Введение в физиологию

8

Лекция № 1Введение в бИологию

Биология (от греч. bios-жизнь, logos-понятие, учение) - это наука, изучающая живые организмы. Развитие этой науки шло по пути последовательного упрощения предмета исследования. Так возникли многочисленные биологические дисциплины, специализирующиеся на изучении структурно-функциональных особенностей определенных организмов (рис. 1).

Этот путь познания - от сложного к простому - часто называют «редукционистским». Редукционизм, доведенный до своего логического завершения, сводит познание к изучению элементарнейших форм существования материи. Это относится и к живой, и к неживой природе. При таком подходе законы природы пытаются познать, изучая вместо единого целого отдельные его части.

Другой подход основан на «виталистических» принципах. В этом случае «жизнь» рассматривают, как совершенно особенное и уникальное явление, которое нельзя объяснить только действием законов физики и химии.

Основная задача биологии как науки состоит в том, чтобы истолковать все явления живой природы, исходя из научных законов, не забывая при этом, что целому организму присущи свойства, в корне отличающиеся от свойств частей, его составляющих.

Например: нейрофизиолог может описать работу отдельного нейрона языком физики и химии, но сам феномен сознания так описать нельзя. Сознание возникает в результате коллективной работы и одновременного изменения электрохимического состояния миллионов нервных клеток, однако мы до сих пор не имеем реального представления о том, как возникает мысль и каковы ее химические основы.

Точно так же мы до конца не понимаем, как возникли и как эволюционировали живые существа. На этот вопрос пытались ответить многие. Мы остановимся на этом немного позже и постараемся отразить различные точки зрения на проблему происхождения жизни, уделив при этом основное внимание все же не богословским, а биологическим концепциям.

В итоге строгого определения, что же такое жизнь, как и когда она возникла дать не возможно. Однако мы можем перечислить и описать те признаки живой материи, которые отличают ее от неживой.

Отличительные признаки таковы:

Питание

Пища нужна всем живым существам. Они используют ее как источник энергии и веществ, необходимых для роста и других процессов жизнедеятельности. Растения и животные различаются главным образом по тому, как они добывают пищу. Например, почти все растения способны к фотосинтезу, т. е. они сами создают питательные вещества, используя энергию света. Фотосинтез - одна из форм автотрофного питания. Животные и грибы питаются по-иному: они используют органическое вещество других организмов, расщепляя с помощью ферментов это органическое вещество и усваивая продукты расщепления. Такое питание называют гетеротрофным. Гетеротрофами являются также многие бактерии, хотя некоторые из них автотрофны.

Дыхание

Для всех процессов жизнедеятельности нужна энергия. Поэтому основная масса питательных веществ, получаемых в результате автотрофного или гетеротрофного питания, используется в качестве источника энергии. Энергия высвобождается в процессе дыхания при расщеплении некоторых высокоэнергетических соединений. Высвобождаемая энергия запасается в молекулах аденозин-три-фосфата (АТФ), который обнаружен во всех живых клетках.

Раздражимость

Все живые существа способны реагировать на изменение внешней и внутренней среды, что помогает им выжить.

Например, кровеносные сосуды кожи млекопитающих при повышении температуры тела расширяются, рассеивая избыточное тепло и тем самым снова восстанавливая оптимальную температуру тела. А зеленое растение, которое стоит на подоконнике и освещается только с одной стороны, тянется к свету, потому что для фотосинтеза нужна определенная освещенность.

Подвижность

Животные и люди отличаются от растений способностью перемещаться из одного места в другое, т. е. способностью к движению. Животным и людям необходимо двигаться, чтобы добывать пищу. Для растений подвижность необязательна: растения способны сами создавать питательные вещества из простейших соединений, доступных почти повсюду. Но и у растений можно наблюдать движения внутри клеток и даже движения целых органов, хотя и с меньшей, чем у животных, скоростью. Могут двигаться и некоторые бактерии, и одноклеточные водоросли.

Выделения

Выделение, или экскреция, - это выведение из организма конечных продуктов обмена веществ. Такие ядовитые «шлаки» возникают, например, в процессе дыхания, и их надо обязательно удалять. Животные и люди потребляют очень много белков, и, поскольку белки не запасаются, их необходимо расщепить, а затем вывести из организма. Поэтому у животных и людей выделение сводится в основном к экскреции азотистых веществ. Еще одной из форм экскреции можно считать выведение из организма свинца, радиоактивной пыли, алкоголя и массы других, вредных для здоровья веществ.

Размножение

Продолжительность жизни у каждого организма ограничена, однако все живое «бессмертно». Выживание вида обеспечивается сохранением главных признаков родителей у потомства, возникшего путем бесполого (у растений) или полового (у животных и людей) размножения. Пытаясь объяснить природу наследования признаков, «редукционисты» открыли нуклеиновые кислоты - ДНК (дезоксирибонуклеиновую кислоту) и РНК (рибонуклеиновую кислоту). В молекулах этих кислот содержится закодированная наследственная информация, которая передается от одного поколения к другому.

Рост

Объекты неживой природы (например, кристалл или сталагмит) растут, присоединяя новое вещество к наружной поверхности. Живые существа растут изнутри за счет питательных веществ, которые организм получает в процессе автотрофного или гетеротрофного питания. В результате ассимиляции этих веществ образуется новая живая протоплазма.

Эти семь главных признаков живого более или менее выражены у любого организма и служат единственным показателем того, жив он или мертв. Не следует, однако, забывать, что все эти признаки - лишь наблюдаемые проявления главных свойств живой материи (протоплазмы), т. е. ее способности извлекать, превращать и использовать энергию извне. К тому же протоплазма способна не только поддерживать, но и увеличивать свои энергетические запасы.

В отличие от живой материи мертвое органическое вещество легко разрушается под действием механических и химических факторов окружающей среды. Живые существа обладают встроенной системой саморегуляции, которая поддерживает процессы жизнедеятельности и препятствует неуправляемому распаду структур и веществ и бесцельному выделению энергии. Такая регуляция направлена на поддержание гомеостаза на всех уровнях организации живых систем - от молекул до целых сообществ.

Наши знания о том, что происходит в клетке или в организме, несомненно, обогатились после открытия ДНК, АТФ, ферментов, гормонов, вирусов, биосинтеза белка, взаимодействия антиген - антитело и многих других процессов.

Введение в физиологию

Физиология (от греч. physis -- природа, logos -- учение) -- наука, изучающая закономерности функционирования живых организмов, их отдельных систем, органов, тканей и клеток. Рассмотрение частных функций подчиняется при этом задаче целостного понимания причин, механизмов, закономерностей взаимодействия организма с окружающей средой, его поведения в различных условиях существования, происхождения и становления в процессе эволюции, а также индивидуального развития.

Осмысление физиологических механизмов непременно основывается на данных анатомии, гистологии, цитологии, бионики и других направлений биологических наук, объединяя их в единую систему знаний. В физиологии широко используют также методы физики, химии, кибернетики, математический аппарат. Будучи основанными на физических и химических закономерностях, физиологические явления тем не менее характеризуются собственными качественными особенностями. Они подчиняются возникающим в процессе эволюции закономерностям.

Основные разделы современной физиологии.

Совокупность физиологических знаний подразделяют на ряд отдельных, но взаимосвязанных направлений -- общую, частную и прикладную физиологию.

В общую физиологию включают сведения, касающиеся природы основных жизненных процессов, общих проявлений жизнедеятельности, таких, как метаболизм органов и тканей, свойства биологических мембран и отдельных клеток, общие закономерности реагирования организма и его структур на воздействие среды -- раздражимость, возбудимость, процессы возбуждения и торможения. Сюда же относят особенности, обусловленные уровнем структурной организации, разными условиями существования и целым рядом других причин, среди которых выделяют исследования специфических особенностей функций организмов различных видов, а также представителей одного и того же вида, но находящихся на разных стадиях индивидуального развития. Следовательно, общая физиология описывает те качественно своеобразные явления, которые отличают живое от неживого.

Частная физиология исследует свойства отдельных тканей (мышечной, нервной и др.), органов (печени, почек, сердца и пр.), закономерности объединения их в системы (система пищеварения, кровообращения, дыхания), а также физиологию отдельных классов, групп и видов животных (например, насекомых, птиц, хозяйственно полезных животных -- оленей, овец, коров).

Прикладная физиология изучает закономерности проявлений деятельности организма, особенно человека, в связи со специальными задачами и условиями. К числу таких разделов относят физиологию труда, разрабатывающую и обосновывающую мероприятия, которые связаны с рационализацией труда, с производственным обучением. Физиология спорта занимается изучением состояний организма при различного рода физических нагрузках, тренировках и т. д. Практической задачей физиологии питания является обоснование норм питания, диет, режимов для различных профессиональных и возрастных групп людей, живущих в разных природных условиях, а также при разных состояниях организма. Ряд специальных проблем, возникающих в результате пребывания организма при измененном барометрическом давлении, перегрузках, условиях, не встречающихся на Земле (невесомость), изучает подводная и космическая физиология. Влияния, оказываемые на организм внешней средой, и в этой связи особенности физиологических процессов у разных видов животных в зависимости от условий существования, изучает по преимуществу экологическая физиология. Исключительно важные в практическом отношении задачи решает большой раздел физиологии сельскохозяйственных животных. Задача этого раздела -- повышение молочной, мясной и других видов продуктивности, т. е. изучение физиологии лактационного процесса, кормления, особенностей метаболизма, регуляции роста шерстного покрова, а в условиях промышленного звероводства -- качества меха и т.д. Помимо названных развивается и ряд других имеющих прикладное значение разделов физиологии.

Кроме того, физиологию принято также условно подразделять на нормальную и патологическую. Нормальная физиология является теоретической основой практически всех медицинских и ветеринарных дисциплин. Она изучает закономерности жизнедеятельности здорового организма, механизмы адаптации функций к действию различных факторов, наконец, устойчивость организма. Действительно, без знания нормального течения физиологических процессов и функциональных отправлений нельзя лечить больного. В отличие от нормальной, патологическая физиология рассматривает измененные функции больного организма, выясняет общие закономерности возникновения, развития и течения патологических процессов в организме, процессы компенсации и адаптации функций при заболеваниях, а также механизмы выздоровления и реабилитации.

Методы физиологических исследований.

Физиология -- экспериментальная наука, основным методом познания механизмов и закономерностей в ней является эксперимент, позволяющий не только ответить на вопрос, что происходит в организме, но и выяснить также, как и почему происходит тот или иной физиологический процесс, как он возникает, какими механизмами поддерживается и управляется. При изучении любого процесса обычно создают условия, в которых можно вызвать этот процесс и в последующем им управлять. В зависимости от того, какую цель преследует эксперимент, ему соответствует и определенный характер методических приемов.

Для глубокого проникновения в природу протекающих в организме процессов, доведения анализа до молекулярного уровня нервной, мышечной или секреторной клетки (изолированных от всех основных процессов, которые происходят в организме) используют так называемые аналитические исследования. Значение их трудно переоценить, так как только в этих исследованиях может быть получено исчерпывающее представление об отдельной клетке, ее органеллах, возможностях и особенностях мембранных процессов и т. д.

Однако для понимания сложных аспектов жизнедеятельности, связей и взаимоотношений изучаемого организма с окружающей средой этого недостаточно. Поэтому возникает необходимость в другом направлении исследований, названном И. П. Павловым «синтетической физиологией». Она в отличие от «аналитической» считает своей задачей приближение условий эксперимента к естественным, наиболее соответствующим познанию жизнедеятельности организма.

На ранних этапах развития физиологической науки при изучении функций и значения того или иного органа особой популярностью пользовались методики удаления либо части, либо всего органа (метод экстирпации) с последующим наблюдением и регистрацией того, какими последствиями сопровождается вмешательство. В иных случаях изучаемый орган не удаляют, а пересаживают в том же организме на новое место или переносят в другой организм (метод трансплантации). Такой подход оказался особенно результативным при изучении функций эндокринных желез.

Для рассмотрения деятельности органов, расположенных в глубине тела и недоступных непосредственному наблюдению, используют фистульный метод. Суть его состоит в том, что один конец металлической или пластмассовой трубки вводят в полый орган (желудок, кишечник, желчный пузырь), второй -- закрепляют на кожной поверхности.

Разновидностью этой методики может быть выведение протоков желез, таких, как околоушная или подчелюстная слюнные железы, на кожу. Вариантом подобного подхода может служить и методика катетеризации. В этом случае в кровеносные сосуды, сердце, протоки желез вводят тонкие синтетические трубки-катетеры, которые используют и для регистрации происходящих в изучаемых органах процессов, и для введения различных фармакологических веществ и препаратов.

Для того чтобы установить зависимость функции органа от влияния нервной системы, прибегают к методике денервации. При этом либо перерезают нервные волокна, иннервирующие орган, либо (для возбуждения деятельности органа) используют электрический или химический вид раздражения.

В последние десятилетия широкое применение нашли различные инструментальные методики в сочетании со стимуляцией мозговых или периферических структур у бодрствующих ненаркотизированных животных и регистрацией у них электрической активности посредством вживления макро- и микроэлектродов.

Принято различать следующие формы проведения физиологического эксперимента: острый, хронический, в условиях изолированного органа.

Острый эксперимент обычно непродолжителен. В этом случае наркотизированное и обездвиженное животное вскрывают для проведения искусственной изоляции органов и тканей, иссечения и стимуляции различных нервов, регистрации электрических потенциалов, введения лекарственных препаратов и т. д.

Хронический эксперимент требует специальной подготовки в виде определенно направленных хирургических операций и использования животного в опыте только после того, как оно оправится от хирургического вмешательства.

В хроническом эксперименте применяют такие методические приемы, как наложение фистул, гетерогенные нервно-сосудистые анастомозы, пересадки различных органов, вживление электродов и т. д. Следует также заметить, что лишь в условиях хронического эксперимента возможно изучение сложных форм поведения с использованием методики условных рефлексов, различных инструментальных методик, телестимуляции и телеметрии. Условия хронического опыта, позволяющие наблюдать животное на протяжении недель, месяцев и даже лет, создают возможности неоднократного повторения на нем исследования, значительно повышая таким образом достоверность проводимых наблюдений.

Функции отдельных органов изучают не только в целом организме, но и при их изоляции из него. В этом случае извлеченному органу прежде всего создают необходимые условия: температуру, влажность или подачу специальных питательных растворов через сосуды изолированного органа {метод перфузии). Подобные условия необходимы по преимуществу для микрофизиологических экспериментов, когда в качестве объекта используют отдельную мышечную, нервную или другую клетку.

В последние годы наблюдаются значительные методические усовершенствования, которые коренным образом меняют самую технику эксперимента, способы регистрации процессов, обработки и оценки экспериментальных данных. Механические преобразователи сигналов вытеснены электронными системами, регистрация процессов все более осуществляется на магнитном носителе, и последующая обработка материалов ведется с помощью компьютерной техники.