РЕГУЛЯТОРНЫЕ И ГОМЕОСТАТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОСТОЯНСТВА ВНУТРЕННЕЙ СРЕДЫ ОРГАНИЗМА

На протяжении многих лет крылатая фраза Клода Бернара (Bernard, 1878): «Постоянство внутренней среды организма — залог его свободной и независимой жизни»,— служила отправной точкой для почти необозримого числа экспериментальных исследований, теоретических выводов, нередко спорных и противоречивых. Но лишь после того, как Уолтер Кеннон (Cannon. 1929) сформулировал свое представление о гомеостазе, заложенное в этой фразе содержание получило не только общебиологическое, физиологическое, но и глубокое философское звучание. Это не значит, что Кеннон открыл новую, неизвестную до него закономерность в организме. Сходные высказывания можно найти в трудах многих физиологов XIX и начала XX столетий (Е. F. W. Pfluger, L. A. Fredericq, Ch. R. Richet, И. M. Сеченов, И. П. Павлов, Л. А. Орбели, К. М. Быков. Л. С. Штерн и др.). Однако именно Кеннон ввел в науку определение, получившее всеобщее признание.

Под гомеостазом следует понимать относительное постоянство состава и свойств внутренней среды и устойчивость физиологических функций организма (кровообращения, дыхания, пищеварения, обмена веществ и т. д.). В каждый момент своей жизни организм испытывает непрерывное влияние факторов, отклоняющих равновесие в ту или иную сторону («возмущающих воздействий»). Одновременно вступают в действие механизмы, предотвращающие или компенсирующие уже возникшие или наметившиеся сдвиги. Как указывает Г. Дришелъ (1960), понятие «гомеостаз» не разъясняет сущности явления. Оно лишь отражает тот факт, что при самых разнообразных условиях и потребностях основные физические и химические параметры во внутренней среде организма сохраняют удивительное постоянство. При этом даже значительные отклоняющие воздействия вызывают неожиданно малые и лишь временные колебания, после чего очень быстро восстанавливаются нормальные внутренние взаимоотношения.

Для того чтобы жизнедеятельность организма не нарушалась, чтобы все физиологические функции осуществлялись в оптимальных условиях, необходимо сохранение постоянной концентрации водородных ионов, определенного осмотического давления крови и тканевой жидкости, устойчивой концентрации электролитов и микроэлементов, поддержание на одном и том же уровне температуры тела, кровяного давления, обмена веществ.

Под внутренней средой организма современная физиология, начиная с К. Бернара, понимает комплекс его жидких систем — крови, лимфы, тканевой жидкости, омывающих клеточные элементы и принимающих непосредственное участие в их питании и обмене. От состава и свойств общей внутренней среды — крови и микросреды отдельных органов и клеток — тканевой жидкости зависят трофика, реактивность и возбудимость, чувствительность к различным воздействиям, нормальная жизнедеятельность как всего организма, так и отдельных составляющих его элементов. Сдвиги, возникающие во внутренней среде, могут вызывать специфические изменения в рецепторах и эффекторах, регулируя и направляя биохимические и физиологические процессы в клетках, органах, физиологических системах, целостном организме.

Постоянство внутренней среды обеспечивается сложной системой приспособительных реакций, направленных на ограничение влияния факторов, способных вызвать нарушение гомеостаза. Факторы эти действуют на живую систему постоянно и неизменно, хотя и в разной степени и с различной интенсивностью. Но, возникая, они встречают каждый раз противодействие со стороны защитных, компенсирующих механизмов организма. Благодаря этому, состав, физико-химические и биологические свойства внутренней среды сохраняются на одном определенном уровне. Уровень этот стабилен лишь относительно, поскольку в живом организме нет и не бывает абсолютной, фиксированной стабильности, как и равновесие может быть только колеблющимся, динамическим. Все процессы совершаются в постоянном и непрерывном движении, которое подчиняется своим законам и имеет свой ритм. Поэтому предложенные некоторыми авторами термины «гомеокинез» (постоянство движения) и «гомеорез» (постоянство течения) не могут и не должны заменить всеобъемлющего понятия о «гомеостазе», которое включает устойчивость внутренней среды и физиологических функций в аспекте непрерывного движения и течения.

Однако ошибочной следует признать точку зрения некоторых исследователей, которые любое колебательное отклонение от той или другой константы готовы рассматривать как нарушение принципа гомеостатического регулирования (Гольдэкр, 1964) или как доказательство неадекватности самого представления о гомеостазе (Росин, 1965).

У. Кеннон всегда подчеркивал, что устойчивость организма не обусловлена «стабильностью» физиологических процессов. Это особая устойчивость, характеризующаяся непрекращающимся колебанием физиологических и биохимических показателей. Однако эти колебания протекают в сравнительно узких пределах.

В своей интересной и весьма информативной книге А. А. Логинов (1976) пишет, что степень гомеостатичности колебательных и тем более автоколебательных процессов биосистем находится в сложной зависимости от амплитудно-частотных характеристик (амплитуды, частоты и амплитудно-частотной интенсивности гомеостатического параметра).

По разным показателям границы гомеостаза могут быть жесткими и лабильными, меняясь и варьируя в зависимости от индивидуальных, временных, климатических, географических, сезонных условий. Гомеостаз в широком понимании охватывает вопросы циклического или фазового течения реакций, компенсации («меры физиологической защиты»), регулирования, противорегулирования, адаптации физиологических процессов, последовательности и эффективности включения различных защитных приспособлений, меняющуюся взаимозависимость нервных, эндокринных и гуморальных компонентов регуляторного процесса и т. д.

Как известно, живая клетка представляет подвижную, саморегулирующуюся систему, не находящуюся в абсолютном равновесии с окружающей средой. Поэтому ее внутренняя организация поддерживается активными процессами, направленными на ограничение, предупреждение или устранение сдвигов, вызванных различными воздействиями из внешней и внутренней среды. Способность возвращаться к исходному состоянию после отклонения от некоторой средней величины, вызванного тем или иным возмущающим фактором,— особое преимущество клетки.

В известной мере это относится и к целостному организму, который в процессе жизнедеятельности поддерживает и восстанавливает структуру и функции на молекулярном, микро- и макроскопическом уровнях вопреки всем нарушающим влияниям.

Каждое эмоциональное, физическое или химическое воздействие (введение фармакологического препарата, физиотерапевтическая процедура, изменение атмосферного давления, влажности среды и т. д.) может оказать возмущающее влияние на организм. Любое раздражение ведет к возникновению сложного комплекса приспособительных реакций, предотвращающих или сглаживающих возможный сдвиг в составе и свойствах внутренней среды, что обеспечивается не только выравниванием уже возникших изменений, но и многоконтурной системой физиологических мер защиты, направленных на их предупреждение. Раздражение является толчком в возникновении цепной реакции, выражающейся в одних случаях в нарастающих, в других — в затухающих фазовых колебаниях состава, физико-химических и биологических свойств крови, выведения из организма метаболитов, гормонов, медиаторов, электролитов, изменения проницаемости гисто-гематических барьеров, а также повышения либо понижения тонуса и реактивности комплексной вегетативной гуморально-гормональной системы.

Спортивная деятельность, в частности тренировки, упражнения, соревнования и т. д., во всех случаях должна быть отнесена к возмущающим факторам. Предстартовые и стартовые состояния, физические нагрузки, особенно ответственные, требующие максимального напряжения всех сил и возможностей организма, являются в той или иной степени стрессорными. Вот почему проблема гомеостаза приобретает для спортивной науки — спортивной физиологии и медицины особо важное значение. Постоянство внутренней среды, устойчивость физиологических функций, то, что называется относительной стабильностью или даже ультрастабильностью жизненных функций (Горизонтов, 1976), имеют для спорта особое значение.

Выход за границы гомеостаза нежелателен и даже опасен во всех фазах жизнедеятельности организма, но чреват самыми тяжелыми последствиями для спортсмена, выполняющего задание, не только связанное с его личной судьбой, но и имеющее нередко общественное или национальное значение. Пределы выносливости или работоспособности нормального здорового человека недостаточны для человека, специально занимающегося спортом, особенно спортсмена высокого класса. Отсюда и проблемы оптимальных и неоптимальных границ гомеостаза, тренировки и совершенствования гомеостатических механизмов, приспособления внутренней среды организма и основных физиологических функций к предъявляемым требованиям, сокращения длительности восстановительного периода, управления физиологическими процессами в условиях покоя и физического напряжения (Кассиль, 1974, 1975).

И совершенно естественно, что проблема гомеостаза самым тесным образом связана с проблемой адаптации, приспособления организма к меняющимся условиям внешней среды, к требованиям, предъявляемым живой системе при стрессовых и экстремальных условиях. Как указывает Лабори (Laborit, 1976), земная биосфера сама в достаточной степени гомеостазирована. А здоровый организм человека, стабилизируя свои гомеостатические механизмы, сохраняет постоянство внутренней среды, «залог его свободной и независимой жизни».

Гомеостаз обеспечивается нервными, гуморально-гормональными, обменными и выделительными механизмами. Он является результирующим многих частных, непрерывно возникающих, усиливающихся и затухающих физиологических процессов. Существует почти неограниченное число механизмов, регулирующих как внутриклеточные, так и межклеточные взаимоотношения. Эти механизмы позволяют сложной, высокодифференцированной живой системе поддерживать определенную, хотя и относительную устойчивость, несмотря на изменения во внешнем мире и сдвиги, возникающие в процессе жизнедеятельности органов и тканей.

В здоровом организме высших животных и человека колебания физиологических и биохимических параметров протекают в довольно узких гомеостатических границах, оптимальных для данной жизненной ситуации. Спортивная деятельность неизбежно раздвигает эти границы. Физиологические и биохимические параметры у спортсмена должны колебаться в более широких пределах, чем у человека, не занимающегося систематически спортом. Это можно было предвидеть, но прямые доказательства появились сравнительно недавно.

В некоторых случаях представление о гомеостазе используется (подчас не совсем правомерно) для объяснения изолированных физиологических состояний и процессов. Так, Лабори (Laborit, 1976) говорит о гомеостазе ограниченном (местном) и общем (генерализованном). Отсюда возникли встречающиеся в литературе понятия иммунологический, генетический, электролитный, системный, молекулярный, физико-химический, стайный гомеостаз и т. п. Появились термины «хемостат», «гемостат», «осмостат», «иммуно-гемостат» и т. д. Вряд ли это содействует углублению проблемы, скорее способствует ее расширению.

Большое место в литературе занимают поиски единой теории гомеостаза, вернее, стремление найти ведущий механизм, регулирующий многоплановые реакции, определяющие состояние жизненной устойчивости организма. Механизмы гомеостатических реакций рассматриваются по-разному различными авторами. Выделение ведущего фактора, направляющего и регулирующего основные физиологические процессы, в целостном организме при возмущающих воздействиях чрезвычайно сложно и на современном уровне знаний не всегда возможно.

Ни одна из предложенных концепций гомеостаза не исчерпывает всей проблемы в целом. Теории ведущей роли вегетативной нервной системы (Л. А. Орбели, Э. Геллъгорн), кортико-висцеральной регуляции (К. М. Быков), барьерных функций организма (Л. С. Штерн), нервной трофики (А. Д. Сперанский), гипофизарно-надпочечниковых взаимоотношений (Г. Селъе), интегрирующей роли отдельных функциональных систем (П. К. Анохин), гипоталамического регулирования (Н. И. Гращенков) и т. д. охватывают лишь разные стороны проблемы. Лабори (Laborit, 1976) утверждает, что вся проблема равновесия живого многоклеточного организма сводится к перемещению в нем молекул водорода (Н₂),что ведет к изменению рН внеклеточной жидкости. Е. Кнокс (Кпох, 1976) развивает теорию антизимов (ингибиторов энзимов), образующихся по принципу обратной связи при ферментативных реакциях, поддерживающих гомеостаз.

В последние годы появился ряд работ, оценивающих гомеостаз с физико-химических позиций (Wiener, 1961). Так, В. Н. Новосельцев (1973) рассматривает проблему гомеостаза как задачу управления потоками вещества и энергии, которыми открытая система обменивается со средой. Многие авторы представляют внутреннюю среду в виде сложноцепной системы с рядом «активных входов» (внутренних органов) и последовательностью физиологических показателей (кровоток, артериальное давление, газообмен), знание каждого из которых обусловлено активностью «входов» предшествующих показателей. При этом не учитывается роль «выходов», различных при разных состояниях организма. Стремление решить проблему гомеостаза с позиций кибернетики представляет попытка У. Эшби (1959) сконструировать самоорганизующееся устройство, моделирующее способность живых организмов поддерживать некоторые величины в физиологически допустимых границах.

В течение многих лет разрабатываются вопросы вегетативно-гуморалъно-гормоналъного обеспечения гомеостаза в условиях нормы и патологии. Но мы отнюдь не считаем, что это единственный механизм, осуществляющий постоянство внутренней среды и устойчивость физиологических функций. Экспериментальные и клини-физиологические исследования показывают, что тонус и реактивность вегетативной нервной системы играют важнейшую роль в поддержании гомеостаза. Литература, посвященная ее значению в осуществлении гомеостатических реакций, чрезвычайно велика (см. работы Л. А. Орбели, Л. С. Штерн, Н. И. Гращенкова, Г. Н. Кассиля и др.). Э. Геллъгорн (1948) указывает, что вегетативная нервная система, изменяя и регулируя функции кровообращения и дыхания, процессы теплопродукции и теплоотдачи, объем и состав крови, а также ряд других функций организма, играет основную роль в сохранении гомеостаза.

Создание и поддержание адекватных условий во внутренней среде организма обеспечивается комплексной вегетативной системой (Кассиль, 1970). Понятие это охватывает вегетативный нервный аппарат (сегментарный, надсегментарный), совокупность гуморально-гормональных регуляторных механизмов и физико-химическую систему организма. Эрго- и трофотропные функции организма, взаимоотношение которых представлено на схеме М. Моннъе (Monnier, 1968), в значительной степени определяются как количеством, так и качеством адрен- и холинергических метаболитов во внутренней среде (рис. 1).

Рис. 1. Схема эрготропного (центрифугальные стрелки) и трофогропного (центрипетальные стрелки) переключения по М. Моннье (Monnier, 1968)

Селективное активирование определенных вегетативных органов под влиянием симпатической нервной системы вызывает повышение реактивности (готовности к действию) анимальной нервной системы. Селективное активирование определенных вегетативных органов под влиянием парасимпатической нервной системы создает оптимальные условия во внутренней среде (ассимиляция, удаление использованных продуктов)

Особый интерес представляют в этом плане различные формы колеблющегося, динамического вегетативного равновесия (рис. 2). Данные, полученные при изучении комплексной вегетативно-гуморально-гормональной системы человека (здорового и страдающего различными формами патологии), показывают, что состояние, получившее название вегетативного равновесия нельзя рассматривать в виде какой-то статической или неизменной величины. На самом деле — это протекающее в определенных границах гомеостаза, постоянно меняющееся, имеющее свой ритм и колебательный контур, пребывающее в постоянном движении соотношение нервных и гуморалъно-гормональных параметров симпато-парасимпатического ряда регуляторных механизмов.

1 — колебания вегетативного равновесия (различная штриховка) в условиях нормальной жизнедеятельности организма; 2 — преобладание симпатического отдела при неизменном состоянии (тонусе и реактивности) парасимпатического; 3 — преобладание симпатического отдела при снижении тонуса и реактивности парасимпатического; 4 — преобладание парасимпатического отдела при неизменном состоянии (тонусе и реактивности) симпатического; 5 — преобладание парасимпатического отдела при снижении тонуса и реактивности симпатического. Фазовые колебания тонуса и реактивности условно представлены различной штриховкой.

«Соотношение сил» внутри вегетативной нервной системы зависит от протекающего в определенных границах гомеостаза тонуса и реактивности всего вегетативно-гуморально-гормонального комплекса, характеризующегося сменой активности его симпатических и парасимпатических компонентов.

Динамическое определение содержания в жидких средах организма и его выделениях метаболитов, медиаторов и гормонов (адреналина, норадреналина, их предшественников и продуктов превращения, ацетилхолина, гистамина, серотонина, кортикостероидов, инактивирующих их ферментных и связывающих систем) является одним из наиболее адекватных методов исследования центральных и периферических отделов вегетативной нервной системы (Кассиль, 1963). При этом высокая симпатическая активность крови и тканевой жидкости может зависеть не только от высокого содержания в них адреналина и норадреналина, но и от снижения уровня ацетилхолина, а повышение парасимпатической активности обусловлено как нарастанием количества ацетилхолина, так и низким содержанием адреналина и норадреналина. По уровню в жидких средах и выделениях организма адреналина и норадреналина можно судить о состоянии симпато-адреналовой системы в целом или ее отдельных звеньев — нервного и гормонального.

Описаны различные формы нарушения тонуса и реактивности вегетативной нервной системы. Они охватывают не только весь комплекс как единое целое, но и во многих случаях отдельные его элементы, связанные с деятельностью определенных тканей, органов, физиологических объединений.

В нормальных условиях жизнедеятельности организма повышение симпатической активности крови постоянно компенсируется нарастанием активности парасимпатической. Увеличение количества веществ одного ряда по принципу «обратной связи» уравновешивается либо усилением процессов инактивирования, либо повышенным образованием или уменьшенным распадом веществ противоположного ряда. Этим обеспечивается относительное постоянство биологической активности жидких сред организма. Выраженные патологические состояния, в некоторых случаях с необратимым исходом, могут возникнуть в тех случаях, когда организм в силу тех или иных причин не в состоянии противопоставить одной какой-либо перевозбужденной (или перенапряженной) системе систему, компенсирующую, уравновешивающую активность первой.

Для выявления границ гомеостаза в нашей лаборатории разработаны различные функциональные пробы, позволяющие выявить потенциальные и резервные возможности организма, тонус и реактивность симпатического и парасимпатического отделов комплексной вегетативной нервной системы. При определенных физиологических состояниях, как и при некоторых формах нервной и висцеральной патологии, реакции этой системы могут быть ослаблены, усилены или извращены. Сложное, в какой-то мере реципрокное, взаимоотношение имеет существенное значение для спортивной деятельности. Как показывают материалы, изложенные в последующих главах, физические нагрузки в зависимости от вида, интенсивности, длительности могут вызвать адекватные и неадекватные сдвиги во внутренней среде организма. Сдвиги эти позволяют оценить состояние гомеостатических механизмов и выявить скрытые формы патологии и предпатологии (Кассиль, 1974).

П. Д. Горизонтов (1976) считает, что гомеостаз - большая проблема современной патологии, поскольку сама болезнь по своей типической сущности представляет нарушение его механизмов и путей восстановления, но, точнее, гомеостаз — основная проблема физиологии, имеющая лишь выход в патологию. Сопоставление результатов большого числа клинических и клинико-физиологических наблюдений и исследований показывает, что некоторые нарушения нормальной жизнедеятельности организма можно расценить как особый вид патологии — «болезни гомеостаза» (Кассиль, 1966). К ним относятся состояния, обусловленные недостаточностью, избытком или неадекватностью приспособительных и регуляторных систем организма. С известной условностью к ним следует причислить нарушения функций, связанные с процессами старения, некоторыми функциональными расстройствами, истощением нервной системы, эндокринного аппарата, заболеваниями типа вегетативной дисфункции, аллергическими проявлениями и т.д.. Это отнюдь не болезни адаптации, описанные Г. Селье (Selye, 1952), поскольку представление о гомеостазе и гомеостатических механизмах шире и охватывает больший круг вопросов, чем понятие об адаптационном синдроме и не может быть сведено к адаптивным гормонам, которым Г. Селье приписывает ведущую роль в развитии некоторых форм патологии. К «болезням гомеостаза» Г. Н. Кассиль относит периодические проявления нарушения функций, возникающие у людей совершенно здоровых в промежутках между приступами болезни. Течение их подчинено какому-то еще мало изученному ритму. При этом, как неоднократно подчеркивается в этой книге, гуморально-гормональные сдвиги предшествуют нарушению физиологических функций.

Примером могут служить столь часто наблюдаемые при нарушениях деятельности гипоталамических центров вегетативные кризы. Установлено, что за несколько часов до наступления симпато-адреналового криза с его характерными проявлениями перевозбуждения симпатического отдела вегетативной нервной системы в крови резко нарастает уровень катехоламинов (рис. 3, 4). В то же время стремительное повышение парасимпатической активности крови является первым признаком надвигающейся ваго-инсулярной бури. На высоте криза, когда течение физиологических процессов вышло за границы гомеостаза, гуморально-гормональные взаимоотношения резко перестраиваются. При симпато-адреналовом кризе в крови компенсаторно нарастает содержание ацетилхолина, а при ваго-инсулярном - катехоламинов (Кассиль, 1964).

Опыт показывает, что слабые физические, химические или комбинированные воздействия являются факторами, тренирующими гомеостатические механизмы здорового и больного организма. При длительном применении они приводят к установлению нового, более совершенного режима фазовых колебаний физиологических и биохимических параметров.

Значение проблемы гомеостаза далеко выходит за пределы экспериментальных исследований и научных споров.

Параллельными линиями отражены границы гомеостаза (S — симпатические, Р - парасимпатические); а — биохимические (гуморально-гормональные) сдвиги; б - физиологические сдвиги при развитии и затухании явлений криза; 1 — фаза нарастания симпатомиметической активности крови; 2 — фаза снижения симпатомиметической и нарастания парасимпатомиметической активности крови; 3 — фаза постепенного нарастания физиологических проявлений симпато-адреналового криза; 4 — фаза выраженного симпато-адреналового криза с выходом за пределы гомеостаза.

Проблема эта охватывает все аспекты взаимодействия между организмом и средой. Для спортивной физиологии и медицины она имеет особо важное значение. Усиление и мобилизация приспособительных механизмов, «упорядочение» гомеостатических возможностей организма, выявление и укрепление ослабленных звеньев в системе мер «физиологической защиты» - важнейшая задача профилактической, клинической и спортивной медицины. Сугубо индивидуальный подход, использование современных методов физиологического, физико- и биохимического обследования, система тщательно продуманных функциональных проб и нагрузок помогают исследователю, работающему в области спорта, отыскать правильное направление исследований в каждом конкретном случае.

Лекция № 5