1.4. Надежность физиологических систем

Организм в процессе жизнедеятельности не­редко испытывает сильные эмоциональные и физические нагрузки, подвергается геофизи­ческим воздействиям — высоких и низких температур, геомагнитного поля, солнечной радиации. В процессе эволюции сформиро­вались различные механизмы, обеспечиваю­щие оптимальные приспособительные реак­ции. В покое многие органы и системы функционируют с минимальной нагрузкой, при физическом напряжении интенсивность деятельности их может возрастать в десятки раз. Основными факторами, обеспечиваю­щими надежность систем организма, являют­ся следующие.

1. Резерв структурных элементов в органе и их функциональная мобильность. Число клеток и структурных элементов в различных органах и тканях превышает их необходимый уровень, достаточный для реализации функ­ций организма, находящегося в покое. Так, например, во время отдыха человека в покоя­щейся мышце функционирует небольшое число капилляров — около 30 открытых ка­пилляров на 1 мм² поперечного сечения мышцы (дежурные капилляры), при макси­мальной работе мышцы число функциониру­ющих (открытых) капилляров доходит до 3000 на 1 мм². В сердце одномоментно функ­ционирует 50 % капилляров, а 50 % — не функционирует, коронарный кровоток в покое составляет лишь 25 % от максимально­го. На каждой точке кожи обнаруживается множество рецепторов — прикосновения, давления, вибрации, тепловых, ходовых, бо­левых. Наличие резерва структурных элемен­тов обеспечивает их функциональную мо­бильность — смену функционирующих эле­ментов: одни работают, другие отдыхают (функционирование и покой чередуются). Понятие «функциональная мобильность» в физиологию ввел П.Г.Снякин.

2. Дублирование в физиологических систе­ мах встречается весьма часто, что также по­ вышает их надежность: в организме два лег­ ких, две почки, два глаза, два уха, парные нервные стволы, которые в функциональном отношении в значительной степени перекры­ вают друг друга: например, левый и правый блуждающие и симпатические нервы. Иннер­ вация внутренних органов, скелетной муску­ латуры и кожи осуществляется из нескольких сегментов спинного мозга. Нейроны цент­ ров, регулирующих различные функции, рас­ положены в разных отделах головного мозга, что также повышает надежность регуляции функций организма. Дублируется фермента­ тивная обработка пищи, поступающей в же­ лудочно-кишечный тракт, — после удаления желудка по медицинским показаниям пище­ варение может осуществляться. Три механиз­ ма регуляции функций организма (нервный, гуморальный и миогенный) обеспечивают тонкую приспособительную регуляцию функций органов и систем в соответствии с потребностями организма в различных усло­ виях жизнедеятельности. Примером дублиро­ вания является многоконтурность механиз­ мов регуляции ряда физиологических показа­ телей. Регуляция артериального давления, например, осуществляется с помощью меха­ низмов быстрого реагирования (рефлектор­ ная регуляция), механизмов небыстрого реа­ гирования (гормональная и миогенная регу­ ляция сосудистого тонуса, изменения объема воды в крови за счет перехода ее из капилля­ ров в ткань и обратно), механизмов медлен­ ного реагирования (изменения количества выводимой из организма воды с помощью регуляторных влияний на почки). Постоян­ ство рН внутренней среды поддерживается легкими, почками, буферными системами крови.

3. Адаптация — совокупность реакций и механизмов их осуществления, обеспечива­ ющих приспособление организма к измене­ ниям внешней среды (природных, социаль­ ных и производственных). Адаптивные реак­ ции могут быть врожденными и приобре­ тенными, осуществляться на клеточном, ор­ ганном, системном и организменном уров­ нях. Механизмы адаптации весьма разно­ образны. Например, при систематической усиленной физической нагрузке развивается гипертрофия мышц, при дыхании воздухом с пониженным содержанием кислорода уве­ личивается уровень гемоглобина в крови, повышаются число капилляров в тканях, вентиляция легких; при действии низкой температуры возрастает обмен веществ,

уменьшается теплоотдача; при действии инфекционных агентов формируется имму­нитет.

4. Регенерация поврежденной части органа или ткани и синтез новых структурных эле­ ментов также повышают надежность физио­ логических систем. Так, белки организма на 50 % обновляются за 80 дней, ткань пече­ ни — за 10 дней, все тело ежедневно обнов­ ляется на 5 %. Нервные волокна поврежден­ ного и сшитого нерва регенерируют (растут), их регуляторная функция восстанавливается; поврежденный эпителий регенерирует, раз­ резанная и сшитая кожа срастается; переса­ женный на обожженную поверхность тела участок кожи приживается, сшитые после операции кровеносные сосуды и сломанные в результате травмы кости срастаются.

5. Экономичность функционирования всех органов и систем также повышает их надеж­ ность. Она реализуется с помощью многих механизмов, главным из которых является возможность приспособления деятельности любого органа и системы к текущим потреб­ ностям организма. Так, частота сердечных сокращений в покое составляет 60—80 в ми­ нуту, а во время быстрого бега — 150—200; при мышечном и эмоциональном покое, в условиях температуры комфорта и натощак расход энергии организмом за 1 ч составля­ ет около 70 ккал, а при тяжелой физической работе — 600 ккал и более, т.е. возрастает в 8—10 раз. В организме с непосредственной затратой энергии переносятся (транспорти­ руются через клеточную мембрану) всего лишь несколько ионов; основные из них — Na⁺, Са²⁺, по-видимому, С1~ и некоторые другие. Но этого оказывается достаточно для обеспечения всасывания в желудочно- кишечном тракте, создания электрических зарядов клеток организма, перемещения воды в клетку и обратно, процессов мочеоб- разования, регуляции осмотического давле­ ния, рН внутренней среды организма. Кроме того, сам транспорт ионов в клетку и из клетки вопреки концентрационному и электрическому градиентам также осущест­ вляется весьма экономично. Так, например, Na⁺ из клетки выводится с затратой энер­ гии, а возвращение К⁺ в клетку осуществля­ ется без затраты энергии. В процессе трудо­ вой деятельности и в спорте (работа на кон­ вейере, обработка деталей рабочим, ком­ плекс гимнастических упражнений) вначале (при освоении навыков) затрачиваются большие усилия, включается избыточное число мышечных групп, затрачивается боль­ шое количество энергии, имеет место эмо-

циональное напряжение. Когда навыки уп­рочены, многие движения становятся авто­матизированными — экономичными, избы­точные исключаются.

6. Снабжение организма кислородом явля­ ется достаточным даже при значительном уменьшении его парциального давления в ат­ мосферном воздухе, так как гемоглобин очень легко насыщается кислородом. Напри­ мер, при снижении парциального давления кислорода в легких со 100 до 60 мм рт.ст. процент насыщения гемоглобина кислоро­ дом снижается всего лишь с 97 до 90 %, что не сказывается отрицательно на состоянии организма.

7. Развитие в фило- и онтогенезе структу­ ры органов связано с увеличением интенсив­ ности их функционирования, что также вы­ ступает в роли фактора надежности. Так, на­ пример, интенсивная физическая нагрузка обеспечила соответствующее потребностям организма развитие скелетной мускулатуры, ЦНС, сердечно-сосудистой системы. В свою очередь совершенная структура органа или системы — основа их высоких функциональ­ ных возможностей. Орган, который не функ­ ционирует или недостаточно функционирует, начинает увядать, атрофироваться. Увеличе­ ние интенсивности деятельности мозга в фи­ логенезе (возрастание двигательной актив­ ности, расширение репертуара поведенчес­ ких реакций) способствовало его быстрому развитию и усложнению опорно-двигатель­ ного аппарата. Активная психическая и фи­ зическая деятельность человека и приматов обеспечила бурное развитие коры большого мозга.

8. Высокую степень надежности в работе ЦНС обеспечивает такое ее свойство, как пластичность — способность нервных эле­ ментов и их объединений к перестройке функциональных свойств. Примерами, ил­ люстрирующими это свойство ЦНС, являют­ ся улучшение проведения нервных импуль­ сов, повторно идущих по одному и тому же пути, образование новых временных связей при выработке условных рефлексов, образо­ вание доминантного очага возбуждения в ЦНС, оказывающего стимулирующее влия­ ние на процессы достижения необходимой цели, компенсация функций при значитель­ ном повреждении ЦНС, в частности коры большого мозга.

Однако, несмотря на высокую степень надежности физиологических систем, неиз­бежно развиваются их старение и как след­ствие снижение надежности функциониро­вания.