I. Концепция гомеостаза
Более 100 лет назад великий французский физиолог Клод Бернар, отмечая стабильность физиологических параметров организма (например температура тела), пришел к выводу, что «Постоянство внутренней среды - есть условие независимого существования». Чтобы организм мог функционировать все его клетки должны быть окружены строго регулируемой средой. В дальнейшем принцип Бернара нашел многочисленные подтверждения. Теперь ясно, что внутренняя среда регулируется множеством сложных механизмов, благодаря чему ее состав поддерживается постоянным, изменяется в узких пределах. В 1929 г. американский физиолог Уолтер Кэннон ввел термин «гомеостаз» («гомео» - подобный, «стазис» - положение), что означает саморегулируемое состояние. В 1948 г. Виннер предложил термин «кибернетика» для науки о механизмах управления физиологическими процессами, которая занимается математическим моделированием и анализом гомеостатических механизмов. C точки зрения кибернетики организм - это открытая, динамическая саморегулирующаяся система, имеющая вход и выход. Саморегуляция осуществляется по принципу обратной связи, когда элементы на выходе оказывают влияние на вход. Поток вещества и энергии, наблюдаемый в организме, обуславливает самообновление и самовоспроизведение на всех уровнях от молекулярного до организменного и популяционного. С общебиологических позиций - гомеостаз это свойство организма поддерживать постоянство внутренней среды и основные черты присущей ему организации, несмотря на изменчивость параметров внешней среды и действие внутренних возмущающих факторов. В эволюционном плане гомеостаз - это наследственно закрепленные адаптации организма к обычным условиям окружающей среды.
II. Виды и механизмы гомеостаза
Различают следующие основные виды гомеостаза: 1. генетический;
2. структурный; 3. иммунологический; 4. системный - гомеостаз жидкой части внутренней среды (кровь, лимфа, тканевая жидкость).
Генетический гомеостаз обусловлен геномным уровнем организации наследственного материала. Молекула ДНК определяет генетическую стабильность клеток и организмов на протяжении всей жизни. Она хранит, реплицирует наследственную информацию и участвует в ее реализации в процессе транскрипции в реакциях матричного синтеза. ДНК состоит из 2-х полинуклеотидных цепей и отличается устойчивостью к внешним воздействиям. В процессе репликации и транскрипции, а также под действием эндогенных и экзогенных химических соединений и физических факторов могут происходить ошибки, нарушения структуры молекулы ДНК. В клетках под действием системы репарирующих ферментов (ДНК-полимеразы, редактирующей эндонуклеазы) происходит исправление ошибок репликации. Механизм репарации основан на наличии 2-х цепей, искажение последовательности нуклеотидов одной из них обнаруживается специфическими ферментами, затем соответствующий участок удаляется и заменяется новым, синтезированным на второй комплементарной цепи. Если количество повреждений остается высоким, в клетке блокируются процессы репликации, клетка не делится, т. е. не передает, возникшие изменения потомству. Т.о., набор ферментов репарации осуществляет осмотр ДНК, удаляя поврежденные участки, способствует поддержанию стабильности наследственного материала.
Важным механизмом сохранения генетического гомеостаза является диплоидность соматических клеток у эукариот. Двойная генетическая программа подавляет фенотипическое проявление большинства рецессивных мутаций. В стабилизации генотипа важное значение имеют разные виды взаимодействия генов. Фактором защиты является триплетность генетического кода, что допускает минимальное число замен внутри триплета, ведущих к искажению информации, 64% замен 3-го нуклеотида не дает изменений смыслового значения. Явление экстракопирования генов, кодирующих жизненно важные макромолекулы, наличие десятков и сотен идентичных копий-генов рРНК, тРНК, гистоновых белков, мутационные изменения которых не ведут к катастрофическим последствиям, также является фактором защиты. Эти механизмы способствуют сохранению генетической стабильности, определяют высокую эволюционную пластичность популяций и адаптации к меняющимся факторам среды. Структурный гомеостаз - это постоянство морфологической организации на всех уровнях различных биологических систем. Таким образом, целесообразно выделить гомеостаз клетки, ткани, органа, системы органов, организма. Клетка - это элементарная единица, которой свойственна саморегуляция. Важное значение имеют мембранные структуры, через которые осуществляется рецепция, транспорт. Особенностью регуляции структурного гомеостаза является положительная обратная связь, когда гомеостаз нижележащих структур является основой их жизнедеятельности и обеспечивает морфологическое постоянство вышестоящих структур. Универсальным механизмом регуляции является физиологическая и репаративная регенерация.
Иммунные механизмы гомеостаза обеспечивают сохранение биологической индивидуальности, когда организм распознает «свое» и «чужое» и обеспечивает защиту от чужеродного агента. Иммунитет понимается как способ защиты организма от чужеродных агентов, несущих в себе признаки генетически чужеродной информации. Чужеродную генетическую информацию чаще всего несут вещества - антигены-белки, мукополисахариды, нуклеиновые кислоты. В эволюции организмов постепенно сформировалось две формы иммунитета клеточный и гуморальный. У земноводных впервые произошло разделение лимфоцитов на клетки, ответственные за клеточные и гуморальные иммунные реакции, которые в дальнейшем совершенствовались. У человека и млекопитающих иммунная система, представленная лимфоидной тканью, имеет центральное (красный костный мозг и вилочковая железа) и периферическое (селезенка, лимфатические узлы) звено. Защитная реакция осуществляется лимфоцитами двух типов, образующимися в указанных органах. Т-лимфоциты, обеспечивают клеточный иммунитет, уничтожая чужеродные клетки и соматические клетки собственного организма, подвергшиеся мутациям. Различают три вида Т-лимфоцитов: киллеры, хелперы, супрессоры. Они определяют трансплантационный, противоопухолевый, противовирусный иммунитет. В-клетки участвуют в гуморальном иммунитете, выделяя антитела - иммуноглобулины, которые обладают специфической активностью против антигенов, оказывают агглютинирующее или лизирующее действие. Примерами нарушений иммунного гомеостаза служат аутоиммунные болезни (множественный склероз). Системный гомеостаз - гомеостаз жидкой части внутренней среды организма определяет постоянство состава крови, лимфы, тканевой жидкости, осмотического давления, общей концентрации электролитов и концентрации отдельных ионов, содержания в крови питательных веществ и т.д. Эти показатели даже при значительных изменениях условий внешней среды удерживаются на определенном уровне. Чувствительность тканей к изменениям внутренней среды организма различна. Так, нервная система особенно чувствительна к снижению содержания кислорода. Млекопитающие животные не переносят колебаний концентрации ионов Са2+, превышающие 30%. К этой форме гомеостаза применим кибернетический принцип регуляции, когда в системе имеется блок управления и рабочая часть, отвечающая на регулирующее воздействие управляющего блока. Регуляция осуществляется по принципу отрицательной обратной связи, путем тесного взаимодействия нервных и гуморальных механизмов.
III. Регуляция гомеостаза Способность сохранять гомеостаз - это общее свойство живых систем. По мере усложнения организмов эта способность прогрессирует, в большей степени определяя независимость от внешних факторов среды. Это достигается нервными, эндокринными и иммунными механизмами. Регуляция гомеостаза осуществляется нервной системой, нейроэндокринной системой, включающей в свой состав гипоталамус, гипофиз, периферические эндокринные железы и диффузной эндокринной системой (ДЭС), представленной эндокринными клетками, расположенными практически во всех тканях и органах (сердце, легких, ЖКТ, почках, печени, коже и т. д.). Основная масса клеток ДЭС (75%) сосредоточена в эпителии пищеварительной системы. В настоящее время выявлено, что ряд гормонов одновременно присутствует в центральных нервных структурах и эндокринных клетках желудочно-кишечного тракта. Так, гормоны энкефалины и эндорфины обнаружены в нервных клетках и панкреатических островках поджелудочной железы, эндокринных клетках желудка. Холецистокинин выявлен в 12-перстной кишке и головном мозге. Такие факты дали основание для создания гипотезы о наличии в организме единой системы клеток химической информации.
На разных этапах онтогенеза изменяются особенности обмена веществ и энергии и механизмы гомеостаза. В дорепродуктивном периоде преобладает ассимиляция, увеличивается рост, масса, не сформированы механизмы гомеостаза (детские болезни). В зрелом возрасте процессы ассимиляции и диссимиляции компенсированы, совершенствуется регуляция. При старении надежность механизмов гомеостаза снижается.
