Сигнализация. Гормональная и нервная регуляция

Для координации поведения и взаимодействия организмов, а также органов и клеток внутри организма необходима сигнализация.

Животные используют прежде всего запахи, то есть химическую сигнализацию. Пахучие вещества - разнообразные молекулы - выделяются у животных кожными железами, с выдыхаемым воздухом, с мочой и другими жидкостями, а у растений листьями, корой, цветками. Воспринимаются запахи у различных животных обонятельными органами или диффузно рассеянными в покровах хеморецепторными клетками. Различают, с одной стороны, аттрактанты - привлекающие вещества, в том числе феромоны - привлекающие полового партнера, с другой - репелленты - отпугивающие вещества. Аттрактанты и репелленты очень эффективны в борьбе с вредными насекомыми, улитками, грызунами и другими животными. Диапазон их действия может достигать нескольких километров. Пахучие травы, масла применяли с древних времен. В настоящее время в качестве аттрактантов и репеллентов все чаще используют синтетические препараты, которые своей молекулярной структурой как бы подражают природным пахучим веществам.

Многие организмы используют для общения свет. Свечением обладают некоторые бактерии, грибы, простейшие, медузы, ракообразные, насекомые, рыбы.

Специальные вещества - люминофоры выделяют порции световой энергии под действием коротковолнового излучения, электрического разряда или химической реакции. Это явление, называемое люминесценцией, известно также в неживой природе - например, свечение белого фосфора, сернистных соединений кальция, бария, стронция. Биолюминесценция используется разными организмами для освещения и приманки добычи, отпугивания хищников, привлечения полового партнера.

Важное значение в сигнализации у животных имеют также звуки, позы, жесты. В эволюции человека эти формы сигнализации становились ведущими. Придавая особое значение речи как форме общения людей, академик И.П. Павлов назвал ее второй сигнальной системой, противопоставив всем остальным сигналам, объединенным в понятие первой сигнальной системы. Особенность речи как способа сигнализации состоит в том, что в словах содержится обобщение бесчисленных сигналов первой сигнальной системы, и, таким образом, слова становятся «сигналами сигналов». Речь является одним из проявлений и в то же время инструментом высшей нервной деятельности человека (см. ниже).

Внутри организма для взаимодействия между органами, тканями и отдельными клетками и для восприятия сигналов из внешнего мира используются гормональные и нервные механизмы регуляции.

Гормональная регуляция осуществляется с помощью биологически активных веществ, среди которых главную роль играют гормоны (от греческого hormao - побуждаю, привожу в движение). Гормоны выделяются в кровь особыми эндокринными железами, или железами внутренней секреции (гипофиз, надпочечник, щитовидная, поджелудочная, половые и другие железы). Доставка гормонов к органам-мишеням также осуществляется через жидкие среды организма - кровь, лимфу и межклеточные жидкости, поэтому данный механизм передачи сигналов называется гуморальным (от латинского humor - жидкость). Эндокринная система находится под контролем центральной нервной системы. Поэтому нервное возбуждение всегда оборачивается волной гормональных воздействий, которые мобилизуют организм на адекватную реакцию. Например, при стрессовых ситуациях (страх, физическая перегрузка) надпочечники выбрасывают в кровь гормон адреналин, который резко повышает потребление кислорода и концентрацию глюкозы в крови, что, в свою очередь, приводит к увеличению выработки энергии. Таким образом, фактически реализуется единая нейрогормональная регуляция.

Большинство гормонов по химической природе представляют пептиды (малые белки), бывают также стероиды (из класса липидов) и моноамины (переделанные аминокислоты). Каждый гормон воздействует на определенные клетки-мишени или несколько типов клеток. Восприятие гормонального сигнала осуществляется специальными молекулами-рецепторами (гликопротеидами или гликолипидами), расположенными в оболочке либо в цитоплазме клетки (рисунок). Возбужденный рецептор, катализируя цепь химических реакций, передает сигнал дальше – на рабочие структуры клетки. В результате идет ответная реакция в форме секреции (выброса активных веществ), специфических синтезов, размножения и роста клеток. Таким образом, гормоны участвуют в регуляции функционирования, роста и развития организма. На всех этапах от узнавания гормона клеточным рецептором до ответной реакции осуществляются элементарные физико-химические процессы: молекулярное узнавание на основе стереохимического соответствия (ключ-замок), обратимое конформационное изменение («вздрагивание») молекул, переход энергии из одной реакции в другую и т. п.

Нервная регуляция происходит с помощью особых нервных клеток (нейронов), имеющих длинные отростки и связанные в нервные цепи или сети разной сложности.

Нервная регуляция имеется уже у гидр и медуз - наиболее простых многоклеточных животных, а наивысшего развития достигает у позвоночных, особенно у человека с его развитым головным и спинным мозгом, вегетативной системой ганглиев и локальными скоплениями нейронов во внутренних органах. Буквально каждый участок тела пронизан нервными отростками и их разветвленными окончаниями, что позволяет организму иметь информацию о состоянии условий среды во всех его точках и управлять этими состояниями - как правило, с участием гормональной регуляции. На основе нервных связей формируются сложные программы внутренней регуляции органов, поведения и высшей нервной деятельности.

Наиболее сложным проявлением высшей нервной деятельности у человека выступает сознание как высший уровень психической активности. Важнейшей функцией сознания является мышление с его основными операциями абстрагирования, обобщения, опосредствования и др. Мышление направлено на осознание существа предметов и явлений, созидание новых идей, мысленное построение действий и предвидение их последствий. Мышление представляет высшую форму активного отражения объективной реальности. Способна ли современная наука объяснить природу нервной деятельности, понять тонкие механизмы работы мозга? В нейробиологии остается много вопросов и белых пятен, поскольку речь идет о самой сложной форме проявления жизни, но элементарные процессы изучены достаточно хорошо. Как уже сказано выше, структурной единицей нервной ткани является нервная клетка - нейрон. Нейроны имеют многочисленные разветвленные связи, особенно сложные в коре головного мозга. Связи распространяются, с одной стороны, на чувствительные рецепторы (кожные, зрительные, слуховые, обонятельные, рецепторы внутренних органов), а с другой - на все регулируемые исполнительные органы (мышцы, пищеварительный тракт, железы и др.). Элементарным явлением в нервной регуляции выступает рефлекс - ответная реакция органа (организма) на внешнее или внутреннее раздражение, осуществляемая через нервную систему (рис. 10). Представление о рефлексах было выдвинуто еще в 17 веке французским натуралистом и философом Р. Декартом, относившим их к автоматическим непроизвольным действиям. Российский физиолог И.М. Сеченов в 1863 г. утверждал, что «все акты сознательной и бессознательной жизни по способу происхождения суть рефлексы». В 20 веке эта концепция была развита И. П. Павловым в учении о безусловных и условных рефлексах. Многочисленные и разнообразные рефлексы слагаются в сложные поведенческие акты, инстинкты, на их основе и развивается вся высшая нервная деятельность. У низших животных преобладают наследственно закрепленные безусловные рефлексы, а у человека доминируют приобретенные условные рефлексы, закрепляемые в процессах обучения, воспитания, трудовой деятельности.

Известны и биофизические принципы работы нейронов. По отросткам нейронов сигналы могут передаваться на большие расстояния за сотые доли секунды. Коснитесь рукой горячего предмета - тут же последует рефлекторный ответ. А, между прочим, сигнал успевает пробежать по чувствительным нервным волокнам от пальцев в спинальные ганглии и далее в спинной мозг, переключиться на другие нервные клетки и вернуться к мышцам, отдергивающим руку от горячего предмета (см. рисунок). Установлено, что передача сигнала по нервному волокну осуществляется с помощью электрических токов и электромагнитных полей, генерируемых в поверхностной мембране нейрона.

Рассмотрим схему генерации и проведения нервного импульса (рисунок).

Изначально благодаря работе ионных насосов (активный транспорт ионов) на мембране нервной клетки накапливается разность потенциалов (плюс снаружи, минус изнутри), достигающая 80 милливольт.

Основным носителем внешнего положительного заряда являются ионы натрия. При раздражении участка мембраны раскрываются белковые поры, по которым ионы натрия устремляются в клетку (по закону простой диффузии). Поток заряженных частиц, в данном случае - поток ионов натрия по водно-белковому каналу, представляет электрический ток. Как хорошо известно, электрический ток порождает вокруг проводника электромагнитное поле; то же самое происходит в электромоторе на обмотках ротора. Возникшее электромагнитное поле тут же перебрасывается на соседние белковые поры, раскрывая их для ионов натрия.

Порождается цепная реакция от одной поры к другой, которая распространяется вдоль всего нервного волокна. Завершается передача нервного импульса раздражением мембраны на кончике волокна и выбросом порции медиатора - вещества, возбуждающего следующую клетку. Если это будет мышечная клетка, последует сократительная реакция с участием микронитей и миозина. В соматической нервной системе сигналы проходят особенно быстро, так как большие отрезки волокон покрыты так называемой миэлиновой оболочкой, и электромагнитное поле «перескакивает» через эти участки, а не «ползет» по всем порам мембраны. Ситуация сравнима с той, когда лошадь под всадником или хищник, преследующий добычу, переходят с бега рысью в галоп.

Заметим, что электрической возбудимостью и проводимостью обладают и другие ткани, в частности мышечные пучки сердца. Это позволяет организовать его ритмичную, бесперебойную и в известной мере автономную работу. В случае остановки сердца, если в нем не произошли сильные структурные нарушения, восстановить работу можно разрядами электрического тока, что и делается в экстренной медицине.

Электрическая активность проводников мозга, сердца и других органов слагается в некоторое суммарное биополе каждого отдельного органа и всего организма.

Это электромагнитное поле легко регистрируется и служит ценным диагностическим признаком при выявлении заболеваний сердца и мозга (электрокардиография, электроэнцефалография). Особо чувствительные люди - экстрасенсы - способны улавливать своими рецепторами колебания чужого биополя и даже ставить некоторые диагнозы.

Из рассмотрения механизмов биологической сигнализации видно, что в их основе лежат элементарные физико-химические процессы. Белково-углеводные рецепторы клеточных мембран стереохимически распознают различные сигнальные молекулы - аттрактанты и репелленты, гормоны и медиаторы. Восприятие света, а значит и зрительных образов, основано на электромагнитном возбуждении белковых рецепторов в мембранах светочувствительных клеток - колбочек и палочек – в сетчатке глаза. Во всех случаях реагирующие молекулы претерпевают обратимую конформационную денатурацию. В передачу сигналов часто вовлекаются ферментативные реакции, где рабочим моментом также является конформационная перестройка. Практически все сигнальные и регуляторные процессы происходят с затратой энергии. Солнечная энергия в клетках растений генерирует синтез глюкозы, окисление глюкозы у животных дает энергию для синтеза молекул АТФ.

Из макроэргических связей АТФ энергия переходит в работу - превращается в другие химические связи, в электрическую, световую, механическую энергию и рассеивается в космос в виде остаточного тепла. Как и другие виды жизнедеятельности, сигнализация, гормональная и нервная деятельность представляют варианты существования и преобразования материи - вещества и поля.

Заключение по теме

Жизнь материальна, ее физико-химическую основу составляет обмен веществ и энергии. Материя, в том числе живая - это объективная реальность, она существует вне сознания, вне духа, независимо от какой-либо «жизненной силы».

Материя первична, тогда как сознание вторично, производно от материи, то есть представляет свойство живой материи, одну из форм ее движения. Движение - всеобщее свойство материи. Это даже больше, чем свойство - это ее способ существования. В этом смысле невозможно разделить саму живую материю и ее функциональные проявления, в том числе невозможно разделить живой мозг и его продукт - сознание. Жизнь - это особенная форма движения особенно сложно устроенной материи, качественно (эмерджентно) отличная от форм движения неорганической материи. Это новое качество - жизнь – порождается как сумма свойств составляющих элементов. Количество переходит в качество, целое оказывается больше суммы его частей. Аналогично - формы организации и движения социальных систем отличны от форм организации и движения отдельных живых индивидуумов. Современная биология имеет достаточно фактических оснований для материалистического объяснения сущности жизни.

Лекция 4.