Физиология как наука
РЕФЕРАТ
по теме: «Физиология как наука»
1. Основные концепции современной физиологии
Физиология человека как наука о жизнедеятельности здорового человека и функциях его составных частей – клеток, тканей, органов и систем, зародилась в XVII столетии. Основоположником физиологии как самостоятельной отрасли знаний является английский ученый Уильям Гарвей, который в результате многолетних наблюдений и экспериментов создал учение о кровообращении.
Элементарной структурой и функциональной единицей всего живого на Земле является клетка. Выдающимся достижением в физиологии клетки является обоснование в конце 40–50-х годов XX столетия мембранной теории биоэлектрических потенциалов (А. Ходжкин, Э. Хаксли, Б. Катц). Согласно этой теории, биоэлектрические потенциалы обусловлены неодинаковой концентрацией ионов К+, Na+ внутри и вне клетки и различной проницаемостью для них поверхностной мембраны.
Нобелевской премии удостоены физиологи Д. Экклс, Э. Хаксли, А. Ходжкин за изучение ионных механизмов двух основных физиологических процессов – возбуждения и торможения. Д. Экклс впервые осуществил внутриклеточное отведение электрических потенциалов в клетках центральной нервной системы, определил электрофизиологические характеристики возбуждающих и тормозящих потенциалов, открыл один из видов торможения.
Параллельно шли исследования структурной и функциональной организации клетки. Г. Паладе принадлежит открытие и описание рибосом. Р. Дюв открыл новый класс субклеточных частиц, названных им лизосомами, выяснил их природу и развил концепцию об их функции, определил участие лизосом в физиологических и патологических процессах в клетке. Изучая субклеточные фракции, А. Клод показал, что с митохондриями (энергетическими «станциями» клетки) связана активность основных ферментов окисления. А. Сент-Дьердьи обнаружил в мышце актин и показал, что актомиозиновые нити (миозин был открыт российским биохимиком ВА. Энгельгардтом) укорачиваются под влиянием АТФ. В результате этих открытий и дальнейших исследований выявилось единство принципа функционирования, химической динамики и энергетики обладающих подвижностью различных клеток организма.
Как известно, нервы и мышцы (нервная и мышечная ткани) относятся к возбудимым образованиям. Это значит, что в ответ на раздражение в них возникают различные электрические потенциалы. Одним из достижений физиологии XX века считается открытие медиаторов (нейро-трансмиттеров) и создание учения о химическом механизме передачи нервного импульса в синапсах. Основы этого учения были заложены австрийским физиологом О. Леей и английским физиологом Г. Дейлом, удостоенным Нобелевской премии «За открытие химической передачи нервной реакции». В 1970 году Нобелевской премии были удостоены сразу несколько ученых, исследования которых ознаменовали новый этап в развитии учения о медиаторах. Так, У. Эйлер, изучая процесс передачи нервных импульсов в симпатической нервной системе, установил, что медиатором в этом процессе служит вещество норадреналин. Б. Катцу принадлежит открытие механизма выделения другого медиатора (парасимпатической нервной системы) – ацетилхолина – в нервно-мышечной передаче возбуждения. В настоящее время описано уже несколько десятков медиаторов, оказывающих как возбуждающее, так и тормозящее влияние.
Изучая сложную структуру смешанных нервов, американские физиологи Д. Эрлангер и Г. Гассер установили в них наличие трех типов волокон и доказали их функциональные различия. Они сформулировали закон прямо пропорциональной зависимости скорости проведения импульса от диаметра нервного волокна.
Развивая учение ИМ. Сеченова о рефлексах, И.П. Павлов разработал учение об условных рефлексах. Это позволило ему не только получить подтверждения сформулированной Сеченовым концепции о зависимости всех функций организма от окружающей среды, но и создать новое учение – физиологию высшей нервной деятельности человека и животных. Павлов развил основные представления о типах нервной системы, создал учение об анализаторах, заложил основы экспериментальной патологии высшей нервной деятельности. И.П. Павлову, единственному из русских физиологов, за большой вклад в изучение физиологии человека была присуждена Нобелевская премия.
Английский нейрофизиолог Ч. Шеррингтон установил однонаправленность возбуждения в рефлекторной дуге (морфологической основе рефлекса), наличие синаптической задержки, описал антагонистические рефлексы. Шеррингтон сформулировал общие принципы деятельности нервной системы, показал, что при осуществлении любого рефлекса нервная система функционирует как единое целое. За разработку нейронного механизма рефлексов – самых элементарных актов поведения – Ч. Шеррингтон удостоен Нобелевской премии.
В России исследования по физиологии центральной нервной системы развивались по нескольким направлениям. Так, существенное значение имела концепция АЛ. Ухтомского о доминанте, одном из принципов осуществления деятельности нервной системы. Эта концепция предполагает способность возбужденного очага в любом отделе центральной нервной системы «притягивать» на себя возбуждения, которые вне существования такого доминирующего центра проявляют иной эффект.
П.К. Анохин, развивая рефлекторную теорию, создал учение о функциональных системах. Функциональная система раскрывает схему приспособительной деятельности организма.
Немецкий электрофизиолог Г. Бергер впервые зарегистрировал методом электроэнцефалографии биоэлектрическую активность мозга человека, детально изучил форму и ритмы электрических колебаний и ввел метод электроэнцефалографии в клиническую практику.
Американский нейрофизиолог Г. Уолтер открыл медленные электрические колебания электроэнцефалограммы, характерные для очагов патологии, и волны, сопровождающие эмоциональные реакции.
Нобелевская премия была вручена В. Тессу за открытие функциональной организации промежуточного мозга и его связи с деятельностью внутренних органов.
Наш соотечественник ученый М.Н. Ливанов разработал один из методов электроэнцефалографии, позволяющий проводить детальный анализ биоэлектрических процессов, протекающих одновременно по всей поверхности коры больших полушарий головного мозга.
Совершенствования методических подходов в физиологии позволили Д. Хьюбелу и Т. Визелу создать концепцию, касающуюся принципов переработки информации в нейронных структурах мозга (в частности, в зрительной системе), изучить структуру признаков зрительного изображения.
Американский ученый Г. Бекеши на созданных им моделях наблюдал колебания основной мембраны внутреннего уха и измерил ее механические параметры. Бекеши сформулировал теорию амплитудно-частотного анализа звуков в органе слуха, предложил метод его исследования.
Перейдем к основным концепциям в физиологии висцеральных систем (т.е. функций внутренних органов). Значительная часть исследований в области физиологии пищеварения в XX столетии осуществлялась под влиянием работ И.П. Павлова. Ученый A.M. Уголев открыл новый тип пищеварения – пристеночное (мембранное), что позволило обосновать трехзвенную систему деятельности пищеварительной системы: полостное пищеварение – мембранное пищеварение – всасывание.
Изучение регуляции водно-солевого обмена и функций почек в России осуществлялось главным образом под руководством Л А. Орбели, обосновавшего положение о том, что ведущей функцией почки является гомеостатическая.
Ф. Бантингу и Д. Маклеоду, а также Ч. Бесту присуждена Нобелевская премия за открытие инсулина. Они не только выделили гормон поджелудочной железы – инсулин, но и разработали метод лечения этим гормоном сахарного диабета.
Американскому физиологу У. Кеннону принадлежит открытие роли адреналина как симпатического передатчика и создание концепции о симпатико-адреналовой системе. Исследуя вопрос о влиянии нервной системы на образование и выделение гормонов эндокринными железами, Кеннон пришел к заключению, что секреция в кровь увеличенных количеств адреналина происходит при эмоциональных состояниях и приводит к возникновению характерных для подобных состояний многих функций организма.
Канадский физиолог и патолог Г. Селъе известен благодаря выдвинутой им теории неспецифического реагирования организма, сформулированной в виде концепции стресса. Он ввел понятия адаптационного синдрома, адаптивных гормонов (гормонов передней доли гипофиза и коры надпочечников), болезней адаптации и адаптационной энергии. Селье заложил также основы психофизиологии стресса.
2. Кровь
Кровь, лимфа и тканевая жидкость – это внутренняя среда организма. Внутренняя среда организма обладает динамическим постоянством констант – гомеостазом. Гомеостаз – условие независимого существования организма человека. В 1939 году Ланг ввел в науку понятие «система крови» – это органы кроветворения, органы кроверазрушения, периферическая кровь, нейрогуморальный аппарат регуляции.
Эритроциты образуются в красном костном мозге. В нем же осуществляется разрушение эритроцитов, синтез гемоглобина. Разрушение эритроцитов, а также дифференцировка лимфоцитов происходит и в селезенке.
Функции системы крови следующие:
Поддержание гомеостаза.
Транспортная (перенос газов крови, питательных веществ, продуктов их метаболизма).
Терморегуляторная.
Защитная (участие в иммунных реакциях).
Экскреторная (выделительная) и др.
Обмен крови в организме человека составляет 4–6 литров (или 6–8% от массы тела). Всего 40–45% крови движется по сосудам; при нагрузках на организм кровь выходит из кровяных депо (селезенка, печень, легкие), и ее обмен увеличивается.
На каждые 100 частей крови приходится 45% форменных элементов, а 55% – это жидкая часть крови – плазма. Цвет крови различается: артериальная кровь алая, венозная – темно-вишневая. Вязкость крови составляет 5 единиц и зависит от содержания в крови форменных элементов и белков. Плотность крови находится в пределах 1,050–1,060. Важнейшим показателем крови является кислотно-щелочное равновесие – рН крови – 7,36–7,4 единицы. Следовательно, активная реакция крови слабощелочная; рН крови поддерживается в крови буферными системами. Важнейшей из них является гемоглобиновая. Плазма крови на 90–92% состоит из воды, а 8–10% – это ее сухой остаток. В состав плазмы входят белки, глюкоза, минеральные вещества, жиры, небелковые азотсодержащие вещества и др. Плазма, из которой извлечен один из ее белков – фибриноген, называется сывороткой крови. Сыворотка используется для определения групповой принадлежности крови.
Форменные элементы крови (клетки) разделяются на эритроциты, лейкоциты, тромбоциты.
Эритроциты – красные кровяные клетки – это безъядерные высокоспециализированные клетки крови. Их количество составляет от 4» 1012 до 5 «1012 штук в литре крови. Их основная функция – транспортная: перенос кислорода и углекислого газа за счет содержимого эритроцитов – гемоглобина.
Лейкоциты – белые кровяные клетки, имеющие ядро и обладающие амебоидным движением. Их содержание в крови колеблется от 4*109 до 9*109 штук в литре крови. Лейкоциты разделяются на две фракции – зернистые и незернистые. Процентное соотношение зернистых лейкоцитов и незернистых называется лейкоцитарной формулой. Основная функция этих клеток крови – защитная – участие в поддержании иммунитета.
Тромбоциты – красные кровяные пластины – выполняют также защитную функцию, участвуя в механизмах свертывания крови. Их количество в крови здорового человека колеблется от 250 «109 до 400-Ю9 штук в литре крови. Различают процесс свертывания в мелких сосудах, например, капиллярах, и в крупных – артериях, венах. Процесс свертывания крови называется гемостазом. Если гемостаз протекает в капиллярах, то он сводится к кратковременному спазму сосудов, приклеиванию, а затем скучиванию тромбоцитов к месту повреждения сосуда, что приводит к образованию тромбоцитарной пробки. В крупных сосудах гемостаз протекает ферментативным путем в три фазы.
На 1-й фазе при разрушении тромбоцитов выделяется активный фермент тромбопластин. Затем, на 2-й стадии, тромбопластин ускоряет реакции перехода содержащегося в плазме белка протромбина в тромбин. На 3-й стадии под действием тромбина из растворенного в плазме фибриногена образуется нерастворимый фибрин, выпадающий в виде нитей. В нитях фибрина запутываются форменные элементы крови, образуется тромб. Затем происходит уплотнение сгустка путем удаления из него сыворотки. Время свертывания крови в норме составляет от 3 до 5 минут.
В организме человека существуют во взаимодействии две системы: свертывающая и противосвертывающая. Противосвертывающая включает целый ряд химических веществ, ингибирующих все или выборочные фазы свертывания крови. Универсальным противосвертывающим веществом является гепарин. В результате взаимодействия свертывающей и противосвертывающей систем кровь пребывает в жидко-агрегатном состоянии.
Еще в 1901 году австрийский ученый Карл Ландштейнер, смешивая эритроциты с сывороткой крови, обнаружил, что при одних сочетаниях сыворотки и эритроцитов разных людей наблюдается агглютинация (т.е. склеивание эритроцитов), а при других – нет. Это происходит в результате взаимодействия присутствующих в эритроцитах факторов – агглютиногенов – и содержащихся в плазме антител (агглютининов). Ландштейнер установил, что в крови одних людей совсем нет агглютиногенов (I группа, или 0), в крови других – только агглютиноген А (II группа, А), у третьих – только агглютинген В (III группа, В), а четвертая содержит оба агглютиногена. В то же время в крови разных людей существуют либо один, либо два, либо ни одного агглютинина. Никогда не встречаются в крови одного человека в норме одноименные агглютиноген и агглютинин. Таким образом, было описано четыре группы крови.
Учение о группах крови усложнилось в связи с открытием новых систем агглютиногенов. Своеобразным агглютиногеном является также резус-фактор, открытый Ландштейнером в 1940 году. 85% людей имеют этот агглютиноген в крови, а 15% – не имеют. Резус-фактор имеет большое значение в медицинской практике. Изучение крови на резус-фактор теперь обязательно проводят вместе с обычным определением группы крови во избежание резус-конфликта.
3. Система кровообращения
Система кровообращения у человека – это сердце и замкнутая система кровеносных сосудов, включающая артерии, вены, капилляры. Кровь движется по сосудам главным образом за счет работы сердца. Сокращаясь, сердце выбрасывает порцию крови (70 мл) в артерии, при расслаблении сердца в него вливается кровь из вен. Масса сердца колеблется в пределах 200–400 г., по объему оно сопоставимо с кулаком, сердце сокращается ритмично. Частота сердцебиений составляет 75 раз в минуту. Объем крови, перекачиваемой сердцем за 1 минуту, составляет 6 л, но может достигать и 30 л/мин, если человек находится в состоянии возбуждения или выполняет большую физическую нагрузку.
Сердце человека состоит из 2 половин – правой и левой. В каждой из них имеются 2 камеры – предсердие и желудочек. Следовательно, сердце у человека – четырехкамерное.
Из левого желудочка артериальная кровь выталкивается в самую крупную артерию – аорту. Аорта дает начало большому кругу кровообращения, назначение которого – питание кровью, богатой кислородом и питательными веществами, всего тела человека. В капиллярах, имеющих микроскопическую величину (2,5–30 мкм), артериальная кровь насыщается углекислым газом и продуктами распада и превращается в венозную. Венозная кровь собирается вначале в мелкие, а затем в крупные вены и, наконец, по двум полным венам возвращается в правое предсердие. Правым предсердием заканчивается большой круг кровообращения. Малый (легочный) круг кровообращения начинается из правого желудочка сердца легочным стволом, затем кровь направляется в легкие. В легких, благодаря газообмену, венозная кровь превращается в артериальную, а затем по четырем легочным венам возвращается в левое предсердие, а оттуда – в левый желудочек сердца. Таким образом, благодаря сокращениям сердца, кровь поступает в артерии, вены, капилляры. Последние образуют густую сеть длиной 200 000 км.
Сердечная мышца обладает целым рядом физиологических свойств (например, автоматией), исследовать которые можно с помощью различных физиологических методов, самым традиционным из которых является электрокардиография. Методика представляет собой снятие электрических потенциалов сердца с поверхности тела. Регистрация электрокардиограммы производится в стандартных (от конечностей) и грудных отделах.
Особенности кровотока в артериях, венах, капиллярах изучает специальный раздел физиологии – гемодинамика. Одним из методов, применяемых в гемодинамике, является регистрация артериального давления. В нормальных условиях у взрослого человека максимальное (систолическое) давление составляет 110–125 мм рт. ст., а минимальное (диастолическое) – 70–85 мм рт. ст.
4. Лимфатическая система
Система лимфообращения осуществляет постоянный отток межтканевой жидкости по направлению к сердцу. Кроме того, к функциям лимфы относятся поддержание объема и состава тканевой жидкости, всасывание и перенос питательных веществ из пищеварительного канала в венозную систему, участие в иммунных реакциях организма посредством доставки лимфоцитов, антител и др.
Лимфатическая система состоит из органов иммунной системы: костного мозга, вилочковой железы, миндалин, лимфатических узлов, селезенки, лимфоидных узелков, расположенных в слизистой оболочке внутренних органов, в основном, пищеварительных. Кроме того, к лимфатической системе относятся и лимфатические пути. Это лимфокапилляры, лимфатические посткапилляры, содержащие клапаны, лимфатические сосуды (внутриорганные, внеорганные), лимфатические стволы, объединяющиеся в лимфатические протоки (грудной и правый лимфатические протоки), впадающие в вены.
Начальный отдел лимфатической системы – это замкнутые лимфокапилляры, в них и переходит межтканевая жидкость. По мере продвижения к грудному и шейному протокам лимфа проходит через биологические фильтры – лимфатические узлы. В них происходит обеззараживание лимфы – освобождение ее от бактерий и токсинов.
Состав лимфы непостоянен: он изменяется под влиянием принятой пищи. Причем жирная пища приводит к увеличению в ней жировой эмульсии. Лимфа приобретает молочно-белый цвет. В лимфе содержится незначительное количество белков, но и с этим незначительным количеством из крови в течение суток уходит до 200 г. белка. Возвращая его в общий кровоток, лимфа поддерживает белковое постоянство крови.
Лимфа движется только в одном направлении – от тканей по ее главным протокам и через них – в венозную систему. Ее движению способствуют ритмические сокращения стенок лимфатических сосудов и отрицательное (присасывающее) внутригрудное давление. Обратному току лимфы препятствуют многочисленные клапаны в лимфатических сосудах.
5. Дыхательная система
Основная функция органов дыхания – обеспечение тканей организма человека кислородом и освобождение их от углекислого газа. Наряду с этим органы дыхания участвуют в голосообразовании, обонянии и других функциях. В дыхательной системе выделяют органы, которые выполняют воздухопроводящую (полость носа, носоглотка, гортань, трахея, бронхи) и газообменную функции (легкие). В процессе дыхания атмосферный кислород связывается Кровью и доставляется в клетки и ткани организма. Внутри клеточное дыхание обеспечивает освобождение энергии, необходимой для поддержания процессов жизнедеятельности. Образующийся при этом углекислый газ (С02) переносится кровью к легким и удаляется с выдыхаемым воздухом.
Поступление воздуха в легкие (вдох) является результатом сокращения дыхательных мышц и увеличения объема легких. Выдох происходит вследствие расслабления дыхательных мышц. Следовательно, дыхательный цикл складывается из вдоха и выдоха. Дыхание происходит непрерывно вследствие нервных импульсов, поступающих из дыхательного центра, расположенного в продолговатом мозгу. Дыхательный центр обладает автоматией, но его работа контролируется корой больших полушарий.
Эффективность внешнего дыхания может быть оценена по величине легочной вентиляции, т.е. по объему воздуха, проходящего через дыхательные пути. Взрослый человек за один дыхательный цикл вдыхает и выдыхает в среднем около 500 см3 воздуха. Этот объем называется дыхательным. При дополнительном (после нормального вдоха) максимальном вдохе можно вдохнуть еще 1500–2000 см3 воздуха. Это дополнительный объем вдоха. После спокойного выдоха можно дополнительно выдохнуть еще около 1500–3000 см3 воздуха. Это дополнительный объем выдоха. Жизненная емкость легких равна суммарной величине дыхательного и дополнительного объемов вдоха и выдоха (3–5 литров). Определение жизненной емкости легких производят методом спирометрии.
6. Пищеварительная система
Пищеварительная система человека состоит из пищеварительной трубки (длиной 8–9 м) и тесно связанных с нею крупных пищеварительных желез – печени, поджелудочной железы, слюнных желез (крупных и мелких). Пищеварительная система начинается полостью рта и заканчивается задним проходом. Сущность пищеварения состоит в физической и химической переработке пищи, в результате которой становится возможным всасывание питательных веществ через стенки пищеварительного тракта и поступление их в кровь или лимфу. К питательным веществам относятся белки, жиры, углеводы, вода, минеральные вещества. В пищеварительном аппарате происходят сложные физико-химические превращения пищи: от формирования пищевого комка в ротовой полости до всасывания и удаления непереваренных ее остатков. Эти процессы осуществляются в результате двигательной, всасывающей и секреторной функций аппарата пищеварения. Все эти три пищеварительные функции регулируются нервным и гуморальным (посредством гормонов) путем. Нервный центр, регулирующий функции пищеварения, а также пищевую мотивацию, находится в гипоталамусе (промежуточный мозг), а гормоны большей частью образуются в самом желудочно-кишечном тракте.
В ротовой полости осуществляется первичная химическая и физическая переработка пищи. Так, под действием ферментов слюны – амилазы и мальтазы – происходит гидролиз (расщепление) углеводов при рН (кислотно-щелочном) равновесии 5,8–7,5. Слюноотделение происходит рефлекторно. Оно усиливается, когда мы чувствуем приятные запахи, или, например, при попадании инородных частиц в ротовую полость. Объем слюноотделения составляет 0,5 мл в минуту в состоянии покоя (это облегчает речедвигательную функцию) и 5 мл в минуту во время еды. Слюна также обладает бактерицидными свойствами. Физическая обработка пищи включает размельчение (жевание) и формирование пищевого комка. Кроме того, в ротовой полости происходит формирование вкусовых ощущений. В этом большую роль играет также слюна, которая в данном случае выступает в роли растворителя. Известно четыре первичных вкусовых ощущения: кислое, соленое, сладкое, горькое. Они неравномерно распределяются на поверхности языка.
После глотания пища попадает в желудок. В зависимости от состава пища находится в желудке разное время. Хлеб и мясо перевариваются за 2–3 часа, жиры – 7–8 часов. В желудке из жидких и твердых компонентов пищи постепенно формируется полужидкая кашица – химус. Желудочный сок имеет очень сложный состав, так как является продуктом секреции трех типов желудочных желез. Он содержит ферменты: пепсиногены, расщепляющие белки; липазы, расщепляющие жиры, и др. Кроме того, в состав желудочного сока входят хлористо-водородная кислота (НС1), придающая соку кислую реакцию (0,9–1,5), и слизь (мукополисахариды), предохраняющая стенку желудка от самопереваривания.
Почти полное освобождение желудка происходит через 2–3 часа после приема пищи. При этом он начинает сокращаться в режиме 3 раза в минуту (продолжительность сокращений от 2 до 20 секунд). Желудок ежедневно выделяет 1,5 л желудочного сока.
Пищеварение в 12-перстной кишке отличается еще большей сложностью ввиду того, что туда поступают три пищеварительных сока – желчь, поджелудочный сок и собственный кишечный сок. В 12-перстной кишке химус подвергается действию ферментов, гидролизирующих и жиры, и углеводы, и белки, а также нуклеиновые кислоты; рН при этом составляет 7,5–8,5. Наиболее активны ферменты поджелудочного сока. Желчь облегчает переваривание жиров, превращая их в эмульсию. В 12-перстной кишке подвергаются дальнейшему расщеплению углеводы.
В тонком кишечнике (тощая и подвздошная кишка) сочетаются три взаимосвязанных процесса – полостное (внеклеточное) пищеварение, пристеночное (мембранное) и всасывание. Вместе они представляют собой этапы пищеварительно-транспортного конвейера. Химус продвигается по тонкой кишке со скоростью 2,5 см в минуту и переваривается в ней за 5–6 часов. Кишка сокращается 13 раз в минуту, что способствует перемешиванию и расщеплению пищи. Клетки кишечного эпителия покрыты микроворсинками, представляющими собой выросты высотой 1–2 мкм. Количество их огромно – от 50 до 200 млн. на 1 мм2 поверхности кишечника. Общая площадь кишечника за счет этого возрастает до 400 м2. В порах между микроворсинками адсорбированы ферменты.
В кишечном соке содержится полный набор ферментов, расщепляющих белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты. Эти ферменты осуществляют пристеночное пищеварение. Через микроворсинки происходит и всасывание простых молекул этих веществ в кровь и в лимфу. Так, белки всасываются в кровь в виде аминокислот, углеводы – в виде глюкозы и других моносахаров, а жиры – в виде глицерина и жирных кислот в лимфу и частично в кровь.
Процесс пищеварения заканчивается в толстом кишечнике. Железы толстого кишечника секретируют слизь. В толстом кишечнике благодаря населяющим его бактериям происходит брожение клетчатки и гниение белков. При гниении белков образуется ряд ядовитых продуктов, которые, всасываясь в кровь, обеззараживаются в печени.
Печень выполняет барьерную (защитную) функцию, синтезируя из ядовитых веществ безвредные для организма вещества. В толстом кишечнике завершается активное всасывание воды и формирование каловых масс. Микрофлора (бактерии) толстого кишечника осуществляет биосинтез некоторых биологически активных веществ (например, витаминов группы В и К).
7. Обмен веществ и энергии
Французский ученый Клод Бернар установил, что живой организм и среда – это единая система, т.е. между ними происходит непрерывный обмен веществами и энергией. Энергия необходима организму для поддержания всех его жизненно важных функций. Единицы измерения энергии – это калория или джоуль. Откуда же берется в организме энергия? Она выделяется за счет окисления сложных органических соединений, т.е. белков, жиров и углеводов. Накопление энергии происходит в основном за счет АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты). Поэтому АТФ – это универсальный источник энергии в организме человека. Высвобождение энергии происходит за счет гидролиза АТФ, когда разрывается химическая связь концевой фосфатной группы и высвобождается энергия. Часть этой энергии выделяется в виде теплоты. Так, например, при сокращении мышц около 80% энергии теряется в виде тепла и только 20% превращается в механическую работу.
Перейдем к вопросу об обмене веществ в организме человека, или метаболизму. Процессы метаболизма разделяются на две группы: анаболические и катаболические.
Анаболизм – это процессы биосинтеза органических веществ. Анаболизм обеспечивает рост, развитие организма, обновление его структур и накопление энергии.
Катаболизм – это процессы расщепления сложных молекул до простых веществ с образованием энергии в виде АТФ. Эти процессы находятся в организме человека в состоянии равновесия или же преобладания одного над другим. Потребность организма в пластических веществах удовлетворяется путем потребления их с пищей.
Рассмотрим отдельно особенности белкового, углеводного и жирового обмена.
Обмен белков. Белки – это вещества, в состав которых входят аминокислоты (20). В состав белков входит также азот. Функции белков – пластическая (строительная), энергетическая. Так, при сгорании 1 г белка в организме высвобождается 4,1 ккал энергии. В сутки человек должен потреблять не менее 85–90 г. белка (это белковый оптимум).
Обмен жиров (липидов). Жиры – это эфиры высших жирных кислот и глицерина. Их функции: энергетическая, пластическая, а также участие в теплообмене. Так, при сгорании в организме 1 г жира высвобождается 9,3 ккал энергии. В сутки потребность в жирах составляет от 80 до 100 г. Жиры могут запасаться в организме в подкожной жировой клетчатке, в оболочках вокруг внутренних органов и т.д.
Обмен углеводов. Углеводы можно условно разделить на три класса соединений: моносахара (например, глюкоза); дисахара (например, мальтоза); полисахара (например, крахмал). Это вещества, сладкие на вкус, хорошо растворимые в воде. Они выполняют энергетическую и пластическую функции, а также входят в состав нуклеиновых кислот (ДНК, РНК) и АТФ. Потребность в углеводах составляет в сутки 350–450 г. Углеводы могут запасаться в организме человека в виде животного крахмала – гликогена – в печени и в скелетных мышцах.
Таким образом, соотношение в пищевом рационе основных питательных веществ составляет 1:1:4 (белков: жиров: углеводов). При составлении пищевых рационов кроме этого правила учитываются энергозатраты человека за 1 сутки, зависящие от характера выполняемой им работы.
В состав пищи входят также вода, неорганические (минеральные) вещества и витамины. Витамины – это особая группа веществ, не синтезируемых вовсе или синтезируемых в малых количествах в организме человека. Однако эти различные по своей химической природе вещества необходимы для нормального обмена веществ, роста, развития человека, поддержания его здоровья. Все витамины можно подразделить на водо- и жирорастворимые. К первой группе относят витамин С, витамины группы В. Они содержатся в основном в продуктах растительного происхождения (овощах, фруктах). Источником жирорастворимых витаминов (А, Д, Е и К) является пища животного происхождения (молоко, яйца, мясо, печенье и т.д.). Некоторые витамины синтезируются микрофлорой кишечника (витамин К, В6). При полном отсутствии витаминов в пище возникают авитаминозы, которые могут сопровождаться различными заболеваниями. В настоящее время мы чаще сталкиваемся (особенно в зимнее время) с гиповита-минозами – с недостаточным поступлением витаминов с пищей. Этот недостаток можно легко устранить приемом поливитаминов, содержащих весь комплекс витаминов и минеральные добавки.
8. Физиология выделения
К выделительным органам относят почки, кожу, потовые, сальные железы, легкие. Органы мочевыделения – это почки, мочеточники, мочевой пузырь, мочеиспускательный канал. Функции почек многообразны:
Участие в регуляции водного баланса организма.
Участие в постоянстве ионного баланса.
Регуляция осмотического давления во внутренней среде организма.
Поддержание кислотно-щелочного равновесия и др.
Однако основная функция почек – экскреторная – удаление из организма вредных и чужеродных для него веществ путем образования и выведения мочи.
Почки находятся в брюшной полости. По форме они напоминают боб, каждая из них весом 120–200 г., длиной 10–12 см, шириной б см, толщиной 3 см. Почки располагаются по обе стороны от позвоночного столба. На вогнутом крае почки имеется углубление – почечные ворота, через которые проходят сосуды, нервы и мочеточник. На разрезе через почку видно, что она состоит из коркового и мозгового вещества.
Мозговое вещество (внутри) представлено 10–15 почечными пирамидками. Корковое вещество расположено снаружи и проникает в мозговое, образуя почечные столбы. В корковом веществе находятся структурно-функциональные элементы почки – нефроны (1 миллион в каждой почке). Нефрон начинается почечным тельцем, состоящим из капсулы и капиллярного клубочка. Капсула переходит в систему канальцев – извитых и прямых. Канальцы, в свою очередь, переходят в собирательную трубочку, которая впадает в сосочковый проток, открывающийся на вершине пирамиды в полость малой почечной чаши. Несколько малых чаш открываются в большую чашу, а 2–3 большие – в почечную лоханку. Почечная лоханка, суживаясь, переходит в мочеточник.
Почки каждую минуту пропускают более 1 литра крови, а всего ими за сутки фильтруется и очищается 1700 л крови. В нефронах происходит процесс мочеобразования путем:
фильтрации (в капсуле нефрона) под давлением;
обратного всасывания (в канальцах);
секреции (в канальцах).
Образовавшаяся моча через мочеточник поступает в мочевой пузырь, где накапливается, а затем через мочеиспускательный канал выводится наружу.
Моча выделяется в количестве 1–1,5 л в сутки. Она светло-желтого цвета, кислотно-щелочное равновесие (рН) колеблется от 4,5 до 8 единиц. Моча содержит вредные продукты метаболизма: мочевину, мочевую кислоту, аммиак, а также воду и неорганические вещества и пигмент урохром. В норме у здорового человека не должны содержаться в моче глюкоза и белок. Это может быть связано с различными заболеваниями (сахарный диабет, нефрит и др.).
9. Железы внутренней секреции
Наряду с нервной регуляцией функций в организме человека существует гормональная регуляция с помощью биологически активных веществ – гормонов. Деятельность нервной и гормональной регуляции взаимосвязана. Гормоны в организме человека влияют на следующие процессы:
обмен веществ и энергии;
рост, развитие;
размножение;
адаптация.
Гормоны – это биологически активные вещества, вырабатываемые специальными железами внутренней секреции, поступающие в кровь и изменяющие функции органов – мишеней.
Гормоны обладают следующими свойствами:
образуются специальными клетками эндокринных желез;
обладают высокой биологической активностью;
поступают в кровь;
действуют на расстоянии от места образования – дистанционно;
большинство их не обладает видовой специфичностью;
быстро разрушаются.
Все железы внутренней секреции делятся на центральные и периферические.
К центральным железам относятся гипофиз (ведущая железа внутренней секреции), эпифиз и гипоталамус (структура промежуточного мозга). Периферические железы делятся на гипофиззависимые и гипофизнезависимые. К гипофиззависимым железам относят щитовидную железу, корковое вещество надпочечников, половые железы. К гипофизнезависимым железам относят паращитовидные железы, поджелудочную железу, тимус (вилочковую железу) и мозговое вещество надпочечников. Необходимо отметить, что половые железы и поджелудочная железа являются смешанными, так как имеют и внешнесекреторную, и внутрисекреторную части.
В организме человека имеются и отдельные гормон-продуцирующие клетки, находящиеся, например, в органах желудочно-кишечного тракта или тканях.
Гипофиз является ведущей железой внутренней секреции. Он находится на основании мозга и имеет три доли: переднюю (аденогипофиз), промежуточную, заднюю (нейрогипофиз). Гипофиз связан с гипоталамусом и составляет с ним вместе единую гипоталамо-гипофизарную систему.
В передней доле (аденогипофизе) вырабатываются гормон роста и группа так называемых тропных гормонов, оказывающих влияние на щитовидную железу, половые железы, надпочечники. Средняя (промежуточная) доля вырабатывает гормон, влияющий на пигментообразующую функцию кожи. В задней доле (нейрогипофизе) образуются два гормона, влияющие на функции почек и матки и реализующие свое действие через гипоталамус.
Внутрисекреторная функция эпифиза связана с регуляцией половых функций организма. Разрушение эпифиза приводит к преждевременному половому созреванию.
Функция этой железы связана с регуляцией биологических ритмов в организме человека.
Щитовидная железа регулирует различные виды обмена веществ, а также влияет на энергетический обмен. Особенностью щитовидной железы является ее способность активно извлекать йод из плазмы крови.
Каждый надпочечник состоит из коркового и мозгового вещества. Образование гормонов коры надпочечников находится под влиянием гипофиза. Кортикоидные гормоны обладают широким спектром действия. Основным их действием является влияние на углеводный обмен, обмен минеральных веществ, они оказывают влияние на клеточный и гуморальный иммунитет. Изменение концентрации кортикоидов особенно отчетливо проявляется при действии стрессоров. В связи с тем, что эти гормоны повышают резистентность организма к действию стрессоров, их еще называют гормонами адаптации.
Образование половых гормонов происходит в мужских (яичках) и женских (яичниках) половых железах, или гонадах. Половые гормоны влияют на развитие и созревание половых клеток, развитие вторичных половых признаков у мужчин и женщин, половое поведение. У женщин концентрация половых гормонов непостоянна (женские половые циклы).
Паращитовидные железы (их всего 4) являются гипофизнезависимыми. Гормон паращитовидной железы способствует переходу кальция из костной ткани в кровь. Полное удаление паращитовидных желез может привести к гибели организма.
Поджелудочная железа, являясь железою со смешанной секрецией, также является гипофизнезависимой. Ее гормоны влияют на углеводный обмен. Причем инсулин – это единственный гормон, понижающий уровень глюкозы в крови за счет увеличения способности клеточных мембран пропускать глюкозу внутрь клетки.
Мозговое вещество надпочечников вырабатывает гормоны норадреналин и адреналин. Влияние этих гормонов многообразно. Так, адреналин учащает и усиливает сокращение сердца, повышает в крови уровень глюкозы, понижает секрецию и моторную деятельность желудка и кишечника, расширяет зрачок, повышает работоспособность мышц. Вилочковая железа рассматривается как орган интеграции иммунной и эндокринной систем организма.
10. Нервная система
Нервная система обеспечивает взаимодействие организма с внешней средой и регулирует работу всех органов и в целом организма. Она подразделяется на центральную и периферическую, а также на соматическую и вегетативную.
Соматическая нервная система обеспечивает чувствительную и двигательную функции, а вегетативная – контролирует внутренние органы и железы.
Центральная нервная система состоит из спинного и головного мозга.
Спинной мозг имеет длину 41–45 см, расположен внутри полномочного канала. Вверху он переходит в продолговатый мозг, а внизу истончается и заканчивается мозговым конусом.
От спинного мозга отходят в обе стороны корешки, Образующие вместе спинномозговые нервы (всего 31 пара). Задние корешки состоят из отростков чувствительных нейронов, а передние образованы аксонами двигательных клеток. Внутреннее строение спинного мозга хорошо видно на его поперечном разрезе. Внутри (в виде рогов) находится серое вещество, состоящее из тел нейроном. Белое вещество – это отростки нервных клеток, образующие проводящие пути спинного мозга: восходящие – от спинного мозга к головному, нисходящие – от головного мозга к спинному.
Функции спинного мозга
Рефлекторная. Двигательные и чувствительные рефлексы. Особое значение имеют двигательные рефлексы, рефлексы растяжения, сгибания, разгибания, поддерживающие тонус мышц. Вегетативные рефлексы, например, мочеиспускание, дефекация, сосудистые.
Проводниковая – связь с головным мозгом. При повреждении спинного мозга возникает спинальный шок, когда выпадают все спинномозговые рефлексы. Затем они могут медленно (за 0,5 года) восстановиться.
Головной мозг.
Головной мозг состоит из 5 отделов:
продолговатый мозг;
задний мозг (мост и мозжечок);
средний мозг;
промежуточный мозг;
конечный, или передний (кора больших полушарий).
Продолговатый мозг имеет форму луковицы и является продолжением спинного мозга. На его передней поверхности находятся пирамиды – в них проходят двигательные пути от коры больших полушарий через спинной мозг к мышцам. Сбоку от них крупные образования – оливы. По задней поверхности проходят тонкий и клиновидные пучки-пути чувствительности (от рецепторов в головной мозг). В толще продолговатого мозга находятся ядра 9–12-й пары черепно-мозговых нервов и диффузно-рассеянные нейроны ретикулярной (сетчатой) формации. Полость внутри продолговатого мозга – IV желудочек.
Функции продолговатого мозга
Рефлекторная – обеспечивает рефлексы кашля, чихания, пищеварительные, сосания, сердечнососудистые, дыхательные, а также рефлексы равновесия.
Проводниковая – обеспечивает прохождение путей от спинного мозга в кору и обратно.
Конечный мозг состоит из двух полушарий, соединение между собой при помощи мозолистого тела. Каждое Полушарие содержит серое и белое вещество. Ближе к основанию мозга лежат базальные ядра – скопление серого вещества (это двигательные центры). Другая часть серого вещества покрывает белое вещество полушарий в виде коры, имеющей шесть слоев. Каждое из полушарий делится бороздами на доли – лобную, парные височные, парные теменные, затылочную. Кора имеет толщину от 1,3 до 1,4 мм и площадь 2200 см2. Клетки коры – чувствительные, двигательные и вставочные. Полость конечного мозга – боковые желудочки.
функции коры больших полушарий
Кора большого мозга представлена серым веществом и состоит из нескольких слоев клеток. Она образует многочисленные складки, или извилины, которые увеличивают площадь ее поверхности. Белое вещество располагается под корой и состоит из нервных волокон, принадлежащих нейронам коры, и подкорковых образований.
В коре большого мозга выделяют области, ответственные за выполнение двигательных или чувствительных функций.
Двигательная область расположена впереди центральной борозды и содержит нейтроны, отростки которых образуют двигательные проводящие пути, контролирующие выполнение движений на противоположной стороне тела.
В нижней части двигательной коры находится речевой центр Брока. У правшей он располагается в левом полушарии, а у левшей – в правом.
Чувствительная, или сенсорная, зона расположена позади центральной борозды. Эта область отвечает за оценку различных чувствительных стимулов.
Слуховой центр, где анализируются различные звуковые раздражения, расположен в височной доле, книзу от латеральной борозды.
Зрительный центр лежит в затылочной доле и отвечает за формирование зрительных образов.
Центры вкуса и обоняния располагаются в переднем отделе височной доли.
Волокна белого вещества связывают различные части головного мозга и расположенные в них центры между собой, а также со спинным мозгом.
11. Вегетативная нервная система
Ее функции – регуляция «растительных» функций, питания, дыхания, выделения, размножения (путем иннервации всех внутренних органов и желез).
Вегетативная нервная система делится на два отдела:
симпатический,
парасимпатический.
Орган зрения
С помощью глаз мы получаем до 90% всей информации. Зрительная система воспринимает и анализирует световые раздражители. Свет – это электромагнитное излучение с различными длинами волн. Посредством органа зрения мы определяем форму, величину предметов, степень освещенности, цвета и т.д.
Воспринимающий аппарат глаза расположен в глазном яблоке, стенка которого состоит из трех оболочек: фиброзной (впереди образует роговицу, сзади – склеру), сосудистой и внутренней (сетчатки). Производная сосудистой оболочки – радужка, в центре которой находится отверстие – зрачок. Сзади от радужки расположен хрусталик, который может изменять свою кривизну.
Сетчатка (внутренняя оболочка глазного яблока) состоит из нескольких слоев клеток. Основные клетки сетчатки – это фоторецепторы (палочки – их 130 млн., колбочки – 7 млн). Колбочки возбуждаются при ярком свете, воспринимают цвета; палочки – при сумеречном свете. Вспомогательный аппарат глаза: глазные мышцы, веки, ресницы, слезный аппарат.
В глазу имеются две системы – светопреломляющая и световоспринимающая.
Светопреломляющая система представлена роговицей, хрусталиком и стекловидным телом, заполняющим изнутри глазное яблоко. Назначение светопреломляющей системы – построить правильное изображение предмета на сетчатке.
Световоспринимающая система – это сетчатка. Назначение этой системы – восприятие света.
При действии света происходит распад содержащихся в фоторецепторах сетчатки пигментов (родопсина и йодо-псина). Это приводит к возбуждению рецепторов, в них возникает нервный импульс (потенциал действия), который по зрительной проводящей системе поступает в затылочную долю коры больших полушарий. В коре и происходит опознание образа, т.е. высший анализ и синтез зрительных раздражителей.
Орган слуха
Воспринимает и анализирует звуковые колебания. Звук – это колебательные движения упругих тел, распространяющиеся в различных средах в виде волн.
Звуковые волны обладают двумя переменными пара-рами – частотой и амплитудой. Слуховая система состоит из трех частей:
звукоулавливающей,
звукопередающей,
звуковоспринимающей.
При попадании в ухо звуковой волны приходит в движение барабанная перепонка, а затем цепь слуховых косточек среднего уха; последняя слуховая косточка – стремечко – вдавливает мембрану овального окна, что приводит в движение жидкости, заполняющие лестницу улитки. Далее начинают колебаться определенный участок основной мембраны (соответственно частоте и силе звука) и находящиеся на ней рецепторные клетки. Они возбуждаются, возникает потенциал действия (нервный импульс), передающийся через слуховую проводящую систему в височную кору больших полушарий, где и происходит опознание слуховых раздражителей по всем параметрам, т.е. опознание слуховых образов.
12. Высшая нервная деятельность
Особый раздел физиологии изучает материальные основы психической деятельности человека. Он появился благодаря работам И.П. Павлова, создавшего учение о безусловных и условных рефлексах как двух различных формах поведения человека.
Безусловные рефлексы – видовые генетические, закрепленные, стереотипные формы поведения человека. Возникают сразу, не нуждаются в выработке (например, врожденные пищевые и оборонительные рефлексы).
Условные рефлексы – индивидуально приобретенные в процессе жизни и обучения приспособительные реакции, возникающие на основе образования временной связи между условным раздражителем и безусловно рефлекторным актом. Условный рефлекс образуется благодаря многократному сочетанию условного раздражителя со стимулом, вызывающим безусловный рефлекс.
Правила образования условных рефлексов
Условный сигнал опережает по времени безусловное подкрепление.
По силе он не должен быть больше, чем безусловное подкрепление.
Отсутствие посторонних раздражителей.
Здоровая нервная система.
У человека – мотивация (потребность к учению, приобретению знаний, навыков).
Особенностью психических функций человека является наличие 2-й сигнальной системы. Это особые условные рефлексы вырабатываемые на слово (1-я сигнальная система – это конкретные образцы окружающего мира).
Слово – это обобщающий сигнал, заменяющий конкретный предмет, явление. У человека благодаря 2-й сигнальной системе формируется абстрактно-логическое мышце и не. Предпосылками для этих функций являются:
1. Оптимальное кровоснабжение мозга.
Оптимальный уровень возбудимости нервных центром. При низком уровне возбудимости сознание отсутствует (наступает сон). Поддержание оптимального уровня возбудимости нервных центров достигается благодаря активирующим влияниям ретикулярной (сетчатой) формации среднего мозга.
В самостоятельную группу явлений выделяют неосознаваемые психические процессы.
Сознание и подсознание – взаимосвязанные формы психической деятельности, которые осуществляются на уровне коры и подкорки.
Возникновение реакций на уровне сознания зависит от оценки значимости сигнала на уровне подсознания. Рассмотрим следующие варианты:
а) если сигнал из подкорки информации не несет, то он тормозится в коре;
б) если сигнал требует шаблонного ответа, то возникает реакция, которая осуществляется по автоматическому типу:
в) если сигнал оценивается как значимый, то возникает активация коры, и реакция носит осознанный характер.
Речь – это исторически сложившаяся форма общения людей с помощью символов и знаков.
Функции речи:
Коммуникативная, т.е. средство общения;
Понятийная (слово – понятие);
Регуляторная – регуляции деятельности различных систем с помощью слова.
Этапы речевого общения:
Воспроизведение речи, выражающееся в акустической (по слуху) и зрительной (письменной) речи.
Восприятие речи – понимание ее.
Речевой ответ.
Разновидности речи:
устная;
письменная;
внутренняя (немая).
В выполнении речевой функции левому полушарию коры больших полушарий головного мозга принадлежит господствующая роль. Правое полушарие доминирует в отношении восприятия предметов, геометрических фигур, деталей образов. Эта межполушарная асимметрия доказана клинико-патологоанатомическими данными. Так, в частности, Брока выявил нарушение речи, связанное с поражением нижней лобной извилины
Память. Память – это способность мозга запоминать, хранить и воспроизводить полученную информацию.
Различают несколько видов памяти:
мгновенную (иконическую) – она длится несколько секунд;
кратковременную (длится от двух-трех дней);
долговременную (от двух-трех дней до конца жизни человека).
При некоторых заболеваниях мозга человек теряет способность запоминать события, происходящие незадолго до и во время болезни. Это симптомы так называемой ретроградной амнезии. Полная потеря памяти называется антероградной амнезией. Ученых издавна интересовали физиологические механизмы различных видов памяти. Так, относительно механизмов кратковременной памяти существует теория, что она реализуется в виде многократной циркуляции потоков импульсов по замкнутым цепям нейронов. Эта теория подтверждена морфологическими данными о наличии в сетях нейронов множественных соединений, образующих круговые пути. В ходе запоминания происходит активация этих путей и многократное возбуждение нервных клеток. Процесс перехода кратковременной памяти в долговременную называется консолидацией.
В отличие от кратковременной, долговременная память хранит следы пережитых событий неопределенно долго. Она и является носителем жизненного опыта и знаний, приобретенных человеком. О субстрате долговременной памяти существуют разные мнения. Одна из теорий объясняет происхождение долговременной памяти повышением эффективности синапсов (контактов между нейронами) и образованием новых. Другая теория (химическая) базируется на многочисленных опытах и наблюдениях во время обучения. Например, показательные опыты с крысами, которые обучались добираться к пище, балансируя на проволочном мостике. У этих крыс в нервных клетках, ответственных за выполнение двигательного навыка, произошло изменение состава РНК (рибонуклеиновой кислоты).
Можно ли передать память другому организму (т.е. перенести память)? Начало исследованиям в этой области положил опыт с плоскими червями – планариями, которых кормили особями с предварительно выработанным рефлексом. При этом у опытных червей наблюдали ускоренную выработку рефлекса. В качестве переносчика памяти в этих опытах также рассматривается РНК.
Список литературы
1. Азерников В.З. Неслучайные случайности. Рассказы о великих открытиях и выдающихся ученых. М., 2006.
2. Бернал Дж. Наука в истории общества. М., 2007.
3. Абрамов С.Г. Лекции по естественным наукам. М., 2006.
4. Александров Г.Ф. Концепции современного естествознания. М., 2007.
5. Кудрявцев П.С. Современное естествознание. Курс лекций. М., 2007.
6. Вернадский В.И. Биосфера. М., 1967.
7. Волков Ю.Г. Гуманистическое будущее России. М., 2005.