов и обоих механизмов регуляции, функционирующих на входе и выходе системы.

Для любой функциональной системы необходимо получение информации о ее состоянии, о величине поступающих сигналов и возникающих при этом сдвигах в ее деятельности. Необходим аппарат сличения параметров этих сдвигов или параметров поступающих сигналов с величиной наличных и нормальных для данной системы параметров. 'Конечно, необходим аппарат, формирующий команды, предотвращающие эти сдвиги. Действие этих команд осуществляется путем нормализации уже возникших отклонений и предупреждением нежелательных эффектов возмущающего входного сигнала посредством уменьшения силы сигнала, снижения чувствительности системы к данному возмущающему действию или предотвращения его.

Абсолютным условием саморегуляторных приспособлений организма является наличие следующих факторов, придающих функциональной системе определенную направленность действия.

1. Достигаемый в результате регуляции приспособительный эффект или константа жизненно необходимы для организма. Такие жизненно важные константы определяются генотипически. Функциональная особенность каждой саморегуляции зависит от того, насколько она податлива действию внешних и внутренних факторов, ее отклоняющих. Пример «жесткой» функциональной, системы (осмотическое давление крови) и «пластичной» (уровень кровяного давления) уже приводился.

2. Саморегуляция -- циклический, фазовый процесс, разыгрывающийся на вполне конкретном аппарате структур и механизмов, составляющих в совокупности функциональную систему. Все саморегуляторные приспособления диктуются фактом отклонения конечного приспособительного эффекта или несоответствия силы входного возмущающего сигнала потребностям системы.

3. Одним из обязательных условий саморегуляции является информация о конечном приспособительном эффекте в центральные регулирующие аппараты организма, так же как и нивелирование нежелательных или чрезмерных влияний «на входе» системы.

4. В зависимости от широты охвата органов и систем типы саморегуляции могут быть различными по характеру. Одни из них осуществляются с помощью аппаратов функциональных систем, компоненты которых не выходят за пределы организма и потому конечный приспособительный эффект достигается на основе внутренних циклов организма. К этой категории регуляций относится уже упоминавшийся контроль уровня сахара в крови.

Примером работы функциональных систем с обширным комплексом внешних факторов является саморегуляция количества питательных веществ, находящихся в кровяном русле. Они служат источником обмена веществ в тканях, и потому их истощение является непрерывным процессом, отражающим трату энергии организмом. Специфический рецепторный аппарат этой достаточно пластичной константы, по--видимому, расположен в латеральной области гипоталамуса. Уменьшение уровня питательных веществ ведет к активации гипоталамических образований, вовлечению в реакцию подкорковых, и корковых центров, что проявляется в возникновении объективного ощущения голода. Параллельно организуются специфические поведенческие акты, которые в целом получили названиепищедобывательного поведения. После добычи пищи, ее переработки в желудочно--кишечном тракте, всасывания в кровь, концентрация питательных веществ в ней повышается и этим самым снижается возбужденное состояние пищевых центров гипоталамуса.

5. В случае экстремального воздействия на организм саморегулирующиеся системы формируют защитно--приспособительные акции, сохраняют постоянство конечного приспособительного эффекта и в сумме подчиняются ряду общих законов развития. Среди этих законов важнейшим является тот, который определяет соотношение воздействующего и защитного эффектов. В условиях нормального протекания саморегулирующихся процессов сила максимально возможного защитного приспособления организма всегда должна быть большей, чем выраженность максимально возможного отклонения данного приспособительного конечного эффекта от константного уровня.

Например, как бы ни было высоко кровяное давление, количество возникающих на периферии депрессорных влияний в сумме должно быть более сильным, чем те факторы, которые отклоняют уровень кровяного давления. В этом и состоит причина того, что в норме, несмотря на эпизодические подъемы кровяного давления, оно непременно возвращается к исходному уровню, обеспечивая оптимальное снабжение органов кровью.

Не менее важным свойством саморегулирующихся систем является опережающая мобилизация тех нервных импульсаций, которые возникают в рецепторах приспособительного эффекта. Мобилизация защитных приспособлений организма происходит в значительно большей степени, чем нарастание отклоняющих факторов. Отмеченная закономерность приводит к тому, что с каждым новым этапом нарастания отклонения происходит несоответственно высокая мобилизация обратной информации в центральную нервную систему. Способность саморегулирующихся функциональных систем сопротивляться отклонениям с помощью прогрессирующей мобилизации защитных приспособлений с повышающейся силой охраняет жизненно важные константы, делает маловероятными отклонения от нормы.

Общие черты компенсаторно--приспособительных реакций организма

Компенсаторные реакции -- первичные адаптивные сдвиги, направленные на устранение или ослабление нарушенной структуры или функций живых систем, вызванных повреждающими или экстремальными воздействиями среды. Компенсаторные механизмы -- динамичные, быстро возникающие физиологические средства аварийного обеспечения, развивающиеся на различных уровнях -- от молекулярного до организма в целом. Эти механизмы мобилизуются при попадании организма в неадекватные условия и постепенно затухают в ходе развития адаптационного процесса.

В широком смысле компенсация нарушенных функций (полная или частичная, завершенная или временная) всегда является «физиологической мерой организма», направленной на восстановление его рабочих констант. Оценивая физиологическое содержание всех видов нарушенных функций организма (перенапряжение, болезнь, травма и т. д.), можно сделать заключение, что компенсация во многом является универсальным процессом и отличается лишь в отдельных случаях нарушения физиологических систем специфическими и количественными признаками (быстротой включения компенсаторных механизмов, широтой вовлекаемых резервных механизмов, степенью участия коры головного мозга и пр.).

В дидактических целях иногда выделяют внутриклеточные, тканевые, органные, системные и межсистемные Компенсаторные реакции. Однако в целом организме эти процессы на более низком уровне организации зачастую развертываются на основе ограниченного числа общих стандартных механизмов и интегрированы межсистемными компенсаторными реакциями.

В организме, представляющем собой единую гомеостатическую систему, в результате непрерывного нейрогуморального взаимодействия компонентов этой системы формируется их функциональная сопряженность. В том случае, если функциональный дефект выражен сильно и не может быть компенсирован на местном уровне перестройкой активности поврежденной структурой, тогда компенсаторная реакция приобретает генерализованный характер, охватывает многие системы организма и на всех уровнях их организации. Она начинается с осуществления срочных, а затем более долговременных компенсаторных реакций.

Механизмы компенсаций являются составной частью резервных и защитных сил организма, формируют надежность живых систем, т. е. их способность выполнять определенные функции (безотказную работу) в течение некоторого времени. Надежность, как и определяющие ее факторы, совершенствуется в процессе онтогенеза. На основе компенсаторных механизмов формируются условнорефлекторные реакции на обстановку, а также функциональные системы, обеспечивающие организму необходимую резистентность и целенаправленное поведение в неадекватных условиях. Вместе со специфическими компенсаторно--приспособительными реакциями в организме складываются и неспецифические. Осуществление компенсации нарушенных функций, свойство надежности физиологических систем обеспечивается рядом правил:

1. Правило исходного состояния (фона) постулирует зависимость направленности и величины эффекта регулирующего воздействия от исходного значения метаболизма и функции регулирующей системы. Если перед действием регулирующего сигнала обмен веществ и функция системы снижены, то регулятор вызывает максимальный эффект. И наоборот, при активированном состоянии объекта в ответ на стимулирующий регуляторный сигнал отмечается слабый эффект или его отсутствие.

2. Правило компенсаторной клеточной регенерации и гиперплазии ткани представляет собой реализацию общебиологической способности тканей к росту и диффёренцировке. Эта способность зависит от соотношения ряда факторов, в частности, гормонов--регуляторов и ингибиторов клеточного роста в микросреде клеток. К числу регуляторов относятся инсулин, соматотропин, тиреоидные и, возможно, другие гормоны, а также полипептидные ростовые факторы клеточного происхождения: фактор роста нервов, эпидермиса, фибробластов, тромбоцитарный и трансформирующий факторы роста. В реализации процессов регенерации и гиперплазии играют роль также и ростовые ингибиторы, к числу которых относят простагландины, циклические нуклеотиды и кейлоны.

3. Правило избыточности. Он связан с существованием гораздо большего, чем необходимо для осуществления функции, числа элементов. Притом выявляется не только структурная, но и функциональная информационная избыточность. В технических системах с возрастанием количества элементов снижается надежность их функционирования. С усложнением живых систем, напротив, надежность работы возрастает в связи с улучшением механизмов их регулирования.

4. Правило дублирования в системах регулирования проявляется не только присутствием в организме одинаковых структур, например, парных органов (почки, легкие, надпочечники), но и существованием многочисленных структур с одинаковой функцией (клетки разных тканей, нейроны мозга, нефроны почек и др.). Особенно демонстративны примеры дублирования в работе ЦНС. Экспериментальные данные свидетельствуют, что имеется выраженный динамизм мобилизации определенных структур мозга при получении одного и того же эффекта. Различные нейронные ансамбли ЦНС могут участвовать в реализации не одного, а нескольких механизмов системной деятельности. Степень участия той или иной ансамблевой структуры на каждом из этапов осуществления системных процессов является различной, изменчивой по мере образования и закрепления адаптивных навыков.

Способность мозга к компенсации нарушенных функций не является жестко регламентированной, неизменной. Она предполагает достаточно длительную перестройку предшествующих отношений между центром и периферией, замену их новыми функциональными отношениями на основе длительной тренировки, упражнения.

Вклад различных отделов мозга в компенсацию функций организма не одинаков. Решающее значение в осуществлении приспособительных перестроек имеет кора больших полушарий мозга. Если у животных, достигших предела компенсации после предшествующих различных нарушений деятельности внутренних органов, удалить кору больших полушарий, то у них наблюдается вторичная длительная декомпенсация функций, приобретающая в ряде случаев характер необратимых нарушений. Удаление высшего отдела мозга у животных с последующим повреждением других отделов ЦНС превращало их в глубоких инвалидов, и компенсации функций у них не наступало. Компенсаторные возможности изменяются в ходе постнатального онтогенеза: у молодых животных при тех же видах оперативного вмешательства, что и у взрослых, они намного выше.

Еще один пример: роль множества параллельно действующих контуров регуляции висцеральных органов. Надежности работы, резистентности внутренних органов при патологии способствуют особенности их сложной автономной (вегетативной) иннервации, и прежде всего, наличие внутриорганных метасимпатических рефлекторных дуг (см. главу 5). Установлены многозвенные и многоэтажные цепные реакции, морфологическим субстратом осуществления которых являются кольцевые взаимосвязи внутренних органов, сосудов, желез внутренней секреции. Так, целая гамма периферических рефлексов (пусковых, стимулирующих и тормозящих корригирующих) отмечена во взаимоотношениях кишки, желудка, жёлчного пузыря, мочевыводящих путей.

5. Правило резервирования функций связан с существованием в системе «дежурных» и «резервных» элементов, способных переходить от покоя к деятельности. Чаще всего это происходит при интенсификации функционирования. Например, для увеличения силы мышечного сокращения мобилизуются дополнительные двигательные единицы из числа молчавших б--мотонейронов спинного мозга. Вовлечение резервных элементов особенно важно при повреждениях функциональной системы. Зачастую это обеспечивает сохранение функции.

6. Правило периодичности функционирования составляющих элементов определяет особенности поведения системы в состоянии покоя. В тканях происходит смена открывающихся и закрытых капилляров, в легких -- вентилируемых альвеол, в мозговых центрах -- активных нейронов и т. д. Выявлена вероятность (стохастичность) нейрональной активности, особенно в высших отделах мозга. Вариабельность реакций нейронов не является помехой в деятельности ЦНС, она обеспечивает высокую функциональную надежность, детерминизм работы центров, обусловленный вероятным способом участия нейронов в ансамблях мозга. Таким образом, функциональными элементами центров ЦНС служат не отдельные клетки, а нейронные ансамбли, реализующие свои функции статистически, и участие отдельных нейронов в каждом таком ансамбле не фиксированное, а в той или иной степени вероятностное. Именно это обстоятельство обеспечивает большие регуляторные возможности ЦНС, ее потенциальные способности к компенсации нарушенных функций.

7. Правило взаимозаменяемости и смены функций обеспечивает возможность достижения компенсации при нарушении одной из функций за счет активности другой. Это можно проиллюстрировать хорошо изученной системой кардио--респираторного сопряжения. При затруднениях внешнего дыхания усиливается работа сердечно--сосудистой системы, активируется эритропоэз, и все это обеспечивает достаточную доставку кислорода тканям.

8. Правило усиления в системах регуляции и прогрессивной мобилизации запасных приспособительных механизмов с использованием многоконтурного воздействия на измененный параметр, что приводит к минимизации энергетических затрат на приспособительные процессы. Использование в живых системах незначительных сигналов для получения мощного эффекта хорошо известно. Так, в системе гормональной регуляции используется каскадный процесс:

либерины и статины гипоталамуса -- тропные гормоны гипофиза -- гормоны рабочих желез.

9. Правило повышения чувствительности денервированных (децентрализованных) структур проявляется в увеличении реактивности образований, лишенных нервного влияния. По--видимому, это реализуется за счет расселения субсинаптических рецепторов в более обширные области постсинаптической мембраны, увеличения их числа и сродства к гуморальным влияниям. Этот принцип проявляется в частичном восстановлении функций децентрализованных внутренних органов, в частности, за счет усиления замыкательных свойств внутри-- и внеорганных автономных (вегетативных) рефлекторных дуг. Повышенная чувствительность после децентрализации и денервации, характерная для всех возбудимых тканей, представляет собой одно из проявлений выпадения трофической функции нервной системы. Вероятно, то, что называется сенситизацией, стабилизацией, или повышенной чувствительностью, представляет собой истинную чувствительность клеток, обычно маскируемую нервными влияниями.

Общий адаптационный синдром

Адаптация является совокупностью физиологических реакций, обеспечивающих приспособление строения и функций организма или его органа к изменению окружающей среды с включением стресс--реализующей системы (прежде всего гипоталамо--гипофизарно--надпочечниковой и адреналовой). В концентрированном виде концепция неспецифических реакций организма на сильное воздействие нашла воплощение в понятии «общий адаптационный синдром» (Г. Селье).

Прослеженные закономерности появления защитных реакций после воздействия стрессорного фактора позволили выделить три фазы общего адаптационного синдрома: реакцию тревоги -- «аварийная фаза», переход к устойчивой адаптации и повышенной резистентности (сопротивляемости, устойчивости). Если раздражитель продолжает действовать, то может произойти истощение защитных ресурсов, заканчивающееся болезнью и гибелью. Этот последний этап многие рассматривают как завершающий период общего адаптационного синдрома -- фазу истощения, или дезадаптации.

В первую «аварийную» фазу для осуществления компенсаторных реакций развивается мобилизация защитных сил, происходит вовлечение висцеральных систем разного назначения: кровообращения, дыхания и симпато--адреналовой системы. Возникают существенные сдвиги метаболизма, носящие катаболический характер, обеспечивающие организм необходимой энергией, как бы в предвидении грядущих в скором времени новых функциональных затрат. Происходит усиление активности липаз и увеличение интенсивности свободно--радикального окисления липидов клеточных мембран ряда органов. Адаптация в эту стадию реализуется «с хода», но оказывается несовершенной. Интенсивная активность систем жизнеобеспечения протекает некоординированно, с элементами хаотичности, ответные реакции генерализованы, неэкономны и часто превышают потребный для данных условий уровень. Число измененных показателей в деятельности различных систем неоправданно велико. Тканевые процессы и, тем более, молекулярные явления в мембранах клеток в эту стадию направленно не изменяются, т. к. для их перестройки требуется более значительное время.

Переходный к устойчивой адаптации период характеризуется выраженной стабилизацией состояния висцеральных систем, формированием межсистемных связей, способствующих адаптации. В ходе этого периода приспособительные реакции организма постепенно переключаются на более глубокий тканевой уровень. Гормональный фон видоизменяется, усиливают свое действие гормоны коры надпочечников -- «гормоны адаптации». По мере проявления анаболической фазы стресс--реакции в клетках органов, осуществляющих долговременную компенсацию дефектов, происходит усиленный синтез нуклеиновых кислот и белков, наблюдается их компенсаторная гипертрофия.

Организм не может длительное время находиться в состоянии тревоги, и если он выживает, наступает фаза устойчивой адаптации, или резистентности. Она и является собственно адаптационной реакцией и характеризуется новым сбалансированным уровнем деятельности функциональных систем, а также тканевых, клеточных и мембранных структур, перестроившихся благодаря эндогенным механизмам и активации вспомогательных систем. Основными особенностями этой фазы являются:

1) мобилизация энергетических ресурсов;

2) повышенный синтез нуклеиновых кислот, структурных и ферментативных белков;

3) мобилизация иммунной системы после предшествовавшей иммунодепрессии; гормон регуляторный приспособительный организм

4) избирательное обеспечение пластическими и энергетическими материалами тех органов и систем, которые играют ведущую роль в осуществлении адаптации.

Фаза стойкой адаптации связана с постоянным напряжением управляющих механизмов, и хотя они более или менее скоординированы и минимизированы, их бесконечное функционирование невозможно. Несмотря на экономичность -- выключение «лишних» реакций, а, следовательно, и излишней траты энергии -- переключение организма на новый уровень резистентности не дается даром, а протекает при определенном напряжении, что принято называть «ценой адаптации».

Формирование устойчивой адаптации осуществляется при потенцирующем участии стресс--реакции, которая благодаря действию стресс--гормонов играет важную роль на этапе перехода срочной адаптации в долговременную. Устойчивая долговременная адаптация к одному фактору нередко защищает организм от действия многих других факторов. Это явление получило название «перекрестный защитный эффект адаптации». Например, тренировка к гипоксии повышает резистентность к большим мышечным нагрузкам и, наоборот, постоянные мышечные тренировки вызывают эффект устойчивости к гипоксии. На формирование адаптации большое влияние оказывает и режим воздействия стрессорного фактора на организм.

Адаптация происходит быстрее, если стрессор действует не в виде непрерывного фактора, а дискретно. Прерывистый характер воздействия используется в практике при выработке адаптации к мышечным нагрузкам, гипоксии, холоду и др.

Общий адаптационный синдром является следствием функционального напряжения стресс--реализующей системы. Она проявляется активацией ядер гипоталамуса, нейросекреторные клетки которого усиливают секрецию либеринов. Они, в свою очередь, стимулируют выработку аденогипофизом кортикотропина и других тропных гормонов, возрастает поступление в кровь кортикостероидов и катехоламинов из надпочечников. Эта группа гормонов стимулирует секрецию тиреоидных и паратиреоидных гормонов, глюкагона, соматотропина, тирокальцитонина, фермента ренина, угнетая выработку инсулина и половых гормонов.

Повреждающие факторы активируют также и механизмы стресс--лимитирующих систем, ограничивающие выраженность стресс--реакции. К наиболее изученным стресс--лимитирующим системам, препятствующим развитию избыточно выраженной стресс--реакции, относятся: ГАМК--ергическая, бензадиазепиновая, опиоидергическая, простагландиновая, серотонинергическая и антиоксидантная.

Известны и некоторые способы коррекции адаптивно--компенсаторных реакций организма. Их сложный и многокомпонентный характер определяет многообразие используемых приемов и препаратов. Для профилактики и лечения повреждающих эффектов стресса обычно используются: препараты общеукрепляющего действия -- адаптогены, витамины, препараты посредников и метаболитов стресс--лимитирующих систем, препараты вилочковой железы. Для развития антистрессовой устойчивости доказана высокая эффективность дозированно возрастающих стрессорных факторов, например, разных модификаций ритмической гипоксической тренировки. В последнее время широкое распространение получил метод транскраниальной электростимуляции, вызывающий мобилизацию эндогенных опиоидных пептидов. Можно полагать, что подобного же эффекта достигали еще в древности, используя приемы акупунктуры. Наконец, для мобилизации развития общего адаптационного синдрома прибегают к использованию препаратов кортикотропина, кортикостероидов и др.

Заключительные замечания

Организм постоянно приспосабливается к изменяющимся условиям окружающей среды. Процесс приспособления обеспечивает совокупность физиологических процессов. В основе их регуляции лежит взаимосвязь всех органов и функциональных систем организма, что обеспечивает согласованные ответные реакции.

В процессе эволюции наиболее древней формой взаимодействия между клетками является гуморальная -- посредством веществ, выделяющихся в жидкости организма. В дальнейшем возниклиэндокринные клетки и железы, которые вырабатывают гормоны, оказывающие влияние на функции организма. Произошло развитие механизмов нервной регуляции функций, обеспечивающей точную направленность и быстрое действие, скорость которого значительно выше, чем действие гормонов.

Взаимодействие нервной и гормональной систем создает единый интегративный механизм и обеспечивает осуществление всех функций организма, его приспособление в условиях изменяющейся внешней и внутренней среды. Нервные клетки способны продуцировать секрет, который содержит гормоны, поступающие во внутреннюю среду и регулирующие функции организма; это явление называется нейросекрецией. У беспозвоночных животных вначале преобладающее большинство гормонов вырабатываются клетками нервных ганглиев; затем развиваются железы эпителиального происхождения, которые приобретают высокую степень специализации.

У всех позвоночных животных в гипоталамусе существуют нейросекреторные центры, которые вырабатывают гормоны, оказывающие влияние непосредственно на органы-- или ткани--мишени (антидиуретический гормон, или вазопрессин, окситоцин и др.) либо действующие на гипофиз и регулирующие функцию его клеток (гипоталамические рилизинг-- и ингибирующие гормоны). Гормоны аденогипофиза стимулируют действие эндокринных желез, вырабатывающих собственные гормоны, или оказывают непосредственное влияние на ряд органов и тканей.

Медиаторы тоже являются продуктами нервных клеток и выделяются окончаниями аксонов в синаптическую щель. Показано, что одни и те же вещества могут функционировать в качестве медиатора и гормона (например, катехоламины). Для ряда гормонов в настоящее время установлена множественная локализация биосинтеза, например ряд гормонов желудочно--кишечного тракта обнаруживается в мозгу, например, холецистокинин -- панкреозимин, бомбезин, субстанция Р, нейротензин и другие гормоны. Вещества, которые известны у позвоночных как гормоны, найдены также у многих беспозвоночных животных и у растений. Предполагают, что в эволюции .рано возникли молекулы, способные выполнять широкие регуляторные функции; это были ферменты, медиаторы. В дальнейшем часть из них стала выполнять функции гормонов. Возникновение эндокринных желез, очевидно, произошло на более поздних этапах эволюции.

В настоящее время у позвоночных животных основная линия взаимодействия такова: ЦНС > гипоталамус > периферические эндокринные железы >ткани. Все элементы этой системы объединены обратными связями, осуществляющимися на разных уровнях. Гипоталамус интегрирует всю информацию, получаемую от высших отделов мозга и от внутренней среды, и передает свои влияния эндокринной системе, таким образом наиболее тесно осуществляется взаимодействие нервной и эндокринной систем.

Основным механизмом поддержания жизнедеятельности организма на относительно постоянном уровне (гомеостаз) является саморегуляция физиологических функций, осуществляющаяся на основе единства гуморальных и нервных механизмов регуляции. У высших животных и человека гомеостаз поддерживается более строго, чем у низших животных. Это позволило довести до высокой степени совершенства структуру и функции ЦНС, однако увеличило расход энергии на гомеостатирование организма. Так, например у млекопитающих и птиц была создана система терморегуляции, отсутствующая у представителей других классов и типов, поддерживающая температуру тела с точностью до нескольких десятых градуса Цельсия. Физиологическая саморегуляция функций является автоматическим процессом. Значение механизмов обратной связи в поддержании гомеостаза чрезвычайно велико.