Принцип регуляции физиологических функций

Физиологическая регуляция – это совокупность изменений, которые происходят в организме в ответ на воздействие факторов внешней и внутренней среды, осуществляются специальными механизмами и приводят к приспособительному, полезному для организма результату.

Самые разнообразные показатели – артериальное давление, осмотическое давление крови, температура тела, количество сахара в крови, число лейкоцитов и соотношение их форм и т. д. поддерживаются на необходимом в данный момент уровне и переходят с одного уровня на другой только благодаря процессам регуляции.

Если сравнить организм с совершенным, сложно устроенным автомобилем, то регуляция – это водитель, который уверенно ведет свою машину по любым дорогам и в любую погоду.

Чтобы понимать организм, нужно уметь анализировать протекающие в нем регуляторные процессы. Приступая к изучению любой физиологической системы, нужно прежде всего спросить «что делает эта система, на поддержание каких параметров направлена ее деятельность, каким образом она поддерживает эти параметры, как она при этом взаимодействует с другими системами»? Для мыслящего физиологически специалиста оптимальная стратегия состоит в том, чтобы искусственным путем изменить в нужном направлении происходящие в организме процессы. Поэтому необходимо понимать, как осуществляется регуляция этих процессов.

Рассмотрим общие процессы регуляции и ее конкретные механизмы. Одна из особенностей системы, в которой происходят процессы регуляции (говорят также регулирование, управление), состоит в том, что в ней можно выделить части, называемые входом и выходом. Выход – это та часть системы, которая должна находиться в определенном состоянии. Охарактеризовать данное состояние можно каким-то численным параметром. Такой параметр называется выходная переменная. Примеры выходных переменных – артериальное давление, температура тела, количество сахара в крови и т.д. Вход – это та часть (части) системы, которая влияет на состояние выхода. Параметры, характеризующие состояние элементов входа, называются входные переменные. Например, для выходной переменной «артериальное давление» входами будут работа сердца и сопротивление сосудов, а входными переменными – сила сердечных сокращений (ударный объем), частота сердечных сокращений, просвет сосудов, скорость кровотока, вязкость крови и т.д. Для того чтобы поддерживать выходные переменные на необходимом уровне, должны протекать определенные процессы. Например, поддержание в нужных пределах температуры тела осуществляется благодаря взаимодействию процессов теплопродукции и теплоотдачи. В свою очередь, интенсивность теплопродукции зависит от сократительной деятельности скелетных мышц (произвольные сокращения и дрожь) и образования тепла во внутренних органах (в первую очередь в печени и кишечнике). Теплоотдача связана с двумя основными процессами – испарением пота и кровообращением в коже, от интенсивности которого зависит количество приносимого с кровью тепла и его отдача с поверхности кожи. Таким образом, схематически систему регуляции температуры тела можно представить следующей схемой (рис. 2.1). При необходимости систему можно дополнительно детализировать, например, указать механизмы, обеспечивающие образование тепла в тканях, условия, влияющие на процесс испарения пота и т.д. Но для наших целей пока достаточно представить систему в общем виде.

Мы приходим к следующему важному выводу. При работе с живыми объектами наша основная задача с физиологической точки зрения – помочь организму установить величины своих выходных переменных на оптимальном для данных условий уровне. А для этого нужно знать, как воздействовать на вход системы, каким образом следует изменить входные переменные, чтобы получить желаемый результат на выходе. Если мы хотим изменить состояние той или иной физиологической системы в нужном направлении, мы должны понимать, каким образом ее входные переменные связаны с выходной. Все процессы регуляции в конечном счете преследуют две цели: или удерживать выходные переменные (константы организма) на определенном уровне, или перевести их на другой, более выгодный в данных условиях уровень. Сохранение постоянства констант организма, поддержание функционирования систем организма в определенных пределах называется гомеостаз. Изменение уровня гомеостаза носит название гомеокинез. Обратите внимание на то, что гомеокинез – это не просто любое изменение, а переход от одного стабильного уровня гомеостаза к другому. Когда мы говорим о гомеостазе и гомеокинезе, следует иметь в виду, что константы гомеостаза могут быть жесткими и нежесткими (пластичными). Жесткие константы – это физико-химические показатели, которые в нормально функционирующем организме могут изменяться лишь в очень небольших пределах. Например, величина pH крови. Значительные сдвиги жестких констант опасны для жизни. Нежесткие константы – это физиологические показатели. В зависимости от условий, в которых находится организм, эти константы могут устанавливаться на более высоких или более низких уровнях в относительно широких пределах. Процессы гомеокинеза связаны прежде всего именно с такими переходами.

Рассмотрим пример. Основной обмен – это минимальные энергетические затраты, которые осуществляются в организме в условиях полного физического и эмоционального покоя, то есть, при отсутствии каких-либо воздействий, повышающих интенсивность энергетических процессов в организме.

В обычных условиях величина основного обмена у каждого индивидуума находится на определенном уровне. Если же человек, живущий в средней полосе, переезжает на Крайний Север, то основной обмен у него постепенно увеличивается. Физиологический смысл (целесообразность) этого сдвига понятна. В условиях холода в организме усиливаются энергетические процессы, что приводит к выработке большого количества тепла. Процессы, способствующие сохранению постоянной величины основного обмена, являются гомеостатическими, а процессы, обеспечивающие переход к другому, в данном случае повышенному уровню основного обмена – гомеокинетическими. В обоих случаях мы имеем дело с разными проявлениями регуляции в организме.

Процессы гомеокинеза могут протекать и весьма медленно, как в приведенном примере, и достаточно быстро. Например, в покое частота пульса у здорового человека составляет 60-70 уд/мин. Если же он побежит, то через несколько минут, а может быть и быстрее, установится новый уровень ЧСС. У одних людей он достигнет, скажем, 120-130 уд/мин, у других 170-180 уд/мин и т. д. В организме встречаются и еще более быстрые гомеокинетические процессы.

Какие же механизмы лежат в основе различных регуляторных реакций? Законы управления (регулирования) в различных системах изучает кибернетика. Ее общие положения можно использовать и в физиологии. При этом следует исходить из того, что в кибернетическом плане любая система регулирования состоит из нескольких основных элементов. Процесс управления заключается в том, что одни элементы системы изменяют свое состояние под влиянием других. Такое взаимодействие направлено на то, чтобы система в целом находилась в необходимом. для данных условий состоянии.

Та часть системы, которая меняет свое состояние под влиянием поступающей в нее информации, называется объект управления. Например, скелетная мышца, сердечная мышца, железа, сосуды в различных участках тела и т. д. Ту часть системы, которая посылает информацию в объект управления, будем называть управляющий элемент. Это, например, те нервные центры головного мозга, от которых идут сигналы к мышцам. Передача сигналов от управляющего элемента к объекту управления называется прямой связью. В данном случае прямая связь осуществляется посредством двигательных нервов, несущих информацию от нервных центров к мышцам, или к каким-либо другим исполнительным органам.

Чтобы управляющий элемент мог посылать информацию в объект управления, он должен ее откуда-то получить. Информация, которая зафиксирована на каком-то носителе и с него поступает в управляющий элемент, называется программой. Она может быть жестко зафиксированной как, например, генетическая программа, или как-то изменяться в ходе деятельности системы.

Передача информации от программы к управляющему элементу тоже входит в прямую связь. Например, программой может быть закодированная в определенных нервных клетках информация о последовательности движений, которые нужно совершить при выполнении гимнастического упражнения.

Более сложные системы содержат помимо прямой связи и обратную. Обратная связь – это передача в управляющий элемент информации о состоянии объекта управления в каждый данный момент. Для того, чтобы определить состояние объекта, необходимо измерить какие-то его параметры. В нашем примере это может быть степень растяжения мышцы, напряженность ее волокон и т. д. Параметры, характеризующие состояние объекта, определяются измерительным элементом. В данном случае – это рецепторы, заложенные в мышце и реагирующие на ее растяжение.

Таким образом, в управляющий элемент поступают сигналы из программы по прямой связи и из измерительного элемента по обратной связи. В управляющем элементе имеется блок сравнения. Он сравнивает информацию, поступающую как по обратной связи, так и из программы, и на основании сравнения вырабатывает и посылает в объект управления новый управляющий сигнал. Скажем, если мышца сократилась не столь сильно, как требовалось, то блок сравнения обеспечит выдачу откорректированного сигнала, который усилит сокращение мышцы до требуемого уровня.

Из сказанного вытекает важное положение. Между элементами системы управления существуют только информационные связи. А поступающая по ним информация приводит к изменениям энергетических и пластических процессов, которые происходят в системе. Такова общая кибернетическая схема любой системы управления, в том числе и физиологической.

Из приведенной схемы следует, что изменить работу системы можно путем воздействия на любой из ее элементов (программа, управляющий элемент, объект управления, измерительный элемент, линия связи). Применительно к медицине из этого вытекает, что лечение должно начинаться с выявления именно того элемента, в работе которого произошли изменения.

Какие же физиологические механизмы обеспечивают работу систем управления? Существуют два пути осуществления регуляторных процессов – нервный и гуморальный. Поэтому можно говорить о нервной и гуморальной регуляции. В процессе нервной регуляции управляющая информация передается при помощи импульсов возбуждения, которые распространяются по нервным волокнам к объектам управления. При гуморальной регуляции носителями информации являются молекулы тех или иных веществ, поступающие в кровь и через нее действующие на органы, являющиеся объектами управления. Нервную и гуморальную регуляцию нельзя рассматривать в отрыве друг от друга. Между ними существует взаимодействие. Например, нервные импульсы могут активировать эндокринные железы, выделяющие гормоны – важнейшие факторы гуморальной регуляции. В свою очередь гормоны могут влиять на состояние нервных клеток. Количество подобных примеров достаточно велико и с ними Вы встретитесь в последующем изложении.

И нервная, и гуморальная регуляция взятые как в отдельности, так и во взаимодействии, направлены на достижение одной и той же цели – обеспечить изменение деятельности органов и систем, носящее полезный, приспособительный в данных условиях характер.

Остановимся более подробно на роли обратных связей в осуществлении процессов регуляции. В теории регулирования связью называется передача информации. Прямая связь – это передача команды на исполнение. Например, из мозга поступают сигналы к мышце, и она сокращается. По блуждающему нерву поступают импульсы в сердце, и оно останавливается. По обратной же связи доставляется информация о состоянии исполнительного органа. В процессах регуляции прямая и обратная связи неразрывно связаны. Приведем пример из военной области. Если войска не получают приказы от командования, то они вынуждены бездействовать (нет прямой связи). Но, если командование в свою очередь не получает информации о состоянии войск, об их передвижении, потерях и т. д., то оно не сможет отдавать новые приказы (нет обратной связи).

Сущность регуляции в организме состоит в том, что нервные центры получают информацию о состоянии различных органов и систем от соответствующих рецепторов и, обработав эту информацию, посылают нужные команды в исполнительные органы. Таким образом в ходе регуляции происходит постоянное взаимодействие прямой и обратной связи. Обратные связи позволяют реагировать на возникающие в организме отклонения. Например, повышение или понижение артериального давления, изменения уровня сахара в крови, повышение температуры тела и т. д.

Если необходимо вернуть систему в исходное состояние, иначе говоря, уменьшить возникшее отклонение, свести его к нулю, то такая связь называется отрицательной обратной связью (она «отрицает» возникшее отклонение, устраняет его и тем самым способствует возврату системы в состояние, от которого она отклонилась). Однако иногда возникают такие ситуации, когда необходим быстрый, скачкообразный переход в новое состояние. В этом случае возникшее отклонение нужно не уменьшать, а наоборот, еще более увеличивать. Такая обратная связь называется положительной.

Можно сказать, что обратная отрицательная связь действует по принципу «если больше, то меньше, если меньше, то больше», а положительная обратная связь – «если меньше, то еще меньше, если больше, то еще больше».

Таким образом, отрицательная обратная связь обеспечивает механизм самоограничения, когда та или иная система удерживает себя на определенном уровне, а положительная обратная связь работает в механизмах самостимуляции, когда система быстро, скачкообразно переходит на новый уровень. Во многих случаях отрицательная и положительная обратные связи взаимодействуют, что обеспечивает эффективное осуществление регуляторного процесса. Рассмотрим пример, который иллюстрирует такое взаимодействие. Разбирая его, следите за ходом рассуждений. Моча образуется в почках непрерывно и по мочеточникам поступает в мочевой пузырь. Из пузыря моча выводится наружу периодически. Произведем физиологический анализ этого процесса.

Прежде всего, целесообразно ли наличие мочевого пузыря как такового? Безусловно, ибо в противном случае моча выводилась бы наружу непрерывно, что биологически невыгодно многим организмам. Исключение составляют птицы, у которых отсутствие мочевого пузыря связано с полетом. У других же организмов наличие мочевого пузыря позволяет выводить мочу периодически, порциями. Пузырь в рассматриваемой ситуации является объектом управления. Целесообразно ли, чтобы моча выводилась маленькими порциями? Очевидно, нет, иначе моча выделялась бы слишком часто. Целесообразно ли, чтобы порции были очень большими? Тоже нет, так как возникла бы угроза перерастяжения и травмирования мочевого пузыря. Следовательно, должен существовать определенный, не слишком большой уровень растяжения пузыря скопившейся мочой. При достижении этого уровня мышечный сфинктер, находящийся в шейке мочевого пузыря, должен расслабляться, а гладкие мышцы пузыря сокращаться, что приводит к выбрасыванию мочи через мочеиспускательный канал наружу. В действительности так и происходит. При накоплении в пузыре определенного количества мочи он соответственно растягивается. Степень этого растяжения улавливается рецепторами (измерительный элемент), находящимися в стенках мочевого пузыря. Возбуждение от рецепторов передается в крестцовый отдел спинного мозга, где находится центр (управляющий элемент) рефлекса мочеиспускания, и, если не происходит произвольное (сознательное) торможение рефлекса (которое тоже имеет свои границы), то сфинктер расслабляется и начинается сокращение гладких мышц пузыря. В этом проявляется действие отрицательной обратной связи – она не позволяет пузырю растягиваться сверх определенного уровня.

Если Вы внимательно анализируете данный пример, то возможно задумаетесь над тем, почему же опорожнение пузыря не прекращается, как только растяжение его стенок уменьшится после выхода первой же порции мочи? Действительно, отрицательная обратная связь способствует удержанию регулируемой величины на определенном уровне. В некоторых случаях этого достаточно. Например, при поддержании постоянства артериального давления, температуры тела, осмотического давления крови и т.д. Но в нашем случае, если бы в процессе регуляции работы мочевого пузыря участвовала только отрицательная обратная связь, это привело бы к тому, что пузырь был все время наполнен определенным количеством мочи. При увеличении этого количества избыток выбрасывался бы за счет сокращения мышц пузыря, но оно сразу же прекращалось, как только растяжение стенок уменьшится до заданного уровня. Таким образом, ситуация оказывается более сложной. Отрицательная обратная связь предупреждает перерастяжение пузыря, но не может обеспечить быстрый переход в новое состояние – полное опорожнение. Вы, очевидно, уже догадались, что здесь необходима положительная обратная связь, которая как раз и обеспечивает быстрый переход системы в новое состояние. Посмотрим как это происходит.

Когда моча попадает в мочеиспускательный канал, он растягивается и раздражаются заложенные в его стенках рецепторы. Возникающие импульсы стимулируют центр мочеиспускания, который заставляет мышцы мочевого пузыря продолжать сокращаться. Таким образом, прохождение мочи по мочеиспускательному каналу приводит к сокращению мышц пузыря, а это в свою очередь способствует дальнейшему выбросу мочи в канал и продолжению растяжения его стенок. Обратите внимание на типичную для положительной обратной связи картину. Сокращение мышц мочевого пузыря приводит к прохождению мочи по мочеиспускательному каналу и растяжению его стенок. А растяжение стенок канала стимулирует дальнейшее сокращение мышц пузыря. Система сама себя возбуждает.

Рецепторы, образующие рецептивное поле рефлекса мочеиспускания, реагируют не на любое раздражение, а на специфическое, в данном случае – растяжение стенок. На изменение давления рецепторы не реагируют. В чем физиологический смысл этой особенности? Гладкие мышцы обладают свойством пластичности. При растяжении их напряжение меняется незначительно, в отличие от скелетных мышц, которые сопротивляются растяжению. Это свойство гладких мышц физиологически целесообразно, так как благодаря ему в полости пузыря не возникает большое давление, что было бы нежелательно. Но если так, то изменения давления внутри мочевого пузыря не будут давать точную информацию о количестве находящейся в нем мочи. Значительно точней информация, основанная на степени растяжения стенок пузыря. Именно об этом и сообщают его рецепторы. Подведем итоги. Без прямой связи нервная система не может «командовать» исполнительными органами, без обратной связи «не знает», как командовать, не получая информации о состоянии этих органов. Без отрицательной обратной связи система не сможет компенсировать отклонение от заданного состояния, без положительной обратной связи не сможет быстро переходить в новое состояние, когда это потребуется. Положительная обратная связь в отличие от отрицательной должна действовать в течение относительно короткого времени. В противном случае в системе могут возникнуть нарушения, вплоть до выхода ее из строя и саморазрушения.

Будущему врачу очень важно понимать, что многие патологические состояния связаны с нарушением именно информационных процессов в той или иной физиологической регуляторной системе. Например, при блокаде проводящей системы сердца возбуждение из синусного узла (управляющий элемент) не доходит до мышечных волокон миокарда (объект управления). Сердце не может нормально сокращаться, так как не получает необходимых команд (сигналов, несущих информацию). Для спасения жизни больного необходимо вводить в сердце искусственную информацию (вживить в него электрический стимулятор). Если же выключить рецепторы, заложенные в оболочках сердца, то оно сохранит способность к сокращениям, но не сможет адекватно изменять свою работу при каких-либо изменениях в самом сердце, так как не будет доставляться информация о характере и величине этих нарушений.

Для того, чтобы в системе возникли регуляторные процессы, необходима информация об изменениях, которые произошли в ней или вне нее. В зависимости от характера этих изменений различают несколько типов регулирования, а именно: по отклонению (рассогласованию) и по возмущению, а также по параметру и по производной.

Регулирование по отклонению состоит в том, что система реагирует на любое отклонение выходной переменной от заданного уровня (рассогласование). Например, если организм подвергается действию холода, это может привести к понижению температуры крови. Рецепторы, находящиеся в гипоталамусе, воспринимают это воздействие и передают соответствующую информацию в центр терморегуляции. Там происходит сравнение реальной температуры с заданной (определяется ошибка рассогласования) и посылаются сигналы в мышцы, в которых возникают непроизвольные сокращения – дрожь. В результате выделяется дополнительное количество тепла и температура тела повышается. Аналогичным образом при перегревании организма терморецепторы раздражаются кровью, имеющей повышенную температуру, и теперь центр терморегуляции активирует потовые железы. Выделившийся пот испаряется, что способствует отдаче избытка тепла и охлаждению организма.

Регуляция по отклонению надежно компенсирует сдвиги, которые могут возникать в состоянии физиологических систем. Однако при этом имеет место запаздывание. Пока отклонение достигнет достаточной величины, пока сработают все элементы системы управления, может пройти относительно большое время. Этого недостатка лишена регуляция по возмущению.

При регуляции по возмущению система реагирует на сигналы, которые сообщают не о том, что отклонение уже произошло, а о том, что оно может произойти в будущем. Это регуляция с опережением, а информацию, которая при этом поступает, называют опережающей. Обратимся к рассмотренному выше примеру.

Если человек подвергается действию холодного ветра, то раздражаются рецепторы кожи. При этом охлаждения крови еще не происходит. Однако, если действие ветра будет продолжаться, такое охлаждение неминуемо наступит. Поскольку в системе имеются элементы, осуществляющие регулирование по возмущению, мышечная дрожь возникает уже при охлаждении кожи, но еще до того, как произойдет понижение температуры «ядра», то есть, внутренних отделов организма.

Регулирование по возмущению позволяет предупредить возникновение отклонения. Однако в системах, работающих только по возмущению, отсутствуют обратные связи. Поэтому такие системы будут реагировать на возмущение до тех пор, пока оно не прекратится, независимо от величины выходной переменной. Оптимальным вариантом будет комбинированная система, которая может работать и по отклонению, и по возмущению. Именно такими являются физиологические системы организма.

Системы регулирования в своей деятельности могут использовать и другие принципы, например, регулирование по параметру и по производной. Система, работающая по параметру, реагирует на возникшее в ней отклонение тем сильнее, чем больше величина этого отклонения. Так, например, в опытах на козах было показано, что чем сильнее охлаждают кровь животного, тем больше интенсивность возникающей мышечной дрожи. Таким образом, система работающая по параметру, реагирует на величину отклонения.

Система, работающая по производной, реагирует на скорость возникающего отклонения. Воспользуемся рассмотренным выше примером о механизме мочеиспускательного рефлекса. При достаточно сильном растяжении мочевого пузыря возбуждаются заложенные в его стенках рецепторы, посылающие импульсы в центры, находящиеся в крестцовом отделе спинного мозга. Установлено, что чем быстрее происходит растяжение, тем интенсивней этот поток импульсов.

Физиологический смысл регулирования по производной понятен. Чем быстрее нарастает отклонение в системе, тем больше опасность, что оно может достичь слишком большого уровня. Поэтому система начинает заранее противодействовать нарастанию, пользуясь информацией о большой его скорости.

С регуляторными процессами в организме связан еще один важный физиологический принцип. Его можно назвать «система – антисистема» или принцип страховки. Он тоже сложился в ходе эволюции и его приспособительное значение очевидно, хотя не всегда о нем помнят. Сущность этого принципа становится понятной из примеров.

Пример 2.11. Система свертывания крови останавливает кровотечение из поврежденных сосудов. Это полезно. Но, если в работе этой системы произойдет сбой, то может начаться свертывание крови в неповрежденных сосудах, что очень опасно. Не случайно поэтому в ходе эволюции возникла не только свертывающая, но и антисвертывающая система, которые совместно и управляют процессами гемеостаза.

Пример 2.12. Специальные группы лейкоцитов обеспечивают устранение чужеродных для организма веществ и клеток. Но, если эти лейкоциты слишком «распоясаются», то в дело вступят лейкоциты-супрессоры, которые следят за тем, чтобы активность противоположной системы находилась в допустимых пределах и не причинила вред собственному организму, атакуя нормальные клетки.

Пример 2.13. Пепсин желудочного сока переваривает белки пищи. Но чтобы он не мог переваривать стенки протоков желез и самого желудка, природа предприняла защитные меры. Фермент выделяется в неактивном состоянии и активируется только в желудке, стенки которого в свою очередь защищены слоем слизи.

Пример 2.14. В организме существует ноцицептивная система, обеспечивающая возникновение ощущения боли. Одновременно имеется и антиноцицептивная система, способствующая ограничению болевых ощущений при нормальном состоянии организма.

Таким образом при выработке умения мыслить физиологически очень важно в каждом конкретном случае понимать, в частности, как протекает регуляция той или иной функции, с чем связаны изменения регуляторных процессов, как они соотносятся с принципом целесообразности, Физиологические механизмы регуляции мы рассмотрим при решении соответствующих задач.

Если организм достаточно часто подвергается действию каких-либо факторов, он начинает к ним приспосабливаться. При этом происходит перестройка регуляторных механизмов, направленная на уменьшение сдвигов, первоначально вызываемых действующим фактором. Иначе говоря, организм стремится уменьшить цену, которую он вынужден платить в ходе противодействия данному фактору. С этим связано важнейшее свойство всех живых систем – адаптивность или приспособляемость.