Сталість внутрішнього середовища організму та його регуляція

У попередніх розділах ми розглянули біофізичні аспекти функціонування двох основних систем вищих організмів – сенсорної та моторної, які дозволяють їм взаємодіяти з мінливим зовнішнім середовищем та створюють можливості для пристосування до його змін та використання їх для своїх потреб. Разом з тим, найважливішою властивістю живих організмів є також, поряд з безперервним реагуванням на зміни зовнішнього середовища (подразники), здатність підтримувати сталість свого внутрішнього середовища. Ця здатність позначається як гомеостаз і виявляється у точному підтриманні в них певної величини кислотно-лужної рівноваги, температури, вмісту кисню та вуглекислого газу, основних енергетичних і будівельних речовин (вуглеводів, білків, жирних кислот). Чим вище організованими є тваринні організми, тим вищими є й вимоги до такого підтримання.

Нормальне функціонування всіх клітинних структур організму є надзвичайно залежним від зазначених факторів, і навіть незначне зміщення їхніх показників може привести до глибоких порушень життєвих функцій. Разом з тим, життєдіяльність клітин характеризується безперервним утворенням побічних продуктів, накопичення яких також приводитиме до порушень внутрішнього гомеостазу й видалення яких з організму є життєво необхідним.

Тому в основі здатності вищих організмів до тривалого існування у ворожому зовнішньому середовищі лежить могутня система регулювання свого внутрішнього середовища, основою якої є система кровообігу та пов’язана з нею лімфатична система.

15.1. Характеристики внутрішнього середовища організму

Кров є саме тим внутрішнім середовищем, фізико-хімічні характеристики якого підтримуються на точно регульовану рівні; разом з тим, через кров відбувається надходження до тканин кисню, енергетичних і будівельних сполук і видалення з них продуктів життєдіяльності. Ці найважливіші функції крові виконуються за порівняно невеликого її об‘ємі, який становить усього 6–8 % загальної маси тіла. На рис. 15.1 у схематичній формі зображено об‘ємні взаємовідношення між кров‘ю та іншими середовищами організму та напрямки обміну між ними.

Рис. 15.1. Схема рідинних просторів у внутрішньому середовищі організму.

Об’єми наведено як середні величини для людини масою 70 кг. Стрілки вказують напрямки обміну рідиною між внутрішніми просторами та зовнішнім середовищем. Рідка складова крові (плазма) людини містить, ммоль/кг води: електроліти – катіони (Na⁺ – 153, K⁺ – 5, Ca²⁺ – 3, Mg²⁺ – 1) та аніони (Cl^- – 110, CO₃^2- – 28, SO₄^2- – 1, PO₄^3- – 1) та неелектроліти (глюкоза – 5, білки – 2, сечовина – 1). Осмотичний тиск становить 745 кПа (7,3 атм), колоїдно-осмотичний (онкотичний) тиск – 3 кПа

Найважливішим компонентом крові є її клітинні елементи: червоні кров‘яні тільця (еритроцити), білі кров‘яні тільця (лейкоцити), які мають кілька форм, та кров‘яні бляшки (тромбоцити). У людини та вищих тварин еритроцити являють собою без’ядерні порівняно короткоживучі (100–120 діб) клітинні утвори, близько 90 % сухої ваги яких становить гемоглобін. Вони служать основними переносниками кисню у крові. Ядерні кров‘яні клітини – лейкоцити – є основою захисної функції крові, що дозволяє організму боротися з інвазіями мікроорганізмів і вірусів. Нарешті тромбоцити – також без’ядерні клітини – відіграють важливу роль у процесі згортання крові та формуванні її згустків при пошкодженні судинного русла завдяки наявності в них певних ферментів, необхідних для цих процесів.

Якщо гази, неорганічні та органічні сполуки можуть більшою чи меншою мірою дифундувати крізь стінки кровоносних судин й обмінюватися з такими саме у тканинних рідинах, у травних і сечовивідних шляхах й у повітрі легеневих альвеол, то форменні елементи є постійними компонентами крові й, у свою чергу, можуть обмінюватися своїх вмістом з її плазмою (хоч лейкоцити в певних випадках можуть залишати судинне русло й емігрувати в навколишні тканини за допомогою амебоїдних рухів).

Рис. 15.2. Схема серцево-судинної системи.

Судини, що несуть насичену киснем кров, заштриховані, а судини, що несуть збіднену киснем кров – ні. Стрілками показано напрямок руху крові. Лімфатичну систему, що створює додаткову систему відтоку рідини від органів, позначено чорними лініями

Природно, що гомеостатична функція крові може здійснюватися лише завдяки її безперервній циркуляції в судинному руслі, яка підтримується ритмічними скороченнями м‘язової стінки серця (міокарда). У вищих хребетних організмів (птахів і ссавців) циркуляція крові відбувається через повністю розділені ліве передсердя, лівий шлуночок і велике коло кровообігу (“ліве серце”) та праве передсердя, правий шлуночок та мале (легеневе) коло кровообігу (“праве серце”).

Відповідну схему наведено на рис. 15.2. Венозна кров, що відтікає від тканин тіла, через порожнинні вени надходить у праві передсердя та шлуночок, звідки нагнітається в легені через легеневу артерію. При протіканні через капіляри, що обплітають кінцеві структури дихальних шляхів – альвеоли, кров віддає вуглекислий газ і насичується киснем. Збагачена таким чином, вона через легеневу вену надходить у праве передсердя та правий шлуночок і після його скорочення витискається в аорту й далі розподіляється через артерії, артеріоли та капіляри по всіх органах і тканинах організму з тим, щоб після віддачі кисню знову перетворитись у венозну кров.