Физиология

Физиология — наука о процессах, протекающих в живых организмах и обеспечивающих их существование в окружающем материальном мире. Физиология раскрывает законы, по которым совершаются функции целостного животного организма, его органов, тканей, клеток и составляющих их структурных единиц. Функция — результат изменений обмена веществ, совершающихся в организме, его органах и клетках при активном приспособлении к постоянно изменяющимся условиям внешней среды и при одновременном активном воздействии организма на окружающую его среду.

Предмет, метод и задачи

Физиологию можно назвать наукой об общих закономерностях функционирования живых организмов и их составных частей.

В природе существует много различных видов живых организмов, функционирование которых существенно отличается. Поэтому физиологию разделяют на несколько самостоятельных наук: физиология растений, физиология микроорганизмов, физиология животных и физиология человека. Объектом изучения физиологии человека является организм человека, особенности функционирования которого зависят от того, здоров или болен этот организм. Поэтому физиологию человека можно разделить на 2 науки: нормальную и патологическую. Нормальная физиология изучает жизнедеятельность здорового организма человека, а патологическая — больного.

Физиология — экспериментальная наука. Эксперименты ставятся на лабораторных животных (собаках, кошках, кроликах, лягушках и др.), а также на обезьянах, сельскохозяйственных животных (коровах, свиньях, козах и др.), птицах и здоровых людях.

Для эксперимента на животных обычно производится вивисекция, или живосечение, в двух видах опытов: острых и хронических.

В остром опыте животное наркотизируется или оперируется с целью сделать его неподвижным без соблюдения правил, необходимых для продолжения жизни, и поэтому после опыта животное умерщвляется. В остром опыте у животного оперативным путем обнажаются исследуемые органы, подходящие к ним нервы и кровеносные сосуды.

Некоторые острые опыты ставятся на изолированных органах, тканях, жизнедеятельность которых поддерживается специальными приемами, обеспечивающими нормальный обмен веществ, например пропусканием через проходящие в них кровеносные сосуды крови, обогащенной кислородом, или заменяющих ее растворов (метод перфузии), а в опытах на отдельных клетках (нервных, мышечных и др.) — помещением клеток в эти растворы.

Недостаток острых опытов состоит в том, что они осуществляются сразу же после повреждения покровных тканей, кровеносных сосудов и нервов, т. е. в неестественных условиях.

В хронических опытах животные заранее подвергаются соответствующей операции в стерильных условиях и после полного выздоровления на них в течение многих лет могут изучаться функции в нормальных условиях жизни. Однако и в хронических опытах могут сказываться отдаленные последствия операции, например смещение соседних органов, рубцы, частичное выключение функции изучаемого органа. В настоящее время телевизионное наблюдение и регистрация важнейших функций у человека и животных производятся посредством радиодатчиков и телеметрических систем на значительных земных и даже космических расстояниях, без всякого ущерба для жизнедеятельности организма.

Радиодатчики, прикрепляемые снаружи или вводимые внутрь (например, радиопилюли), позволяют без нарушения здоровья исследовать в нормальных условиях жизни функции головного мозга, сердца, кровеносных сосудов, дыхательного аппарата, скелетных мышц и других органов человека и животных. Значительно облегчает эксперимент и сокращает его продолжительность использование электронных устройств.

В современной физиологии для изучения функций применяются также модели. Они представляют собой физические аппараты, имитирующие функцию, построенные на основании математических гипотез или теорий, согласно которым по предположению исследователя протекает изучаемый физиологический процесс или осуществляется функция в естественных условиях.

Использование физических моделей, или моделирование, позволяет проверить вне организма правильность физиологической гипотезы или теории и имеет большое значение для поиска новых решений, соответствующих объективным законам природы, по которым осуществляется изучаемый процесс или функция, т. е. для новых открытий физиологических законов. Например, созданы искусственные электронные модели деятельности нервной системы, нервной клетки, органов чувств, скелетной мышцы.

Моделирование имеет огромное практическое значение, так как кибернетические машины используются как орудия умственного и физического труда, а в медицине временно замещают органы. Например, машины для счета, перевода с одного языка на другой, определения скорости наступления и продолжительности двигательной реакции, насыщения крови кислородом, счета эритроцитов, сердечно-легочный аппарат, искусственные почки и др.

Следует, однако, учесть, что кибернетические электронные модели органов весьма существенно упрощают их функции. Главное отличие этих моделей в том, что в них действуют электронные процессы, а в организме происходят сложнейшие физиологические и биохимические процессы.

В физиологии для изучения функций организма человека издавна исследуют аналогичные функции у животных, организм которых является относительно более простой моделью организма человека. Модельными можно считать также опыты изучения деятельности изолированных органов, тканей и клеток. Результаты изучения закономерностей функционирования организма животных используются не только для раскрытия физиологических механизмов функционирования организма человека, но и для создания новых кибернетических машин, используемых в современной технике (бионика).

Новые методы эксперимента, основанные на успехах современном электроники, кибернетики, автоматики, позволяют глубже и полнее изучать физиологические процессы в естественных условиях, открывать новые, ранее не доступные исследователю законы физиологии и даже на длительное время заменять неработающие органы.

Основная задача физиологии — дальнейшее раскрытие специфических физиологических законов деятельности нервной системы н других систем организма человека и животных, что необходимо для разработки способов управления всеми проявлениями жизни организма, и прежде всего обмена веществ и энергии, психики и поведения.

Следовательно, физиология участвует в выяснении сущности явлений жизни, изучения физики и химии живого, разработке способов управления жизненными процессами, в частности обменом веществ, наследственностью и направленными изменениями организмов.

Физиология имеет цель:

1. исследование законов осуществления нормальных функций в живом организме в зависимости от постоянно изменяющихся и развивающихся условий его жизни;
2. исследование исторического, филогенетического, и индивидуального, онтогенетического, развития функций живого организма и их взаимосвязи.

Открытие законов осуществления нормальных функций организма человека и животных имеет большое теоретическое значение, так как выявляет пути дальнейших плодотворных исследований еще не изученных механизмов деятельности организма, его органов и систем. Особенно важно изучение функций отдельных клеток (клеточный уровень), составных частей клетки (субклеточный уровень) и расположения и строения молекул живого вещества (молекулярный уровень).

Значение физиологии

Общетеоретическое значение физиологии состоит в том, что человеку (даже рядовому) всегда было интересно знать, как работает его сердце, как он дышит, как перевариваются питательные вещества и как образуется энергия. Ответы на все эти вопросы дает нам физиология. В медицине общетеоретическое значение физиологии состоит в том, что она является основой для изучения других дисциплин (например, патофизиологии).

Практическое значение. Физиология является одной из наиболее важных дисциплин в подготовке врача. Большинство болезней проявляется в первую очередь нарушением функций, поэтому без знаний о функционировании здорового организма невозможно диагностировать болезнь, определить пути ее лечения, правильно провести профилактические мероприятия и предотвратить возникновение болезни.

В своей деятельности врач оценивает тяжесть заболевания по величине отклонения от нормы физиологических функций. Физиологические исследования являются основой клинической диагностики, важным методом оценки эффективности лечения и прогноза заболевания. Изучение функций различных органов и систем позволило моделировать эти функции с помощью приборов и аппаратов (аппараты искусственного дыхания и кровообращения, аппарат для гемодиализа, аппарат для дефибрилляции, прибор для гипербарической оксигенации и др.).

Основные понятия физиологии

Функция — это форма деятельности живой структуры. Например, функцией мышечной ткани является сокращение,  нервной — генерация импульсов и т.д.

Функциональная единица — наименьшая группа клеток, объединенных для выполнения определенной функции (нефрон, двигательная единица).

Значение функциональных единиц:

• обеспечивают длительную работу без усталости (пока одни функциональные единицы работают, другие — отдыхают. В таком режиме орган может работать длительное время, не уставая)
• изменение интенсивности выполняемых функций, в зависимости от потребностей организма (к работе привлекается разное количество функциональных единиц)
• обеспечивают компенсацию при повреждении (неповрежденные функциональные единицы начинают работать активнее).

Физиологическая система — объединение органов для выполнения определенной функции (система выработки крови, система кровообращения, система внешнего дыхания и т.д.). Физиологическая система является понятием постоянным. Как только нарушается функционирование одного из органов, входящих в состав системы, нарушается или даже исключается функционирования всей системы.

Функциональная система — временное объединение органов и физиологических систем для получения биологически полезного для организма результата (газотранспортная система — объединение систем крови, кровообращения, дыхания, выделительная система — объединение систем внешнего дыхания, пищеварения, почек, кожи и др.; терморегуляторная система — объединение систем внешнего дыхания, кровообращения, кожи, мышц и др.). Функциональная система является понятием динамичным. Как только достигается необходимый результат и биологическая потребность организма удовлетворяется, функциональная система распадается.

Функциональное состояние — состояние функции биологических структур и организма в целом в определенный конкретный момент времени.

Понятие о функции на разных уровнях биологической организации

Функция — это форма деятельности, характерная для живой структуры. Элементарной живой структурой организма является клетка. Поэтому, собственно, от клеточного уровня начинается отсчет физиологических функций. Однако термин «функция» часто употребляется, когда речь идет о деятельности тех структур, из которых состоит клетка.

Вспомним основные уровни биологической организации :

• доклеточный;
• клеточный;
• тканевый;
• органный;
• системный;
• организм в целом.

Доклеточный (субклеточный) уровень — это уровень структур, из которых состоит клетка. Этот уровень, в свою очередь, имеет такую иерархию:

• микромолекулярный уровень образуют электролиты (Na₊ , K₊ , Ca₂₊ , Cl_— , HCO_— , SO₂ , PO₃ и др.), вода, микроэлементы (Cu, Fe, Zn, Mn, Co, Mo, Se и др.), простые органические соединения (моносахара, аминокислоты, липиды, азотистые основания и др.).
• макромолекулярный уровень образуют белки, нуклеиновые кислоты, полисахарины. Роль указанных веществ подробно изучается в курсах физической и коллоидной химии, биохимии.
• надмолекулярный уровень образуют мембраны, рибосомы, хроматин, микротрубочки и микрофиламенты. Роль указанных компонентов клетки подробно изучается в курсе гистологии
• органоидный уровень представлен клеточными органоидами — митохондриями, аппаратом Гольджи, эндоплазматическим ретикулум, лизосомами, ядром и др.
• клеточный уровень. Именно на этом уровне начинает реализоваться понятие «функция».

Клеточный уровень. Элементарные функции клеток:

• Генерация и проведение электрических импульсов (нейроны, мышечные клетки, некоторые типы секреторных клеток).
• Сокращение (мышечные клетки, эндотелиоциты).
• Миграция и подвижность (лейкоциты).
• Эндоцитоз.
• Экзоцитоз.
• Разделение.
• Транспорт веществ.
• Биохимическая работа (гепатоциты, адипоциты, лейкоциты).

Тканевый уровень

В организме существует 4 типа тканей: нервная, мышечная, эпителиальная, соединительная. Подробно их функции изучаются в курсе гистологии, отметим лишь основные.

Функции нервной ткани:

• Генерация и проведение электрических импульсов.
• Образование сигнальных веществ (нейромедиаторов, нейромодуляторов, нейрогормонов).

Функция мышечной ткани:

• сокращение.

Функции эпителиальной ткани:

• Барьерная. Разграничение сред осуществляется путем образования надежных барьеров с эпителиальных клеток, соединенных плотными контактами (например, между эпителиальными клетками слизистой оболочки желудка, кишечника).
• Транспортная. Через эпителий легких осуществляется транспорт кислорода и углекислого газа. Через эпителий кишки всасываются аминокислоты, глюкоза и другие вещества.
• Секреторная функция. Эпителиальные клетки осуществляют экзоцитоз слизи, образуется, например, специальными слизистыми клетками эпителия желудка, половых путей, бокалоподибних клетками эпителия кишечника, трахеи, бронхов, и белков (гормонов, ферментов, факторов роста), образующиеся эндокринными клетками.
• Эндоцитоз. Большинство эпителиальных клеток способны к поглощению холестерина и липопротеидов, трансферрина путем рецептор-опосредованного эндоцитоза. Эпителий почечных канальцев участвует в Пиноцитоз.
• Защитная. Эпителиальная ткань защищает организм от повреждающего действия физических и химических факторов внешней среды.

Функции соединительной ткани :

• Трофическая. Обеспечение питания элементов паренхимы.
• Защитная. Соединительная ткань участвует в создании биологических барьеров, фагоцитозе, реакциях клеточного и гуморального иммунитета.
• Опорная. Соединительная ткань образует строму для гистологических элементов паренхимы, обеспечивает прочность кожи, образует капсулы органов и позволяет выдерживать значительные механические нагрузки.

Органный уровень охватывает отдельные органы: сердце, кровеносные сосуды, почки, легкие, желудок и др.

Системный уровень состоит из физиологических систем: крови, кровообращения, дыхания, пищеварения, выделения, размножения, нервной системы, опорно-двигательной, эндокринной.

Функции названных органов и физиологических систем будут предметом детального изучения в курсе физиологии.

Уровень организма в целом

На этом уровне характерны функции, обеспечивающие взаимодействие организма с окружающей средой. Важнейшими среди них являются:

• функции, обеспечивающие получение информации об окружающей среде;
• функции, обеспечивающие анализ этой информации;
• функции, обеспечивающие поведенческие реакции, которые лежат в основе адаптации к условиям окружающей среды.

Основные функциональные свойства организма

Обмен веществ и энергии. Обмен веществ и энергии между организмом и окружающей средой является явлением, что составляет основу жизни. Подробно это свойство организма изучается в курсе биохимии.

Саморегуляция — способность организма осуществлять регуляцию физиологических функций. Различают 2 механизма регуляции функций:

• нервная (осуществляется с помощью нервной системы);
• гуморальная (осуществляется с помощью химических веществ, растворенных в жидкостях организма).

Гомеостаз — постоянство внутренней среды. Еще в 1878 году К.Бернар выдвинул постулат о том, что все жизненные процессы имеют лишь одну цель — поддержание постоянства условий жизни в нашей внутренней среде. В 1929 году В. Кэнон впервые применил термин «гомеостаз». В переводе с греческого homois — подобный, такой же; stasis — состояние, недвижимость.

Нормальная жизнь и деятельность клеток в многоклеточных организмов требует постоянства условий внутренней среды, то есть среды, окружающей клетку (кровь, лимфа, межклеточная жидкость).

Необходимость постоянства условий существования была фактором, обусловившим объединение отдельных клеток в многоклеточные организмы.

Такое объединение имело для клеток ряд последствий. С одной стороны, организм создал для клетки оптимальные условия для существования — гомеостаз, что играло положительную роль, учитывая возможности выживания. С другой стороны, клетка вынуждена была сама взять на себя часть забот по созданию гомеостаза для целого организма. Это привело к специализации клеток, а следовательно, к потере ими «свободы».

Основные параметры гомеостаза:

• Постоянство температуры тела (температурный гомеостаз) — изотермия.
• Постоянство осмотического давления (осмотический гомеостаз) — изоосмия.
• Устойчивость ионного состава (ионный гомеостаз) — изоиония.
• Устойчивость показателей кислотно-основного равновесия (кислотно-основный гомеостаз) — изогидрия.
• Постоянство объема воды в организме — изоволемии.
• Устойчивость газового состава (газовый гомеостаз).
• Постоянство химического состава (химический гомеостаз).
• Постоянство антигенного состава (антигенный гомеостаз).

Адаптация — приспособление организма к условиям внешней среды. Цель адаптации — поддержание гомеостаза организма в условиях постоянно меняются. По механизму различают немедленную и долговременную адаптацию:

•  Немедленная адаптация осуществляется быстро за счет механизмов и структур, существующих на данный момент времени. Например, при воздействии низкой температуры сужаются сосуды, при физической нагрузке увеличивается частота сердечных сокращений.
•  Долговременная адаптация осуществляется постепенно за счет увеличения количества структур, участвующих в адаптации. Например, при постоянных физических нагрузках увеличивается масса скелетных мышц, во время проживания в горах увеличивается количество эритроцитов.

Рост, развитие, размножение.  Эти физиологические свойства обеспечивают самовосстановление и самовоспроизведению организмов. Раздражение — способность биологических структур переходить из состояния покоя в деятельное состояние под воздействием различных факторов (раздражителей). Раздражитель — это фактор, вызывает переход биологической структуры из состояния физиологического покоя в деятельное состояние. Классификация раздражителей:

1. По энергетической природе:

• физические;
• химические;
• биологические;
• социальные.

2. По биологическим признакам:

• адекватные — раздражители, к действию которых биологическая структура приспособлена. Например, свет глаза, звук для уха;
• неадекватные — раздражители, к действию которых биологическая структура не приспособлена. Например, действие механического фактора (удар) на рецепторы глаза, действие химических веществ на тактильные рецепторы кожи.

3. По силе, интенсивности действия:

• подпороговые — раздражители, не вызывают биологической реакции;
• пороговые — раздражители, начинают вызывать биологическую реакцию;
• надпороговые — раздражители, сила которых превышает силу пороговых раздражителей.

Раздражение — процесс действия раздражителя на биологическую структуру. Биологическая реакция — ответ биологической структуры на действие раздражителя. Различают следующие виды биологической реакции:

• локальная (биологическая реакция, возникающая в месте раздражения и не распространяется на смежные биологические структуры);
• распространенная (биологическая реакция, которая распространяется на смежные структуры). Распространенная биологическая реакция называется возбуждением.

Возбудимость — способность биологических структур к возбуждению. Возбуждающие структуры — структуры, для которых характерна возбудимость. К возбуждающим структурам относятся:

• нервные клетки и нервные волокна;
• мышечные волокна;
• некоторые типы железистых клетки.

Связь физиологии с другими науками

Физиологические закономерности функционирования живых организмов основываются на данных о макро- и микроскопической структуре органов и тканей, биохимических и биофизических процессах, проходящих в клетках, тканях и органах.

В структурах организма, которые изучают морфологические дисциплины, осуществляются физические и химические процессы, которые являются предметом изучения биофизики и биохимии. Физические и химические процессы являются основой выполнения функций, которые изучает физиология. Поэтому выяснение физиологических механизмов базируется на данных анатомии, гистологии, биохимии, биофизики и других дисциплин. Физиология синтезирует знания других дисциплин, объединяя их в единую систему знаний об организме. С другой стороны, физиология является основой для изучения других медицинских наук, таких, как патофизиология и клинические дисциплины. Раскрывая основные механизмы, обеспечивающие существование целого организма и его взаимодействие с окружающей средой, физиология дает возможность выяснить причины, условия и характер нарушений деятельности этих механизмов в условиях болезни.

Читайте также статью «Биология«.