1.4.3. Принцип гомеостаза

 

Впервые на важность гомеостаза (Следует отметить, что сам термин «гомеостаз» был предложен в 1929 г. американским физиологом Уолтером Кенноном. – Прим. Перев. ) для жизнедеятельности животных указал Клод Бернар – французский ученый XIX в. и один из основателей современной физиологии. В соответствии со взглядами Бернара млекопитающие способны поддерживать состояние своей внутренней среды в узких рамках. Это явление хорошо знакомо каждому хотя бы по результатам обычного анализа крови, который мы регулярно делаем, и по измерениям температуры тела. «Постоянство внутренней среды» по Клоду Бернару оказалось универсальным законом для всех живых систем; именно оно позволяет животным и растениям выживать в постоянно меняющейся, и порой достаточно резко, окружающей среде (рис. 1–3). Считается, что эволюционное развитие механизмов гомеостаза было основным фактором, позволившим животным выйти за пределы относительно благоприятного окружения и завоевать гораздо более суровые для жизни среды обитания. Удивление и восхищение, которые мы испытываем порой при познании физиологических закономерностей, часто вызывает именно способность животных в процессе эволюции приспосабливаться к самым разным условиям окружающей среды.

 

 

Рис. 1.3. Благодаря работе физиологических систем регуляции даже при значительных изменениях параметров окружающей среды состояние организма варьирует лишь в узких пределах.

 

 

Процессы регуляции внутренней среды обнаруживаются не только у сложно организованных позвоночных животных, но и у одноклеточных организмов. У многоклеточных животных состав (а у птиц и млекопитающих – еще и температура) межклеточной жидкости постоянно регулируется таким образом, что параметры ее поддерживаются в узких границах. Одноклеточные животные – простейшие – смогли освоить пресные водоемы и другие среды, способные вызвать нарушение осмотического равновесия, благодаря тому, что концентрация со лей, сахаров, аминокислот и других растворимых веществ в их цитоплазме регулируется с помощью избирательной проницаемости мембран, активного транспорта и других механизмов, поддерживающих эти концентрации в пределах, благоприятных для протекания метаболических процессов, но совершенно иных, чем в окружающей среде. Аналогичные явления наблюдаются и в отдельных клетках много клеточных организмов, состав внутриклеточной среды которых также регулируется.

В основе многих процессов регуляции лежит принцип обратной связи (дополнение 1–1). Создавая те или иные системы (например, компьютеры или системы наведения ракет), конструктор опирается на то, что они будут работать во вполне определенных условиях, поэтому должны быть сделаны максимально точно, чтобы в этих условиях и работали вполне определенным образом. Живые же системы должны быть способны функционировать в тех постоянно меняющихся условиях, которые зависят, например, от капризов природы. Поскольку генетические и метаболические механизмы, не говоря уже о состоянии внешней среды, отнюдь не являются неизменными, для регуляции соответствующих процессов необходимо постоянно получать информацию и вносить коррекцию. Предположим, например, что опытный водитель садится в машину на прямолинейном десятикилометровом участке совершенно пустынной автомагистрали, устанавливает свою машину должным образом, а за тем ему завязывают глаза и просят проехать все десять километров, не отклоняясь от трассы. Даже незначительное изменение, произошедшее в нейромоторной и сенсорной системах водителя или в рулевом управлении машины, а тем более порывы ветра или неровности дороги сделают эту задачу невыполнимой. С другой стороны, если снять с глаз водителя повязку, то он, используя зрительную информацию, будет корректировать свое движение с помощью отрицательной обратной связи и сохранит нужное направление. Когда водитель увидит, что он постепенно отклоняется от трассы (вследствие внешних или внутренних причин), он просто откорректирует свой путь, послав через нервные системы управления движениями команды к мышцам рук, лежащих на руле. Используя научные термины, приведенные в дополнении 1–1, зрительная система водителя в данном случае выступает в роли сенсора, а двигательные нервные системы, осуществляющие корректирующие изменения в сторону, противоположную замеченному отклонению, – в роли инвертирующего усилителя, исправляющего отклонения от уставки (в нашем случае – осевой линии на дороге).

В качестве еще одного примера регуляции с помощью отрицательной обратной связи можно привести термостат, поддерживающий в сосуде с водой температуру, равную (или близкую) установленной (рис. 1–4). Когда температура воды падает ниже заданного уровня, от датчика поступает сиг нал о включении нагревателя. По достижении необходимой температуры нагреватель отключается, вода перестает нагреваться, и так до тех пор, пока температура ее вновь не станет ниже заданной величины. Для «термостата», регулирующего температуру тела млекопитающих и расположенного в головном мозге, эта величина равна примерно 37 °С. Токсины, вырабатываемые некоторыми патогенными микроорганизмами, смещают ее до более высокого уровня, и тогда наблюдается лихорадка.

 

Рис. 1.4. Пример регулируемой системы. При снижении температуры воды в сосуде биметаллическая спираль, закрепленная в центре, слегка скручивается, что приводит к замыканию электрической цепи нагревателя. При нагревании воды спираль раскручивается и контакт размыкается. Необходимая температура устанавливается путем соответствующего расположения контакта термостата.

 

Физиологические системы с обратной связью встречаются в процессах промежуточного обмена (гл. 3), нервного управления движениями мышц (гл. 8), регуляции эндокринных функций (гл. 9), кровообращения (гл. 13) и дыхания (гл. 14), а также терморегуляции (гл. 16).