Гомеостаз. Організм можна визначити як фізико-хімічну систему, яка існує в навколишньому

Організм можна визначити як фізико-хімічну систему, яка існує в навколишньому середовищі в стаціонарному стані. Саме ця здатність живих систем зберігати стаціонарний стан в умовах безперервно змінюваного середовища і обумовлює їх виживання. Для забезпечення стаціонарного стану у всіх організмів - від морфологічно найпростіших до найскладніших - виробилися різноманітні анатомічні, фізіологічні та поведінкові пристосування, що служать одній меті - збереженню сталості внутрішнього середовища.

Вперше думка про те, що постійність внутрішнього середовища забезпечує оптимальні умови для життя і розмноження організмів, була висловлена ​​в 1857 р. французьким фізіологом Клодом Бернаром. Протягом всієї його наукової діяльності Клода Бернара вражала здатність організмів регулювати і підтримувати в досить вузьких межах такі фізіологічні параметри, як температура тіла або утримання в ньому води. Це уявлення про саморегуляцію як основі фізіологічної стабільності він резюмував у вигляді став класичним твердження: «Сталість внутрішнього середовища є обов'язковою умовою вільного життя».

Клод Бернар підкреслював відмінність між зовнішнім середовищем, в якій живуть організми, і внутрішнім середовищем, в якій знаходяться їхні окремі клітини, і розумів, як важливо, щоб внутрішнє середовище залишалася незмінною. Так, наприклад, ссавці здатні підтримувати температуру тіла, незважаючи на коливання навколишньої температури. Якщо стає занадто холодно, тварина може переміститися в більш тепле або більш захищене місце, а якщо це неможливо, вступають в дію механізми саморегуляції, які підвищують температуру тіла і перешкоджають тепловіддачі. Адаптивне значення цього полягає в тому, що організм як ціле функціонує більш ефективно, тому що клітини, з яких він складається, перебувають в оптимальних умовах. Системи саморегуляції діють не тільки на рівні організму, але і на рівні клітин. Організм є сумою складових його клітин, і оптимальне функціонування організму як цілого залежить від оптимального функціонування утворюють його частин. Будь-яка система, що самоорганізується підтримує сталість свого складу - якісного та кількісного. Це явище називається гомеостаз, і воно властиво більшості біологічних і соціальних систем. Термін гомеостаз в 1932 р. ввів американський фізіолог Уолтер Кеннон.

Гомеостаз (грец. homoios - подібний, той же самий; stasis-стан, нерухомість) - відносне динамічну сталість внутрішнього середовища (крові, лімфи, тканинної рідини) і стійкість основних фізіологічних функцій (кровообігу, дихання, терморегуляції, обміну речовин і т.д.) організму людини і тварин. Регуляторні механізми, що підтримують фізіологічний стан або властивості клітин, органів і систем цілісного організму на оптимальному рівні, називаються гомеостатичними. Історично й генетично поняття гомеостазу має біологічні та медико-біологічні передумови. Там воно співвідноситься як кінцевий процес, період життя з окремим відокремлено взятим організмом або людським індивідуумом як чисто біологічним явищем. Кінцівка існування та необхідність виконання свого призначення - репродукції собі подібного - дозволяють визначити стратегію виживання окремого організму через поняття "збереження". "Збереження структурно-функціональної стабільності" - суть будь-якого гомеостазу, керованого гомеостата або саморегульованого.

Як відомо, жива клітина являє рухливу, саморегулюючу систему. Її внутрішня організація підтримується активними процесами, спрямованими на обмеження, попередження або усунення зрушень, що викликаються різними впливами з навколишнього і внутрішнього середовища. Здатність повертатися до вихідного стану після відхилення від деякого середнього рівня, викликаного тим чи іншим «возмущающим» чинником, є основною властивістю клітини. Багатоклітинні організми являє собою цілісну організацію, клітинні елементи якої спеціалізовані для виконання різних функцій. Взаємодія всередині організму здійснюється складними регулюючими, координуючими і коррелирующими механізмами за участю нервових, гуморальних, обмінних та інших факторів. Багато окремих механізмів, що регулюють внутрішньо-і міжклітинні взаємовідносини, надає в ряді випадків взаємно протилежні дії, що врівноважують один одного. Це призводить до встановлення в організмі рухомого фізіологічного фону (фізіологічного балансу) і дозволяє живій системі підтримувати відносне динамічну сталість, незважаючи на зміни в навколишньому середовищі і зрушення, що виникають у процесі життєдіяльності організму.

Як показують дослідження, що існують у живих організмів способи регуляції мають багато спільних рис з регулюючими пристроями в неживих системах, таких як машини. І в тому і в іншому випадку стабільність досягається завдяки певній формі управління.

Саме уявлення про гомеостазі не відповідає концепції сталого (не коливного) рівноваги в організмі - принцип рівноваги не докладемо до складних фізіологічним і біохімічним процесам, що протікають в живих системах. Неправильно також протиставлення гомеостазу ритмічним коливанням у внутрішньому середовищі. Гомеостаз в широкому розумінні охоплює питання циклічного і фазового перебігу реакцій, компенсації, регулювання і саморегулювання фізіологічних функцій, динаміку взаємозалежності нервових, гуморальних і інших компонентів регуляторного процесу. Межі гомеостазу можуть бути жорсткими і пластичними, змінюватися в залежності від індивідуальних вікових, статевих, соціальних, професійних та інших умов.

Особливе значення для життєдіяльності організму має сталість складу крові - рідкої основи організму (fluid matrix), за висловом У. Кеннона. Добре відома стійкість її активної реакції (pH), осмотичного тиску, співвідношення електролітів (натрію, кальцію, хлору, магнію, фосфору), вмісту глюкози, числа формених елементів і т. д. Так, наприклад, pH крові, як правило, не виходить за межі 7,35-7,47. Навіть різкі розлади кислотно-лужного обміну з патологічним накопиченням кислот в тканинної рідини, наприклад при діабетичному ацидозі, дуже мало впливають на активну реакцію крові. Незважаючи на те, що осмотичний тиск крові і тканинної рідини піддається безперервним коливань внаслідок постійного надходження осмотично активних продуктів проміжного обміну, воно зберігається на певному рівні і змінюється тільки при деяких виражених патологічних станах. Збереження постійного осмотичного тиску має першорядне значення для водного обміну і підтримки іонної рівноваги в організмі. Найбільшим постійністю відрізняється концентрація іонів натрію у внутрішньому середовищі. Зміст інших електролітів коливається також у вузьких межах. Наявність великої кількості осморецептори в тканинах і органах, у тому числі в центральних нервових утвореннях (гіпоталамусі, гіпокампі), та координованої системи регуляторів водного обміну та іонного складу дозволяє організму швидко усунути зрушення в осмотическом тиску крові, що відбуваються, наприклад, при введенні води в організм.

Незважаючи на те, що кров представляє загальну внутрішню середу організму, клітини органів і тканин безпосередньо не стикаються з нею. У багатоклітинних організмах кожен орган має свою власну внутрішню середовище (мікросередовище), що відповідає його структурним і функціональним особливостям, та нормальний стан органів залежить від хімічного складу, фізико-хімічних, біологічних та інших властивостей цієї мікросередовища. Її гомеостаз обумовлений функціональним станом гистогематических бар'єрів і їх проникністю в напрямках кров - тканинна рідина; тканинна рідина - кров.

Особливо важливе значення має постійність внутрішнього середовища для діяльності центральної нервової системи: навіть незначні хімічні і фізико-хімічні зрушення, що виникають в цереброспінальній рідині, глії і навколоклітинний просторах, можуть викликати різке порушення перебігу життєвих процесів в окремих нейронах або в їх ансамблях. Складною гомеостатической системою, що включає різні нейрогуморальні, біохімічні, гемодинамічні та інші механізми регуляції, є система забезпечення оптимального рівня артеріального тиску. При цьому верхня межа рівня артеріального тиску визначається функціональними можливостями барорецепторів судинної системи тіла, а нижня межа - потребами організму в кровопостачання.

До найбільш досконалим гомеостатичним механізмам в організмі вищих тварин і людини відносяться процеси терморегуляції; у гомойотермних тварин коливання температури у внутрішніх відділах тіла за різких змінах температури в навколишньому середовищі не перевищують десятих часток градуса.

Організуюча роль нервового апарату (принцип нервизма) лежить в основі широко відомих уявлень про сутність принципів гомеостазу. Проте ні принцип домінанти, ані теорія бар'єрних функцій, ні загальний адаптаційний синдром, ані теорія функціональних систем, ні гіпоталамічне регулювання гомеостазу та багато інших теорії не дозволяють повністю вирішити проблему гомеостазу.

У деяких випадках подання про гомеостазі не зовсім правомірно використовується для пояснення ізольованих фізіологічних станів, процесів і навіть соціальних явищ. Так виникли зустрічаються в літературі терміни «імунологічний», «електролітний», «системний», «молекулярний», «фізико-хімічний», «генетичний гомеостаз» і т.п. Робилися спроби звести проблему гомеостазу до принципу саморегулювання. Прикладом вирішення проблеми гомеостазу з позицій кібернетики є спроба Ешбі (WR Ashby, 1948) сконструювати саморегулюючі пристрій, що моделює здатність живих організмів підтримувати рівень деяких величин у фізіологічно допустимих межах.

Перед дослідниками і клініцистами на практиці постають питання оцінки пристосувальних (адаптаційних) або компенсаторних можливостей організму, їх регулювання, посилення і мобілізації, прогнозування відповідних реакцій організму на впливи. Деякі стану вегетативної нестійкості, зумовлені недостатністю, надлишком або неадекватністю регуляторних механізмів, розглядаються як «хвороби гомеостазу». З певною умовністю до них можуть бути віднесені функціональні порушення нормальної діяльності організму, пов'язані з його старінням, вимушена перебудова біологічних ритмів, деякі явища вегетативної дистонії гіпер - і гіпокомпенсаторная реактивність при стресових і екстремальних впливах і т.д.

Для оцінки стану гомеостатичних механізмів у фізіологічному експерименті і в клінічній практиці застосовуються різноманітні дозовані функціональні проби (холодова, теплова, адреналінова, інсулінова, мезатоновая та ін) з визначенням у крові та сечі співвідношення біологічно активних речовин (гормонів, медіаторів, метаболітів) і т. д.

Біофізичні механізми гомеостазу.

З точки зору хімічної біофізики гомеостаз - це стан, при якому всі процеси, відповідальні за енергетичні перетворення в організмі, знаходяться у динамічній рівновазі. Цей стан має найбільшою стійкістю і відповідає фізіологічному оптимуму. Відповідно до уявлень термодинаміки організм і клітина можуть існувати і пристосовуватися до таких умов середовища, при яких в біологічній системі можливе встановлення стаціонарного перебігу фізико-хімічних процесів, тобто гомеостазу. Основна роль у встановленні гомеостазу належить в першу чергу клітинним мембранним системам, які відповідальні за біоенергетичні процеси і регулюють швидкість надходження і виділення речовин клітинами.

З цих позицій основними причинами порушення є незвичайні для нормальної життєдіяльності неферментативне реакції, що протікають у мембранах; в більшості випадків це ланцюгові реакції окислення з участю вільних радикалів, що виникають у фосфоліпідах клітин. Ці реакції ведуть до пошкодження структурних елементів клітин і порушення функції регулювання. До факторів, що є причиною порушення гомеостазу, відносяться також агенти, що викликають радікалообразованіе, - іонізуючі випромінювання, інфекційні токсини, деякі продукти харчування, нікотин, а також нестача вітамінів і т.д.

Одним з основних факторів, стабілізуючих гомеостатическое стан і функції мембран, є біоантіокіслітелі, які стримують розвиток окислювальних радикальних реакцій.

Вікові особливості гомеостазу у дітей.

Сталість внутрішнього середовища організму і відносна стійкість фізико-хімічних показників у дитячому віці забезпечуються при вираженому переважання анаболічних процесів обміну над катаболічним. Це є неодмінною умовою зростання і відрізняє дитячий організм від організму дорослих, у яких інтенсивність метаболічних процесів перебуває у стані динамічної рівноваги. У зв'язку з цим нейроендокринна регуляція гомеостазу дитячого організму виявляється більш напруженою, ніж у дорослих. Кожний віковий період характеризується специфічними особливостями механізмів гомеостазу та їх регулювання. Тому у дітей значно частіше, ніж у дорослих, зустрічаються важкі порушення гомеостазу, нерідко загрожують життю. Ці порушення найчастіше пов'язані з незрілістю гомеостатичних функцій нирок, з розладами функцій шлунково-кишкового тракту або дихальної функції легень.

Зріст дитини, що виражається в збільшенні маси його клітин, супроводжується виразними змінами розподілу рідини в організмі. Абсолютне збільшення обсягу позаклітинної рідини відстає від темпів загального наростання ваги, тому відносний обсяг внутрішнього середовища, виражений у відсотках від ваги тіла, з віком зменшується. Ця залежність особливо яскраво виражена на першому році після народження. У дітей більш старшого віку темпи змін відносного об'єму позаклітинної рідини зменшуються. Система регуляції сталості об'єму рідини (волюморегуляція) забезпечує компенсацію відхилень у водному балансі в досить вузьких межах. Високий ступінь гідратації тканин у новонароджених і дітей раннього віку визначає значно вищу, ніж у дорослих, потреба дитини у воді (у розрахунку на одиницю маси тіла). Втрати води або її обмеження швидко ведуть до розвитку дегідратації за рахунок позаклітинного сектору, тобто внутрішнього середовища. При цьому бруньки - головні виконавчі органи в системі волюморегуляціі - не забезпечують економії води. Лімітуючим фактором регуляції є незрілість канальцевої системи нирок. Найважливіша особливість нейроендокринної контролю гомеостазу у новонароджених і дітей раннього віку полягає у відносно високої секреції і ниркової екскреції альдостерону, що робить прямий вплив на стан гідратації тканин і функцію ниркових канальців.

Регуляція осмотичного тиску плазми крові і позаклітинної рідини у дітей також обмежена. Осмолярність внутрішнього середовища коливається в більш широкому діапазоні (± 50 мосм / л), ніж у дорослих

(± 6 мосм / л). Це пов'язано з більшою величиною поверхні тіла на 1 кг ваги і, отже, з більш істотними втратами води при диханні, а також з незрілістю ниркових механізмів концентрації сечі у дітей. Порушення гомеостазу, які проявляються гіперосмосом, особливо часто зустрічаються у дітей періоду новонародженості і перших місяців життя, в більш старшому віці починає переважати гіпоосмос, пов'язаний головним чином з шлунково-кишковими захворюванням або хворобами нирок. Менш вивчена іонна регуляція гомеостазу, тісно пов'язана з діяльністю нирок і характером харчування.

Раніше вважалося, що основним чинником, що визначає величину осмотичного тиску позаклітинної рідини, є концентрація натрію, однак більш пізні дослідження показали, що тісній кореляції між вмістом натрію в плазмі крові і величиною загального осмотичного тиску при патології не існує. Виняток становить плазматична гіпертонія. Отже, проведення гомеостатической терапії шляхом введення глюкозосолевих розчинів вимагає контролю не тільки за вмістом натрію в сироватці або плазмі крові, але і за змінами загальної осмолярності позаклітинної рідини. Велике значення в підтримці загального осмотичного тиску у внутрішньому середовищі має концентрація цукру та сечовини. Зміст цих осмотично активних речовин та їх вплив на водно-сольовий обмін при багатьох патологічних станах можуть різко зростати. Тому при будь-яких порушеннях гомеостазу необхідно визначати концентрацію цукру та сечовини. Враховуючи вище викладене, у дітей раннього віку при порушенні водно-сольового і білкового режимів може розвиватися стан прихованого гіпер - або гіпоосмоса, гіперазотемії.

Важливим показником, що характеризує гомеостаз у дітей, є концентрація водневих іонів у крові і позаклітинної рідини. У антенатальному та ранньому постнатальному періодах регуляція кислотно-лужної рівноваги тісно пов'язана зі ступенем насичення крові киснем, що пояснюється відносним переважанням анаеробного гліколізу в біоенергетичних процесах. При цьому навіть помірна гіпоксія у плода супроводжується накопиченням в його тканинах молочної кислоти. Крім того, незрілість ацідогенетіческой функції нирок створює передумови для розвитку «фізіологічного» ацидозу (зсув кислотно-лужної рівноваги в організмі в бік відносного збільшення кількості аніонів кислот.). У зв'язку з особливостями гомеостазу у новонароджених нерідко виникають розлади, що стоять на межі між фізіологічними і патологічними.

Перебудова нейроендокринної системи в пубертатному періоді (періоді статевого дозрівання) також пов'язана із змінами гомеостазу. Однак функції виконавчих органів (нирки, легені) досягають у цьому віці максимальному ступені зрілості, тому важкі синдроми або хвороби гомеостазу зустрічаються рідко, частіше ж мова йде про компенсованих зрушення в обміні речовин, які можна виявити лише при біохімічному дослідженні крові. У клініці для характеристики гомеостазу у дітей необхідно дослідити наступні показники: гематокрит, загальна осмотичний тиск, вміст натрію, калію, цукру, бікарбонатів та сечовини в крові, а також рН крові, р02 і рСО2.

Особливості гомеостазу в літньому і старечому віці.

Один і той же рівень гомеостатичних величин в різні вікові періоди підтримується за рахунок різних зрушень у системах їх регулювання. Наприклад, сталість рівня артеріального тиску у молодому віці підтримується за рахунок більш високого хвилинного серцевого викиду і низького загального периферичного опору судин, а в літньому і старечому - за рахунок більш високого загального периферичного опору і зменшення величини хвилинного серцевого викиду. При старінні організму сталість найважливіших фізіологічних функцій підтримується в умовах зменшення надійності і скорочення можливого діапазону фізіологічних змін гомеостазу. Збереження відносного гомеостазу при істотних структурних, обмінних та функціональні зміни досягається тим, що одночасно відбувається не тільки згасання, порушення і деградація, але і розвиток специфічних пристосувальних механізмів. За рахунок цього підтримується постійний рівень вмісту цукру в крові, рН крові, осмотичного тиску, мембранного потенціалу клітин і т.д.

Істотне значення у збереженні гомеостазу в процесі старіння організму мають зміни механізмів нейрогуморальної регуляції, збільшення чутливості тканин до дії гормонів і медіаторів на тлі ослаблення нервових впливів.

При старінні організму суттєво змінюється робота серця, легенева вентиляція, газообмін, ниркові функції, секреція травних залоз, функція залоз внутрішньої секреції, обмін речовин і ін Зміни ці можуть бути охарактеризовані як гомеорезіс - закономірна траєкторія (динаміка) зміни інтенсивності обміну і фізіологічних функцій з віком у часі. Значення ходу вікових змін дуже важливо для характеристики процесу старіння людини, визначення його біологічного віку.

У похилому і старечому віці знижуються загальні потенційні можливості пристосувальних механізмів. Тому в старості при підвищених навантаженнях, стресах і інших ситуаціях ймовірність зриву адаптаційних механізмів та порушення гомеостазу збільшуються. Таке зменшення надійності механізмів гомеостазу є однією з найважливіших передумов розвитку патологічних порушень в старості.

Таким чином, гомеостаз - це інтегральне поняття, функціонально і морфологічно об'єднує серцево-судинну систему, систему дихання, ниркову систему, водно-електролітний обмін, кислотно-лужну рівновагу.

Основне призначення серцево-судинної системи - подача і розподіл крові по всіх басейнах мікроциркуляції. Кількість крові, яка викидається серцем за 1 хв., Становить хвилинний об'єм. Однак функція серцево-судинної системи полягає не просто в підтримці заданого хвилинного об'єму і його розподіл по басейнах, а в змінах хвилинного об'єму у відповідності з динамікою потреб тканин при різних ситуаціях.

Головне завдання крові - транспорт кисню. Багато хірургічні хворі відчувають гостре падіння хвилинного обсягу, що порушує доставку кисню до тканин і може бути причиною загибелі клітин, органу і навіть цілого організму. Тому оцінка функції серцево-судинної системи повинна враховувати не лише хвилинний об'єм, але і постачання тканин киснем і їх потреба в ньому.

Основне призначення системи дихання - забезпечення адекватного газообміну між організмом і навколишнім середовищем при постійно мінливій швидкості обмінних процесів. Нормальна функція системи дихання - це підтримання постійного рівня кисню і вуглекислоти в артеріальній крові при нормальному судинному опорі в малому колі кровообігу і при звичайній витраті енергії на дихальну роботу.

Дана система найтіснішим чином пов'язана з іншими системами, і в першу чергу з серцево-судинної. Функція системи дихання включає в себе вентиляцію, легеневий кровообіг, дифузію газів через альвеолярно-капілярну мембрану, транспорт газів кров'ю і тканинне дихання.

Функції ниркової системи: нирки є основним органом, призначеним для збереження сталості фізико-хімічних умов в організмі. Головна з їх функцій екскреторна. Вона включає: регуляцію водно-електролітного балансу, підтримки кислотно-лужної рівноваги та видалення з організму продуктів обміну білків і жирів.

Функції водно-електролітного обміну: вода в організмі відіграє транспортну роль, заповнюючи собою клітини, інтерстиціальні (проміжні) і судинні простору, є розчинником солей, колоїдів і кристалоїдів і приймає участь в біохімічних реакціях. Всі біохімічні рідини є електроліти, так як розчинені у воді солі та колоїди знаходяться в дисоційованому стані. Перелічити всі функції електролітів неможливо, але головними з них є: збереження осмотичного тиску, підтримання реакції внутрішнього середовища, участь у біохімічних реакціях.

Головне призначення кислотно-лужної рівноваги полягає у збереженні сталості pH рідких середовищ організму як основи для нормальних біохімічних реакцій і, отже, життєдіяльності. Метаболізм відбувається за неодмінної участі ферментативних систем, активність яких тісно залежить від хімічної реакції електроліту. Разом з водно-сольовим обміном кислотно-лужну рівновагу грає вирішальну роль в упорядкуванні біохімічних реакцій. У регуляції кислотно-лужної рівноваги беруть участь буферні системи та багато фізіологічні системи організму.

Література:

1.Большая медична енциклопедія (том 6);

2.Б.А. Константинов «Фізіологічні та клінічні основи хірургічної кардіології»;

3.Н. Грін, У. Стаут, Д. Тейлор «Біологія» (том 3).

Дата добавления: 2015-07-26