Безруких М.М., Сонькин В.Д., Фарбер Д.А. Возрастная физиология (физиология развития ребенка)

Подождите немного. Документ загружается.

изменить характер своего функционирования, если не изменяется ее

собственная структура. Возникновение тканей, обладающих качественными

особенностями, в процессе онтогенеза — процесс сравнительно медленный, и

происходит он не за счет того, что имеющиеся клетки приобретают новые

функции: практически всегда новые функции обеспечиваются новыми

поколениями клеточных структур, формирующимися под управлением

генетического аппарата и под влиянием требований внешней или внутренней

среды.

Онтогенез — поразительное явление, в ходе которого одноклеточный

организм (зигота) превращается в многоклеточный, сохраняя целостность и

жизнеспособность на всех этапах этого замечательного превращения и

постепенно наращивая многообразие и надежность выполняемых функций.

Структурно-функциональный и системный подходы к изучению

организма

Научная физиология родилась в один день с анатомией — это произошло

в середине XVII в., когда великий английский врач Уильям Гарвей получил

разрешение церкви и короля и произвел первое после тысячелетнего перерыва

вскрытие трупа приговоренного к смерти преступника с целью научного

изучения внутреннего строения тела человека. Разумеется, еще

древнеегипетские жрецы, бальзамируя тела своих фараонов, прекрасно знали

устройство человеческого тела изнутри — но это знание не было научным, оно

было эмпирическим, и к тому же — тайным: разглашение любых сведений об

этом считалось святотатством и каралось смертью. Великий Аристотель,

учитель и наставник Александра Македонского, живший за 3 столетия до

нашей эры, очень смутно представлял себе, как устроен организм и как он

работает, хотя был энциклопедически образован и знал, кажется, все, что к

тому времени накопила европейская цивилизация. Более осведомленными были

древнеримские врачи — ученики и последователи Галена (II век н.э.), которые

заложили начала описательной анатомии. Огромную славу снискали себе

средневековые арабские врачи, но даже величайший из них — Али Абу ибн

Сина (в европейской транскрипции — Авиценна, XI в.) — лечил скорее

человеческий дух, нежели тело. И вот У. Гарвей при стечении огромного

количества народа проводит первое в истории европейской науки исследование

устройства тела человека. Но Гарвея более всего интересовало, КАК

РАБОТАЕТ организм. С древнейших времен люди знали, что в груди каждого

из нас бьется сердце. Врачи во все времена измеряли пульс и по его динамике

оценивали состояние здоровья и перспективы борьбы с разнообразными

болезнями. До сих пор одним из важнейших приемов диагностики в

знаменитой и таинственной тибетской медицине служит длительное

непрерывное наблюдение за пульсом больного: врач сидит у его постели и

держит руку на пульсе часами, а потом называет диагноз и предписывает

лечение. Всем было хорошо известно: остановилось сердце — прекратилась

жизнь. Однако традиционная в тот период Галеновская школа не связывала

движение крови по сосудам с деятельностью сердца.

Но перед глазами Гарвея — сердце с трубочками-сосудами,

наполненными кровью. И Гарвей понимает: сердце — всего лишь мышечный

мешок, выполняющий роль насоса, который качает кровь по всему телу,

потому что по всему телу разбегаются сосуды, которые становятся все более

многочисленными и все более тонкими по мере удаления от насоса. По таким

же сосудам кровь возвращается к сердцу, совершая полный оборот и

непрерывно притекая ко всем органам, к каждой клеточке, неся с собой

питательные вещества. Еще ничего не известно о роли кислорода, не открыт

гемоглобин, никак не умеют врачи различать белки, жиры и углеводы —

вообще знания химии и физики еще крайне примитивны. Но уже начали

развиваться разнообразные технологии, инженерная мысль человечества

изобрела множество приспособлений, облегчающих производство или

создающих совершенно новые, небывалые раньше технические возможности.

Современникам Гарвея становится ясно: в организме работают определенные

механизмы, структурную основу которых составляют отдельные органы,

причем каждый орган предназначен для выполнения той или иной конкретной

функции. Сердце — это насос, качающий кровь по «жилам», точно так же, как

те насосы, которые подают воду из равнинных озер в усадьбу на пригорке и

питают радующие глаз фонтаны. Легкие — меха, через которые прокачивается

воздух, как это делают подмастерья в кузнице, чтобы сильнее раскалить железо

и его было легче ковать. Мышцы — канаты, прикрепленные к костям, и их

напряжение заставляет эти кости перемещаться, что и обеспечивает движение

всего тела, — точно так же, как строители с помощью талей поднимают

огромные камни на верхние этажи строящегося храма.

Человеку свойственно всегда сопоставлять новые открытые им явления с

уже известными, вошедшими в обиход. Человек всегда строит аналогии, для

того чтобы легче понять, объяснить самому себе суть происходящего. Высокий

уровень развития механики в эпоху, когда Гарвей проводил свои исследования,

неминуемо привел к механической интерпретации многочисленных открытий,

сделанных врачами — последователями Гарвея. Так родилась структурно-

функциональная физиология с ее лозунгом: один орган — одна функция.

Однако по мере накопления знаний — а это в значительной мере зависело

от развития физических и химических наук, поскольку именно они поставляют

основные способы для проведения научных исследований в физиологии, —

стало ясно, что многие органы выполняют не одну, а несколько функций.

Скажем, легкие — не только обеспечивают обмен газами между кровью и

окружающей средой, но также участвуют в регуляции температуры тела. Кожа,

выполняя в первую очередь функцию защиты, одновременно является и

органом терморегуляции и органом выделения. Мышцы способны не только

приводить в действие скелетные рычаги, но и за счет своих сокращений

согревать притекающую к ним кровь, поддерживая температурный гомеостаз.

Примеры такого рода можно приводить без конца. Полифункциональность

органов и физиологических систем стала особенно явственной в конце XIX —

начале XX в. Любопытно, что в это же время в технике появилось множество

разнообразных «универсальных» машин и инструментов, обладающих

широким спектром возможностей — порой, в ущерб простоте и надежности.

Это — иллюстрация того факта, что техническая мысль человечества и уровень

научного понимания организации процессов в живой природе развиваются в

теснейшем взаимодействии между собой.

К середине 30-х годов XX в. стало ясно, что даже концепция

полифункциональности органов и систем уже не способна объяснить

согласованность функций организма в процессе адаптации к изменяющимся

условиям или в динамике возрастного развития. Стало складываться новое

понимание смысла процессов, происходящих в живом организме, из которого

постепенно сформировался системный подход к исследованию

физиологических процессов. У истоков этого направления физиологической

мысли стояли выдающиеся российские ученые — А.А.Ухтомский,

Н.А.Бернштейн и П.К.Анохин.

Наиболее принципиальное различие структурно-функционального и

системного подходов состоит в понимании того, что является физиологической

функцией. Для структурно-функционального подхода характерно понимание

физиологической функции как некоего процесса, осуществляемого

определенным (конкретным) набором органов и тканей, меняющим по ходу

функционирования свою активность в соответствии с влиянием управляющих

структур. В такой интерпретации физиологические механизмы — это те

физические и химические процессы, которые лежат в основе физиологической

функции и обеспечивают надежность ее выполнения. Физиологический

процесс — вот тот объект, который находится в Центре внимания структурно-

функционального подхода.

Системный подход базируется на представлении о целесообразности,

т.е. под функцией в рамках системного подхода понимают процесс достижения

некой цели, результата. На различных этапах этого процесса потребность в

вовлечении тех или иных структур может весьма существенно меняться,

поэтому констелляция (состав и характер взаимодействия элементов)

функциональной системы очень подвижна и соответствует той частной задаче,

которая решается в текущий момент. Наличие цели предполагает, что

существует некоторая модель состояния системы до и после достижения этой

цели, программа действия, а также существует механизм обратной связи,

позволяющий системе контролировать свое текущее состояние

(промежуточный результат) по сравнению с моделируемым и на этом

основании вносить коррективы в программу действия ради достижения

конечного результата.

С позиций структурно-функционального подхода окружающая среда

выступает как источник стимулов для тех или иных физиологических реакций.

Возник стимул — в ответ возникла реакция, которая либо угасает по мере

привыкания к стимулу, либо прекращается тогда, когда перестает действовать

стимул. В этом смысле структурно-функциональный подход рассматривает

организм как закрытую систему, имеющую лишь определенные каналы обмена

информацией с окружающей средой.

Системный подход рассматривает организм как открытую систему,

целевая функция которой может быть помещена как внутри, так и вне ее. В

соответствии с этим взглядом организм реагирует на воздействия внешнего

мира как единое целое, перестраивая стратегию и тактику этого реагирования в

зависимости от достигаемых результатов каждый раз таким образом, чтобы

либо быстрее, либо надежнее достичь модельных целевых результатов. С этой

точки зрения реакция на внешний раздражитель угасает тогда, когда

сформированная под его воздействием целевая функция оказывается

реализованной. Стимул может продолжать действовать либо, напротив, —

может прекратить свое действие еще задолго до завершения функциональных

перестроек, но раз начавшись, эти перестройки должны пройти весь

запрограммированный путь, и реакция закончится только тогда, когда

механизмы обратной связи принесут информацию о полной

сбалансированности организма со средой на новом уровне функциональной

активности. Простой и наглядной иллюстрацией этого положения может

служить реакция на любую физическую нагрузку: для ее выполнения

активируются мышечные сокращения, что вызывает необходимость

соответствующей активации кровообращения и дыхания, и даже когда нагрузка

уже завершена — физиологические функции все еще довольно длительное

время сохраняют свою повышенную активность, поскольку они обеспечивают

выравнивание метаболических состояний и нормализацию гомеостазируемых

параметров. Функциональная система, обеспечивающая выполнение

физического упражнения, включает в себя не только мышцы и нервные

структуры, отдающие мышцам приказ сокращаться, но также и кровеносную

систему, дыхательную систему, эндокринные железы и множество других

тканей и органов, вовлеченных в этот процесс, связанный с серьезными

изменениями внутренней среды организма.

Структурно-функциональный взгляд на сущность физиологических

процессов отражал детерминистский, механистически-материалистический

подход, который был характерен для всех естественных наук XIX и начала XX

в. Вершиной его развития, вероятно, можно считать теорию условных

рефлексов И. П. Павлова, с помощью которых великий русский физиолог

пытался познать механизмы деятельности мозга теми же приемами, которыми

он с успехом исследовал механизмы желудочной секреции.

Системный подход стоит на стохастических, вероятностных позициях и

не отвергает телеологических (целесообразностных) подходов, характерных

для развития физики и других естественных наук второй половины XX в. Уже

говорилось выше, что физиологи одновременно с математиками именно в

рамках этого подхода пришли к формулированию наиболее общих

кибернетических закономерностей, которым подчиняется все живое. Столь же

важны для понимания физиологических процессов на современном уровне

представления о термодинамике открытых систем, развитие которых связано с

именами выдающихся физиков XX в. Ильи Пригожина, фон Берталанфи и др.

Организм как целостная система

Современное понимание сложных самоорганизующихся систем включает

представление о том, что в них четко определены каналы и способы передачи

информации. В этом смысле живой организм — вполне типичная

самоорганизующаяся система.

Информацию о состоянии окружающего мира и о внутренней среде

организм получает с помощью датчиков-рецепторов, использующих самые

разнообразные физические и химические конструктивные принципы. Так, для

человека наиболее важной считается зрительная информация, которую мы

получаем с помощью наших оптико-химических датчиков — глаз, которые

являются одновременно сложным оптическим прибором с оригинальной и

точной системой наведения (адаптации и аккомодации), а также физико-

химическим преобразователем энергии фотонов в электрический импульс

зрительных нервов. Акустическая информация поступает к нам через

причудливый и тонко настроенный слуховой механизм, превращающий

механическую энергию колебания воздуха в электрические импульсы

слухового нерва. Не менее тонко устроены датчики температуры, тактильные

(осязательные), гравитационные (чувство равновесия). Наиболее эволюционно

древними считаются обонятельные и вкусовые рецепторы, обладающие

огромной избирательной чувствительностью по отношению к некоторым

молекулам. Вся эта информация о состоянии внешней среды и ее изменениях

поступает в центральную нервную систему, которая выполняет несколько

ролей одновременно — базы данных и знаний, экспертной системы,

центрального процессора, а также функции оперативной и долговременной

памяти. Туда же стекается и информация от рецепторов, расположенных

внутри нашего тела и передающих информацию о состоянии биохимических

процессов, о напряжении в работе тех или иных физиологических систем, об

актуальных потребностях отдельных групп клеток и тканей организма. В

частности, есть датчики давления, содержания углекислого газа и кислорода,

кислотности различных биологических жидкостей, напряжения отдельных

мышц и многие другие. Информация от всех этих рецепторов также

направляется в центр. Сортировка поступающей с периферии информации

начинается уже на этапе ее приема — ведь нервные окончания различных

рецепторов достигают центральной нервной системы на разных ее уровнях, и

соответственно информация попадает в различные отделы ЦНС. Тем не менее

вся она может быть использована в процессе принятия решения.

Решение необходимо принимать тогда, когда ситуация по каким-то

причинам изменилась и требует соответствующих реакций на системном

уровне. Например, человек проголодался — об этом сообщают в «центр»

датчики, регистрирующие усиление тощаковой секреции желудочного сока и

перистальтики желудочно-кишечного тракта, а также датчики,

регистрирующие понижение уровня глюкозы в крови. В ответ рефлекторно

усиливается перистальтика желудочно-кишечного тракта и увеличивается

секреция желудочного сока. Желудок готов к приему новой порции пищи. При

этом оптические датчики позволяют видеть на столе продукты питания, а

сопоставление этих образов с хранящимися в базе данных долговременной

памяти моделями подсказывает, что есть возможность замечательно утолить

голод, получив при этом удовольствие от вида и вкуса потребляемой пищи. В

этом случае ЦНС отдает распоряжение исполнительным (эффекторным)

органам осуществить необходимые действия, которые в конечном счете

приведут к насыщению и устранению исходной причины всех этих событий.

Таким образом, цель системы — устранить своими действиями причину

возмущения. Достигается эта цель в данном случае сравнительно легко:

достаточно протянуть руку к столу, взять лежащие там продукты и съесть их.

Однако ясно, что по этой же схеме можно построить сколь угодно сложный

сценарий действий.

Голод, любовь, семейные ценности, дружба, кров, самоутверждение, тяга

к новому и любовь к красоте — этим коротким перечнем почти исчерпываются

побудительные мотивы действия. Порой они обрастают огромным количеством

привходящих психологических и социальных сложностей, тесно переплетаясь

между собой, но в самом базальном виде остаются все теми же, заставляя

человека совершать действия будь то во времена Апулея, Шекспира или в наше

время.

Действовать — а что это означает с точки зрения системы? Это означает,

что центральный процессор, подчиняясь заложенной в него программе,

учитывая все возможные обстоятельства, принимает решение, т. е. строит

модель потребного будущего и вырабатывает алгоритм достижения этого

будущего. На основании этого алгоритма отдаются приказания отдельным

эффекторным (исполнительным) структурам, причем практически всегда в их

составе есть мышцы, и в процессе выполнения приказа центра осуществляется

движение тела или его частей в пространстве.

А раз осуществляется движение, — значит, выполняется физическая

работа в поле земного тяготения, а следовательно, расходуется энергия.

Разумеется, работа датчиков и процессора тоже требует энергии, однако

энергетический поток многократно возрастает, когда включаются мышечные

сокращения. Стало быть, система должна позаботиться об адекватном

снабжении энергией, для чего необходимо усилить активность

кровообращения, дыхания и некоторых других функций, а также мобилизовать

доступные запасы питательных веществ.

Любое повышение метаболической активности влечет за собой

нарушение постоянства внутренней среды. Значит, должны активизироваться

физиологические механизмы поддержания гомеостаза, которые тоже, между

прочим, нуждаются в значительных количествах энергии для своей

деятельности.

Будучи системой сложно организованной, организм имеет не один, а

несколько контуров регуляции. Нервная система — это, вероятно, главный, но

отнюдь не единственный регуляторный механизм. Весьма важную роль

выполняют эндокринные органы — железы внутренней секреции, которые

химическим путем регулируют деятельность практически всех органов и

тканей. В каждой клетке организма есть, кроме того, и своя внутренняя система

саморегуляции.

Следует подчеркнуть, что организм представляет собой открытую

систему не только с термодинамической точки зрения, т. е. он обменивается с

окружающей средой не только энергией, но также веществом и информацией.

Вещество мы потребляем главным образом в виде кислорода, пищи и воды, а

выделяем в виде углекислоты, испражнений и пота. Что касается информации,

то каждый человек является источником зрительной (жесты, позы, движения),

акустической (речь, шум от перемещения), тактильной (прикосновения) и

химической (многочисленные запахи, которые прекрасно различают наши

домашние животные) информации.

Еще одной важнейшей особенностью системы является конечность ее

размеров. Организм не размазан по окружающей среде, а имеет определенную

форму и компактен. Тело окружено оболочкой, границей, отделяющей

внутреннюю среду от внешней. Кожа, выполняющая эту роль в организме

человека, — важный элемент его конструкции, поскольку именно в ней

сконцентрированы многие датчики, несущие информацию о состоянии

внешнего мира, а также и протоки для выведения из организма продуктов

обмена и информационных молекул. Наличие четко очерченных границ

превращает человека в особь, чувствующую свою отдельность от окружающего

мира, свою уникальность и неповторимость. Это психологический эффект,

возникающий на основе анатомического и физиологического устройства

организма.

Основные структурно-функциональные блоки, из которых состоит

организм

Таким образом, к основным структурно-функциональным блокам, из

которых состоит организм, можно отнести следующие (каждый блок включает

в себя несколько анатомических структур с множеством функций):

датчики (рецепторы), несущие информацию о состоянии внешней и

внутренней среды;

центральный процессор и блок управления, включающий нервную и

гуморальную регуляцию;

эффекторные органы (в первую очередь скелетно-мышечная система),

обеспечивающие выполнение приказов «центра»;

энергетический блок, обеспечивающий эффекторные и все другие

структурные компоненты необходимым субстратом и энергией;

гомеостатический блок, поддерживающий параметры внутренней среды

на необходимом для жизнедеятельности уровне;

оболочка, выполняющая функции пограничной зоны, разведки, защиты и

всех видов обмена с окружающей средой.

Все эти блоки находятся в определенных иерархических

взаимоотношениях, между ними происходит постоянный обмен информацией.

В итоге вся система реагирует на любые изменения внутренней и внешней

среды как единое целое, как один организм.

Вопросы и задания

1. Назовите важнейшие конструктивные блоки организма и их функции.

2. Что означает «обмен веществ»?

3. В каком смысле организм — «открытая система»?

4. Что такое «системный подход» в физиологии?

Раздел II ОРГАНИЗМ И СРЕДА

Глава 4. РОСТ И РАЗВИТИЕ

Соотношение процессов роста и развития

Определение понятий. Рост и развитие обычно употребляются как

понятия тождественные, неразрывно связанные между собой. Между тем

биологическая природа этих процессов различна, различны их механизмы и

последствия.

Рост — это количественное увеличение биомассы организма за счет

увеличения геометрических размеров и массы отдельных его клеток или

увеличения числа клеток благодаря их делению.

Развитие — это качественные преобразования в многоклеточном

организме, которые протекают за счет дифференцированных процессов

(увеличения разнообразия клеточных структур) и приводят к качественным и

количественным изменениям функций организма.

Взаимосвязь роста и развития проявляется, в частности, в том, что

определенные стадии развития могут наступать только при достижении

определенных размеров тела. Так, половое созревание у девочек может

наступить только тогда, когда масса тела достигнет определенной величины

(для представителей европейской расы это около 48 кг). Активные ростовые

процессы также не могут продолжаться на одной и той же стадии развития

бесконечно.

Дифференцировочные процессы, или дифференцировка, — это появление

специализированных структур нового качества из мало специализированных

клеток-предшественниц.

Смысл дифференцированных процессов. Наименее специализированной

можно считать зиготу — зародышевую клетку, образующуюся в результате

слияния материнской яйцеклетки с отцовским сперматозоидом. Генетический

аппарат зиготы содержит полный двойной набор хромосом, и все дальнейшее

развитие представляет собой активацию или репрессию той или иной части

генома, который от зародышевой клетки полностью и без изменений

передается всем ее потомкам в процессе каждого акта Деления. Первые этапы

развития зиготы представляют собой простое увеличение числа неотличимых

друг от друга клеток — сначала зигота делится на 2, потом каждая из них еще

на 2, т. е. образуется 4 клетки, затем — 8, 16, 32 и т.д. Эти эмбриональные

клетки называются бластомерами, они похожи, как две капли воды. Однако уже

на стадии 32 бластомеров начинают выявляться некоторые особенности

отдельных клеток, связанные с их местоположением. По мере увеличения числа

бластомеров эти различия все возрастают. Часть из этих клеток, образующих

вместе сферу, увеличивается в размере более, чем другие, и, наконец, наступает

стадия гаструляции — впячивания более мелких клеток внутрь сферы с

образованием внутренней (целомической) и внешней (гастральной) полостей.

Организм приобретает совершенно новый вид удлиненной замкнутой с одного

конца трубочки, резко отличающийся от недавней сферической формы. Клетки

апикального и каудального концов начинают все сильнее различаться не только

внешне, но и по своим свойствам: внутренним, метаболическим. Более того,

функции клеток наружного (эктодермального), внутреннего (энтодермального)

и образовавшегося промежуточного (мезодермального) слоев гаструлы, а также

роль этих клеток в дальнейшем развитии организма становятся различными.

Так, эктодермальный слой клеток дает начало кожным покровам и нервной

ткани. Мезодермальный слой служит прародителем всех мышц организма.

Клетки энтодермы формируют в дальнейшем паренхиматозные органы (печень,

почки, селезенка, железы внутренней секреции) и эпителий желудочно-

кишечного тракта. Все эти сложнейшие преобразования, постепенно

приводящие к формированию совершенно не схожих между собой клеточных

структур и разных по форме и функции тканей, являются проявлением

дифференцировочных процессов. Именно в этом и заключается развитие — от

единственной зародышевой клетки до организма, насчитывающего миллионы

клеток различной специализации.

Сроки развития и созревания детского организма. Долгое время

существовало убеждение, что дифференцировочные процессы в основном

заканчиваются во внутриутробном периоде, а дальнейшее развитие связано

преимущественно с особенностями роста отдельных органов. В последние

десятилетия убедительно показано, что это не так: многие ткани организма

продолжают развиваться, в том числе и путем дифференцировочных процессов,

вплоть до завершения полового созревания. Особенно длителен период

созревания возбудимых тканей — нервной и мышечной.

Количественные и качественные изменения в деятельности

физиологических систем. Ростовые процессы неминуемо приводят к

изменениям объемных характеристик в деятельности практически всех

физиологических систем организма. Так, совершенно очевидно, что, для того

чтобы сохранить потребный уровень снабжения тканей растущего организма

кислородом и питательными веществами, при двукратном увеличении массы

тела необходимо примерно такое же увеличение массы циркулирующей крови,

размеров сердца, кроветворных органов и т.д. Те же пропорции складываются и

в других функциональных системах. Но все это справедливо лишь в том случае,

если принципы организации физиологического процесса не меняются. Если же

допустить, что ткани претерпевают такие качественные изменения, которые

позволяют им полнее экстрагировать кислород и питательные вещества из

крови (что и происходит в действительности в процессе онтогенеза), то

потребность в кровообращении в расчете на единицу массы тела с возрастом

будет снижаться.

Все физиологические функции так или иначе связаны с размерами тела.

Но при этом часть из них меняется в онтогенезе пропорционально изменениям

массы тела, тогда как другие меняются пропорционально изменениям площади

поверхности тела. Если же в ходе развития та или иная функция демонстрирует

непропорциональное массе или площади поверхности изменение, то это

свидетельствует о качественном преобразовании механизмов реализации