Системы регуляции и управления

Нормальная, устойчивая жизнедеятельность организма, стабильное функционирование его органов и систем предполагает состояние гомеостаза.

Гомеостаз (от греч. homoios — подобный, одинаковый и statisнеподвижность, состояние) — это относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды и устойчивость основных физиологических функций организма. Существующая в организме гомеостатическая регуляция физиологических процессов характеризуется совокупностью сдвигов, развивающихся на всех уровнях системной организации под влиянием внешних и внутренних раздражении, что приводит к переходу организма на новый уровень функционального состояния и устойчивой активности.

В ходе эволюционного развития живые существа приспосабливались к действию широкого спектра природных условий: гравитации, барометрическому давлению, колебаниям уровня космических и тепловых излучений, газовому составу атмосферы, смене дня и ночи, смене времени года, изменениям освещенности, влажности, температуры, радиации и многим другим. Выживание того или иного вида зависело от того, насколько он мог адаптироваться к этим изменениям среды, что и определило результат естественного отбора.

С появлением человека, как члена общества его ареал резко расширился: кроме природных, он стал испытывать на себе и разнохарактерные социальные влияния. Поэтому, исходя из признания биосоциальной природы человека, при анализе его приспособительной деятельности необходим не только учет физических, химических и биологических факторов, но и факторов чисто социальных. Всю совокупность воздействий на организм человека, независимо от их природы, принято делить на две категории — экстремальные и субэкстремальные факторы. Экстремальные факторы несовместимы с выживанием, они в отсутствии средств жизнеобеспечения неизбежно ведут к развитию патологии и смерти организма. При действии субэкстремальных факторов жизнь возможна за счет физиологических адаптивных механизмов.

1. Адаптация. Слово адаптация произошло от латинского adaptatio — приспособление. В узком смысле слова этим термином обозначают понижение чувствительности рецепторов к постоянно действующему адекватному раздражителю. Такая адаптация возникает вследствие изменения функционального состояния самих рецепторов, а также центральных отделов соответствующего анализатора.

С общебиологических позиций адаптация представляет собой процесс сохранения и развития биологических свойств вида, популяции, биоценозов, обеспечивающий прогрессивную эволюцию биологических систем в неадекватных условиях среды. Физиологическая сущность адаптации выражена в следующем определении: физиологическая адаптация — это устойчивый уровень активности функциональных систем, органов и тканей, а также механизмов управления, который обеспечивает возможность длительной активности жизнедеятельности организма человека в измененных условиях существования (обще природных и социальных) и способность к воспроизведению потомства (1, с.38).

Термодинамическая сущность адаптации заключается в поддержании оптимального уровня неравновесности биосистем в неадекватных условиях среды, обеспечивающего максимальный эффект внешней работы, направленной на сохранение и продолжение жизни. Согласно представлениям биокибернетики, адаптация — это процесс самосохранения саморегулирующейся системы в неадекватных условиях среды, выбор функциональной стратегии, обеспечивающей оптимальное выполнение главной конечной цели поведения биосистемы.

Таким образом, адаптация — это динамическое понятие, отражающее процесс поддержания функционального состояния гомеостатических систем организма в целом, обеспечивающий его сохранение, развитие, работоспособность, максимальную продолжительность жизни в неадекватных условиях, т. е. приспособление организма к меняющимся условиям внешней среды, обеспечивающее устойчивое существование и нормальную жизнедеятельность. Процессы адаптации всегда направлены на поддержание гомеостаза. В процессе адаптации прослеживается два этапа: начальный — срочный и долговременной адаптации.

Развитие стойкой, долговременной адаптации происходит постепенно в результате многократного действия на организм неблагоприятных факторов среды. В основе формирования этой формы адаптации лежит закон Вейхердта, смысл которого заключается в том, что после возникших в результате действия экстремальных факторов отклонений гомеостаза организм не только «стремится» восстановить нарушенные параметры до исходного уровня, но и включает еще и дополнительные резервы. В результате развития «фазы суперкомпенсации» организм способен некоторое время поддерживать параметры внутренней среды на новом, более высоком уровне. Проведение повторных воздействий, каждый раз с нового уровня жизнедеятельности определяет суть тренировки в достижении стойкой долговременной адаптации.

По своей физиологической и биохимической сути адаптация — это качественно новое состояние, характеризующееся повышенной устойчивостью организма к экстремальным воздействиям. Состояние адаптации — это не физиологическая флуктуация вокруг нормы, это не патология, это третья форма существования. Под этим существованием понимается законченность процесса, совершенство, взаимосоответствие в организации живых существ в природе. Состояние адаптации характеризуется морфологическими, физиологическими и биохимическими сдвигами, возникающими на всех уровнях: молекулярном, субклеточном, клеточном, органном и системном (1, с.39−40).

Кратковременная адаптация имеет готовые физиолого-биохимические механизмы, тогда как долговременные адаптации имеют только генетические предпосылки для таких механизмов. Общим и необходимым звеном любых долговременных приспособительных реакций организма, приводящим к развитию адаптации, является усиление синтеза нуклеиновых кислот и специфических белков, вызывающее долговременную перестройку структуры и функции клеток, органов тканей и систем, участвующих в данных приспособительных реакциях. Например, снижение концентрации кислорода во вдыхаемом воздухе сначала вызывает лишь учащение дыхания и увеличение скорости кровотока, чем и обеспечивается достаточное снабжение тканей кислородом. При компенсации длительно действующего гипоксического фактора участвуют совсем другие механизмы, которые, в частности, обеспечивают акклиматизацию в условиях высокогорья. У человека в горах повышается транспортная функция крови (увеличивается количество эритроцитов), происходят изменения в тканевом дыхании.

Феномен адаптации — это самостоятельная категория биологических явлений, результат эволюционно-исторического развития. Недостаточность механизмов адаптации будет означать снижение надежности биосистемы.

Принципы и уровни процессов саморегуляции. Саморегуляция как основа адаптивных реакций организма осуществляется в соответствии с двумя принципами. Первый принцип саморегуляции носит название «отрицательной обратной связи». В этом случае регулирующие механизмы приводятся в действие изменениями состояния или функционирования организма. Развиваются процессы, посредством которых эти отклонения устраняются.

Второй принцип «положительной обратной связи», благодаря которой процесс, возникнув, усиливается и поддерживает сам себя. Обратная связь — это связь на выходе системы. Она улавливает те или иные отклонения, уже возникшие в состоянии системы. Основанные на этом регуляторные механизмы работают по принципу «рассогласования». Деятельность их включается в тот момент, когда в состоянии системы уже наступают отклонения от заданной величины, т. е. когда возникает рассогласование между заданной (необходимой) и фактически возникшей величиной. Механизмы, работающие по этому принципу широко распространены в организме.

Общий принцип работы подобных механизмов изучил академик П. К. Анохин, основоположник физиологической кибернетики, создатель теории функциональных систем. Функциональная система — это такое сочетание процессов и механизмов, которое, формируясь динамически в зависимости от данной ситуации, непременно приводит к конечному приспособительному эффекту именно в этой ситуации. Функциональная система создается всякий раз заново, применительно к воздействующему фактору, т. е. организм как бы создает временный «творческий коллектив», способный в наикратчайшие сроки, наиболее экономно и рационально вывести организм из экстремальной ситуации (1, с.42).

Исходным пунктом создания теории функциональных систем явились работы Анохина по выяснению соотношения центральных и периферических факторов, лежащих в основе компенсаторных приспособлений организма. Было выявлено, что «механизм» получения полезного результата" или приспособления к нанесенному дефекту всегда определяется обширной и весьма организованной системой процессов, части которой являются высокопластичными и работают по принципу взаимодействия, т. е. кооперации.

Эта система процессов достижения определенного полезного для организма результата и получила название «функциональная система». Системообразующим фактором функциональной системы является ее результат, функциональная система включает в себя рефлекс как составную часть. Обязательным компонентом функциональной системы является обратная связь, т. е. информация о конечном приспособительном эффекте.

В соответствии со схемой, предложенной П. К. Анохиным для объяснения механизмов саморегуляции физиологических процессов и структуры поведенческих, реакций любой целенаправленной деятельности предшествует принятие решения путем «афферентного синтеза», т. е. анализа и синтеза афферентной информации, имеющей четыре источника и неодинаковое значение: биологическую мотивацию (инстинктивные потребности: пищевые, половые, оборонительные и т. п.), обстановочную афферентацию (условия окружающей среды), пусковую афферентацию (непосредственный стимул реакции) и память (информация, возникающая в результате жизненного опыта).

Афферентный синтез заканчивается формированием программы действия, которая по П. К. Анохину состоит из двух принципиально различных элементов: 1. Эфферентной программы действия (ЭПД), т. е. определенной последовательности набора нервных команд, поступающих на исполнительные приборы — эффекторы (скелетные мышцы, железы, внутренние органы) и 2. Акцептора результата действий (АРД), т. е. нейронной модели предполагаемого результата, к которому должно привести данное действие.

Осуществление программы действия приводит к результату, который оценивается организмом с помощью обратной афферентации (ОА), т. е. обратной связи. Это звено замыкает сложную разомкнутую рефлекторную дугу в кольцо. Информация о реально полученном результате сравнивается с прогнозом, закодированным в АРД. В случае, если полученный результат соответствует ожидаемому, данная «функциональная система» прекращает свое существование, так как это значит, что цель стоявшая перед организмом, достигнута (1, с.44).

Однако создание функциональной системы не является универсальной схемой, т.к. в организме существуют регуляторные механизмы, работающие на основе иного принципа. Сигналом к их деятельности служит отклонение от заданной величины не на выходе, а на входе системы, т. е. действие на систему раздражителей, отличающихся от заданных параметров. В этом случае в основу регуляторных реакций положен иной принцип, т. е. работа регулятора «по возмущению». На входе системы имеются приборы, улавливающие величину поступающего сигнала, нарушающего состояние системы. Если эта величина превышает допустимую и может вызвать нежелательные отклонения в состоянии системы, то в таком случае возникают команды, обеспечивающие нейтрализацию действия этих сигналов и сохранение стабильного состояния системы.

Здесь происходит не восстановление уже нарушенного состояния системы, а предупреждение возможности таких нарушений. Оба эти принципа сохранения стабильности системы отличаются друг от друга, как, скажем средства тушения уже возникшего пожара отличаются от средств и мер предупреждения пожаров.

В любых физиологических регуляторных, защитных, компенсаторных реакциях имеет место взаимодействие обоих принципов и обоих механизмов регуляции, функционирующих как на выходе, так и на входе системы. Так, например, при воздействии на глаз струи пыльного воздуха, которая может вызвать засорение глаза, срабатывают (как почти и везде) оба механизма. Мигательный рефлекс, закрывая глаз, предупреждает попадание пыли (это механизм, работающий на входе системы «по возмущению»), а рефлекторные увеличение слезоотделения и промывание склеры и роговицы слезами удаляет уже попавшую пыль (механизм работающий на выходе системы — «по рассогласованию»). В любой гомеостатической реакции можно наблюдать сочетание действия двух указанных механизмов, работающих на этих двух различных принципах.

Таким образом, реакции, обеспечивающие гомеостаз, могут быть направлены на поддержание известных уровней стационарного состояния, а также на координацию комплексных процессов для устранения или ограничения действия вредоносных факторов, на выработку или сохранение оптимальных форм взаимодействия организма и среды в изменившихся условиях существования. В основе адаптационных механизмов лежат процессы саморегуляции, направленные на поддержание гомеостаза и повышение резистентности (устойчивости) организма.

Процессы саморегуляции могут быть местного и общего уровня, они между собой взаимосвязаны. Клетка, как целостная структура имеет свой уровень интеграции и регуляции функций. Под интеграцией на уровне клетки понимается соподчинение действия всех структур клетки. Важнейшая структура клетки — ядро. Генетический аппарат ядра осуществляет контроль над процессами биосинтеза и над репродукцией клеточных органелл. Помимо генетических факторов контроля, закодированных в ДНК ядра клетки, существуют цитоплазматические факторы интеграции, среди которых наиболее важную роль играют митохондрии.

Биохимическая основа адаптационных процессов в клетке необычайно сложна и во многом еще недостаточно изучена. Общий механизм клеточного автоматизма в регуляции функций обмена заключается в том, что продукты распада стимулируют синтез исходного вещества. Например, образование АДФ в результате распада АТФ, усиливает ресинтез АТФ и таким образом энергетические ресурсы сохраняются на прежнем уровне, усиление синтеза АТФ тормозит другие процессы в клетке. АТФ является необходимым компонентом всех защитных реакций клетки, в том числе процессов восстановления, которые могут быть полными (говорят о регенерации) и неполными. Процессы клеточной саморегуляции не являются автономными. Клеточный автоматизм испытывает влияние регулирующих систем организма, которые ответственны за высшие интегративные функции в интересах целостного организма (4, с. 52).

К регулирующим системам организма относятся нервная, эндокринная и имунная системы, осуществляющие нервный, гуморальный и клеточный контроль за постоянством внутренней среды организма. Доказано, что выключение нервных связей в органе в значительной мере уменьшает адаптационные возможности. Гуморальный контроль (воздействие на клетку гормонов инсулина, окситоцина и др.) может осуществляться за счет изменения проницаемости клеточных мембран, активности ферментов и скорости синтеза ферментов.

Молекулы инсулина и др. гормонов фиксируются на белках или липопротеидах клеточных мембран с образованием гормоно-белковых комплексов. Комплексы меняют конформацию мембранных белков и тем самым увеличивают проницаемость мембран.

Включение различных уровней адаптации во многом зависит от интенсивности возмущающего действия, от степени отклонения физиологических параметров.

Механизмы стресса. Дистресс. Важная роль в механизмах адаптации, возникающей в необычных условиях существования, принадлежит общему адаптационному синдрому, по-другому стресс-реакции.

Понятие стресса первоначально возникло в физиологии для обозначения неспецифической генерализованной реакции организма, — «общего адаптационного синдрома» (Г.Селье, 1936) в ответ на любое неблагоприятное воздействие.

С точки зрения учения о гомеостазе стресс можно определить как механизм восстановления нарушенного постоянства психических, физиологических и биохимических процессов в организме. Стресс вызывают любые факторы, нарушающие гомеостаз. Эти факторы носят название экстремальных или по-другому называются стрессорами. При этом экстремальными считаются не только явно вредные воздействия, но и предельные, крайние значения тех элементов ситуации, которые в средних своих значениях служат оптимальным, рабочим фоном или, по крайней мере, не ощущаются как источник дискомфорта.

Перечень стрессоров весьма разнообразен: от простых физико-химических стимулов: температура, шум, газовый состав атмосферы, токсичные вещества, до сложных психологических и социально-психологических факторов — риск, опасность, дефицит времени, новизна и неожиданность ситуации, повышенная значимость деятельности и т. д. В зависимости от вида стрессора и механизма его воздействия выделяют различные типы стресса. Наиболее общая классификация выделяет физиологический и психологический виды стрессов.

Физиологический стресс представляет собой непосредственную реакцию организма на воздействие однозначно определенного стимула, как правило, физико-химической природы. Соответствующие этому типу состояния характеризуются главным образом выраженными физиологическими сдвигами — признаками вегетативной и нейрогуморальной активизации и соответствующими им субъективными ощущениями физического дискомфорта.

Психологический стресс характеризуется включением сложной иерархии психических процессов. Физиологические проявления при этом сходны с описанными в физиологическом стрессе, тогда как спектр психологических и поведенческих проявлений значительно разнообразнее. Наиболее типичными из них являются изменения в протекании различных психических процессов, — восприятия, памяти, мышления, нарушением двигательного и речевого поведения вплоть до его полной дезорганизации.

Одним из наиболее интересных аспектов изучения стресса является анализ процесса реагирования на экстремальное воздействие.

Любое достаточно сильное воздействие на организм экзоили эндогенного происхождения — звук, свет, инфекционное заболевание и т. д. вызывает целый комплекс реакций неспецифического порядка. Эти реакции направлены на лучшие приспособление организма к неожиданно изменившимся условиям жизни и, как уже упоминалось, названы Г. Селье адаптационным синдромом, а само состояние мобилизации защитных сил — стрессом (3, с. 60).

Г. Селье различает генерализованный или общий адаптационный синдром и местный локальный адаптационный синдром (адаптационные реакции на ограниченном участке тела, на который непосредственно действует раздражитель). Генерализованный синдром — это ответная реакция всего организма, которая при достаточно длительном воздействии стрессора проходит последовательно три стадии:

реакция тревоги (мобилизация всех защитных сил),.

стадия сопротивления, устойчивости (выработаны механизмы долговременной адаптации),.

стадия истощения (срыв адаптационных механизмов).

Во время первой стадии тревоги — исходный уровень резистентности снижается (шок), а затем возвращается к норме. Эту стадию Селье назвал «призывом к оружию защитных сил организма». Если сила стрессора велика организм может погибнуть в период тревоги. Если воздействие умеренное, то вслед за стадией тревоги наступает адаптация к воздействию — стадия резистентности. Уровень устойчивости организма на этой стадии превышает исходный. При длительном воздействии повреждающего агента после стадии резистентности может наступить третья стадия — истощение и смерть организма. Симптомы третьей стадии напоминают симптомы первой, но носят необратимый характер.

В период первой стадии в организме отмечают:

гемоконцентрацию (сгущение крови);

гиперкальцимию (увеличение содержания Са2 в крови);

ацидоз (увеличение количества анионов, нарушение кислотно-щелочного равновесия);

гипергликемию (увеличение содержания сахара в крови);

генерализованное повреждение тканей с преобладанием диссимиляционных явлений (распад сложных органических веществ с освобождением энергии, потеря веса);

гипотермия (понижение температуры);

лейкопению (уменьшение числа лейкоцитов в крови, выходящие за пределы обычных колебаний) и т. д.(3, с.64).

Во второй стадии происходят изменения противоположного направления: разжижение крови, анаболизм тканей с возвращением к нормальному весу и т. д.

Реакция фазы истощения напоминает фазу тревоги, но реакции носят необратимый характер.

Несколько слов о механизме стресс-реакции. Функциональная система общего адаптационного синдрома включает нервную систему, гипоталамус, переднюю долю гипофиза, кору надпочечников, иммунную систему, т. е. это нейро-эндокринно-иммунная реакция. Повышение функции нервной системы, выброс в определенном количестве и сочетании разнообразных гормонов способствует мобилизации энергетических ресурсов и их перераспределению с избирательной направленностью в органы и ткани, участвующие в адаптации, включаются другие органы и системы, способные компенсировать утраченную функцию. За счет того, что функциональные системы многоконтурны и взаимосвязаны между собой, один и тот же управляемый процесс может регулироваться несколькими управляющими системами. Включение других органов и систем, участвующих в компенсации нарушенных функций, способствует снижению функциональной нагрузки на структурные единицы больного органа и создает условия для формирования структурной основы долговременной адаптации, т. е. определенных морфологических изменений в клетке (увеличение размеров митохондрий, величины клетки и т. д.).

Гормоны действуют на все виды обмена, способствуют делению клеток, угнетают возможность развития аллергических реакций.

Исходы стресс-реакции могут быть различными: либо стресс как адаптивный механизм ведет к новому или исходному состоянию и восстановлению гомеостаза; либо может стать механизмом развития болезни и гибели организма.

В отечественной литературе часто встречается определение стресса как «…формирование общего адаптационного синдрома «…в ответ на любое неблагоприятное, подчеркиваем неблагоприятное воздействие. Однако в своем труде «Стресс без дистресса» (1974) Селье пишет «Стресс есть неспецифический ответ организма на любое предъявленное ему требование» .

С точки зрения стрессовой реакции не имеет значения, приятна или неприятна ситуация, с которой мы столкнулись. Имеет значение лишь интенсивность потребности в перестройке или в адаптации.

Стресс не является результатом повреждения. Любая нормальная деятельность — игра в шахматы или двигательная активность может вызвать значительный стресс не причинив вреда. Вредоносный или неприятный стресс называют дистрессом.

Деятельность, связанная со стрессом может быть приятной или неприятной. Дистресс всегда неприятен, вредоносен. По мнению Г. Селье полная свобода от стресса означает смерть. Уровень стресса наиболее низок в период равнодушия, но никогда не равен нулю. Согласно теории Селье депривация и избыточное раздражение в равной мере сопровождаются возрастанием уровня стресса, порой до степени дистресса.