Биологические и функциональные системы
Развитие физиологии в 19-20 вв. позволило осуществить глубинные механизмы, субмолекулярные процессы в организме. Было накоплено огромное количество аналитических данных о функциях клеток, тканей, органов и такой аналитический подход был оправдан и необходим. Однако созрела необходимость объединить и систематизировать полученные данные для описания функций организма в целом. В 50-60 гг. Берталанфи, используя кибернетические подходы, разработал общую теорию биологических систем: 1 принцип целостности. Невозможно свести свойства системы к простой сумме ее частей; 2. принцип структурности. Любую биологическую систему можно описать через ее структуру; 3. принцип иерархичности. Элементы системы подчинены друг другу сверху вниз, то есть вышележащие компоненты управляют нижележащими; 4. взаимосвязь системы со средой. Организм является открытой системой.
Берталанфи не выявил главного системообразующего фактора. Основные же системные закономерности живых организмов разработал П.К. Анохин. В физиологии давно существует понятие физиологических систем – это комплекс морфологически и функционально объединенных органов, имеющих общие механизмы регуляции и выполняющих однообразные функции.
Анохин установил, что в организме есть и другие системы, обеспечивающие поддержание параметров гомеостаза. Он назвал их функциональными системами. Функциональная система - это совокупность органов и тканей, которые обеспечивают достижение цели в определенном виде жизнедеятельности. Эту цель он назвал полезно-приспособительным результатом (ППР). Им может быть тот или иной параметр гомеостаза, или результат поведения, удовлетворяющий биологической потребности, положительный результат социальной деятельности человека.
ППР является тем фактором, который объединяет различные органы и ткани организма в единое целое - функциональную систему, причем, не по морфологическому признаку, а по функциональному. Поэтому в функциональную систему могут входить органы и ткани из разных функциональных систем. Функциональные системы могут быть как наследуемыми, так и формирующимися в процессе жизнедеятельности.
Если параметры ППР отклоняются от нормальных, возбуждаются рецепторы ППР. Импульсы от них по афферентным путям идут в нервный центр, регулирующий данный параметр. От нервного центра импульс поступает к исполнительным органам, обеспечивающим поддержание этого параметра, включается вегетативная и гуморальная регуляция. Если при этом ППР не приходит к норме, то импульсы от нервного центра поступают в кору больших полушарий. Возбуждаются определенные нейроны и включается поведенческая регуляция. Изменяется целенаправленное поведение организма. В результате ППР приходит к исходному уровню. Кроме того на ППР влияет обмен веществ, а с другой стороны и ППР воздействует на метаболические процессы.
Учение П.И. Анохина о функциональных системах Функциональная система - совокупность органов и тканей, относящихся к различным анатомо-функциональным образованиям и объединяющихся для достижения полезного приспособительного результата. Функциональная система - это временное объединение органов и систем, для достижения полезного приспособительного результата. Функциональная система состоит из 4-х звеньев:
центральное звено - нервные центры, которые возбуждаются для достижения полезного приспособительного результата;
исполнительное звено - внутренние органы, скелетные мышцы, поведенческие реакции;
обратная связь;
полезная приспособительная реакция.
Полезная приспособительная реакция имеет 3 вида:
поддержание на постоянной величине каждого показателя внутри организма - гомеостатические показатели;
изменения взаимодействия организма с внешней средой. Цель: поддержание постоянства внутри организма;
достижение определенных социальных изменений.
Стадии формирования и деятельности функциональной системы (на примере функциональной системы, поддерживающей обмен веществ): 1 стадия - афферентного синтеза; 2 стадия - принятия решения; 3 стадия - формирование акцептора результата действия; 4 стадия - действие; 5 стадия - результат действия; 6 стадия - обратной афферентации; 7 стадия - сопоставление полученного результата с эталоном. 1, 3, 7 стадии осуществляются в центральной нервной системе. 1 стадия - в центральной нервной системе возникает возбуждение в определенной группе нервных центров. Состоит из 4 процессов:
доминирующая мотивация - в процессе жизнедеятельности идет постоянный обмен веществ и постоянно создается потребность самая важная в данный момент. При доминирующей мотивации усиливается поток импульсов соответствующего нервного центра, но этот центр еще не возбуждается;
обстановочная афферентация - за счет импульсов из внешней среды наблюдается усиление возбуждения нервных центров;
механизмы памяти - из всех возможных способов удовлетворения потребности выбирается наиболее приемлемый;
пусковой сигнал - раздражение, вызывающее определенную ответную реакцию.
2 стадия - осуществляется в нервных центрах, к одним и тем же нейронам сходятся импульсы от различных рецепторов. В этих нейронах происходит переработка информации и принятие программы деятельности. 3 стадия - акцептор результата действия - это группа нейронов в составе нервного центра, в которых формируется эталон будущего результата. 1, 2, 3 стадии осуществляются одновременно. 4 стадия - исполнительное звено - выброс питательных веществ в кровь, перераспределение крови в органах, поведенческие реакции и т. д.. 5 стадия - за счет работы исполнительного звена возникает изменение уровня питательных веществ в крови, т. е. возникает результат действия. 6 стадия - при достижении результата возбуждение от рецепторов опять идет в центральную нервную систему. Импульсы несут информацию о том, что результат достигнут. Функцию обратной связи могут выполнять и некоторые гуморальные факторы (например, нейропептиды). 7 стадия - импульсы поступают к акцептору результата действия, где происходит сопоставление результата с эталоном. Если результат соответствует эталону - функциональная система распадается, если нет - функциональная система продолжает работу до достижения соответствия.
Свойства функциональной системы следующие: Динамичность - функциональная система временное образование. Каждая функциональная система формируется в процессе жизнедеятельности в соответствии с преобладающими потребностями организма. Различные органы могут входить в состав нескольких функциональных систем. Саморегуляция - функциональная система обеспечивает поддержание на постоянном уровне какие-то константы организма без вмешательства из вне. Саморегуляция достигается за счет наличия обратной связи.
Структурно-функциональная организация функционального элемента органа. Характеристика его составных частей.
С позиций функциональной гистоархитектоники органы, являющиеся сложноорганизованными структурами, состоят из структурно-функциональных единиц (СФЕ).
В качестве структурно-функциональных единиц рассматриваются минимально обособленные объединения функционально-активных элементов, обеспечивающих выполнение функций органа, т.е. СФЕ – это наименьшая часть органа, способная выполнять его функции (или одну из функций).
В почке – это нефрон, в костных структурах – остеон, в тонкой кишке – комплекс «крипта-ворсинка», в щитовидной железе – тиреон, в миокарде – кардион, в гладкой мышечной ткани – комплекс, включающий группу унитарных миоцитов, иннервируемых отдельным волокном автономной нервной системы. Трубчатая железа слизистой дна желудка с обеспечивающими ее деятельность микрососудами и регуляторными элементами может рассматриваться как СФЕ секреторного аппарата этого органа. В семенниках в качестве СФЕ рассматривается извитой каналец, а в сетчатке глаза – комплекс многих фоторецепторов и биполяров, замыкающихся одиночной ганглиозной клеткой. Большинство органов полифункционально, и поэтому в них могут быть выделены несколько различных СФЕ. Так, легочный ацинус обеспечивает основную функцию легкого – газообмен, а мукоцилиарный транспорт, являющийся основой функции очищения воздуха, обеспечивается СФЕ, включающей реснитчатую, бокаловидную, эндокринную клетки, а также нервные и микроциркуляторные элементы.
В структуре поджелудочной железы известно, как минимум, два типа СФЕ: экзокринный ацинус, обеспечивающий секрецию ферментов и электролитов и островок Лангерганса, рассматривающийся как эндокринная единица железы, продуцирующая комплекс гормонов и полипептидов. Представления о структурно-функциональных единицах ряда органов с течением времени существенно изменяются и остаются дискуссионными. Так, многие десятилетия СФЕ головного мозга считался нейрон, однако, данные современной нейрофизиологии позволили сформулировать концепцию ансамблевой организации мозга, где в качестве функциональной единицы рассматривается внутренне интегрированное клеточное объединение – нейронный ансамбль.
Многократное дублирование деятельности СФЕ, составляющих орган, повышает его компенсаторные возможности. Согласно принципам архитектуры физиологических функций, сформулированных Дж. Баркрофтом [1], в организме используется множество однотипных структурных элементов, совокупно выполняющих общую для них функцию. Этот принцип функциональных единиц позволяет существенно упростить строение и восстановление органов, а также механизмов управления их деятельностью.
