УПРАВЛЕНИЕ В ЖИВЫХ ОРГАНИЗМАХ

Организм как единое целое может существовать только при условии, когда составляющие его органы и ткани функционируют с такой интенсивностью и в таком объеме, которые обеспечивают адекватное уравновешивание со средой обитания. По словам И. П. Павлова, живой организм — сложная обособленная система, внутренние силы которой постоянно уравновешиваются с внешними силами окружающей среды. В основе уравновешивания лежат про­цессы регуляции, управления физиологическими функциями.

Управление, или регуляция, в живых организмах пред­ставляет собой совокупность процессов, обеспечивающих необходи­мые режимы функционирования, достижение определенных целей или полезных для организма приспособительных результатов. Уп­равление возможно при наличии взаимосвязи органов и систем организма. Процессы регуляции охватывают все уровни организации системы: молекулярный, субклеточный, клеточный, органный, сис­темный, организменный, надорганизменный (популяционный, экосистемный, биосферный). Законы управления в сложных системах изучает кибернетика — наука об общих принципах управления в машинах, живых системах и обществе. Медицинская, физиологи­ческая кибернетика изучает процессы управления в живых орга­низмах.

Принципы управления. С позиций медицинской кибернетики, управление в живых организмах осуществляется управляющей си­стемой. Она включает в себя датчики, воспринимающие информа­цию на входе (сенсорные рецепторы) и выходе (рецепторы испол­нительных структур) системы, входные и выходные каналы связи (жидкие среды организма, нервные проводники), управляющее ус­тройство (центральная нервная система), частью которого является запоминающее устройство (аппараты памяти). Информация, фик­сированная в аппаратах памяти, определяет «настройку» системы управления на переработку определенных сведений, поставляемых через каналы связи.

Управление осуществляется с использованием двух основных принципов: 1) по рассогласованию (отклонению); 2) по возмущению.

Управление по рассогласованию предусматривает на­личие механизмов, способных определить разность между задавае­мым и фактическим значением регулируемой величины или функции. Эта разность используется для выработки регулирующего воздействия на объект регуляции, которое уменьшает величину отклонения. Примером такого управления является стимуляция об­разования глюкозы при уменьшении ее содержания в крови. Это уменьшение определяется клетками гипоталамуса, которые стиму­лируют выработку адренокортикотропного гормона в гипофизе. По­следний усиливает образование глюкокортикоидов (кортизола) в надпочечниках. Кортизол стимулирует в печени образование глю­козы из аминокислот (глюконеогенез), что приводит к восстанов­лению нормального содержания глюкозы в плазме крови.

ффф1

Управление по возмущению предусматривает исполь­зование самого возмущения для выработки, компенсирующего воз­действия, в результате которого регулируемый показатель возвра­щается к исходному состоянию. Например, уменьшение парциаль­ного давления О2 в атмосферном воздухе при подъеме на высоту является возмущающим воздействием для системы дыхания, обес­печивающей оптимальное для метаболизма содержание кислорода в крови. Увеличение частоты и глубины дыхания, скорости крово­тока, количества эритроцитов в крови отражает процессы регуляции по возмущению, направленные на восстановление исходных пока­зателей содержания кислорода.

Способы управления в организме. Основные способы управления в живом организме предусматривают запуск (инициацию), коррек­цию и координацию физиологических процессов.

Запуск представляет собой процесс управления, вызывающий переход функции органа от состояния относительного покоя к де­ятельному состоянию или от активной деятельности к состоянию покоя. Например, при определенных условиях центральная нервная система инициирует работу пищеварительных желез, фазные со­кращения скелетной мускулатуры, процессы мочевыведения, дефе­кации и др.

Коррекция позволяет управлять деятельностью органа, осуществляющего физиологическую функцию в автоматическом режиме или инициированную поступлением управляющих сигналов. При­мером может служить коррекция работы сердца центральной нервной системой посредством влияний, передаваемых по блуждающим и симпатическим нервам.

Координация предусматривает согласование работы несколь­ких органов или систем одновременно для получения полезного приспособительного результата. Например, для осуществления акта прямохождения необходима координация работы мышц и центров, обеспечивающих перемещение нижних конечностей в пространстве, смещение центра тяжести тела, изменение тонуса скелетных мышц.

Механизмы управления. Условно можно разделить на гумораль­ный и нервный.

Гуморальный механизм управления предусматривает из­менение физиологической активности органов и систем под влиянием химических веществ, доставляемых через жидкие среды организма (интерстициальная  жидкость,  лимфа,   кровь,  цереброспинальная жидкость и др.). Гуморальный механизм управления является древ­нейшей формой взаимодействия клеток, органов и систем, поэтому в организме человека и высших животных можно найти различные варианты гуморального механизма регуляции, отражающие в изве­стной мере его эволюцию. Одним из простейших вариантов является изменение деятельности клеток под влиянием продуктов обмена веществ. Последние могут изменять работу клетки, из которой происходит выделение этих продуктов, и других органов, располо­женных на достаточном удалении. Например, под влиянием СО2, образующегося в тканях в результате утилизации кислорода, изме­няется активность центра дыхания и как следствие — глубина и частота дыхания. Под влиянием адреналина, выделяемого в кровь из надпочечников, изменяются частота и сила сердечных сокраще­ний, тонус периферических сосудов, ряд функций центральной нер­вной системы, интенсивность обменных процессов в скелетных мыш­цах, увеличиваются коагуляционные свойства крови.

Для гуморального механизма управления характерны относи­тельно медленное распространение и диффузный характер управ­ляющих воздействий, низкая надежность осуществления связи.

Нервный механизм управления предусматривает измене­ние физиологических функций под влиянием управляющих воздей­ствий, передаваемых из центральной нервной системы по нервным волокнам к органам и системам организма. Нервный механизм является более поздним продуктом эволюции по сравнению с гу­моральным, он более сложен и более совершенен. Для него харак­терна высокая скорость распространения и точная передача объекту регулирования управляющих воздействий, высокая надежность осу­ществления связи.

В естественных условиях нервный и гуморальный механизмы работают как единый нейрогуморальный механизм управления.

Нейрогуморальный механизм управления представля­ет собой комбинированную форму, в которой одновременно исполь­зуются гуморальный и нервный механизмы; оба взаимосвязаны и взаимообусловлены. Так, передача управляющих воздействий с нер­ва на иннервируемые структуры осуществляется с помощью хими­ческих посредников — медиаторов, действующих на специфические рецепторы. Еще более тесная и сложная связь обнаружена в неко­торых ядрах гипоталамуса. Нервные клетки этих ядер приходят в активное состояние при изменении химических и физико-химиче­ских показателей крови. Активность этих клеток вызывает образо­вание и выделение химических факторов, стимулирующих восста­новление исходных характеристик крови. Так, на повышение осмо­тического давления плазмы крови реагируют специальные нервные клетки супраоптического ядра гипоталамуса, активность которых приводит к выделению в кровь антидиуретического гормона, уси­ливающего реабсорбцию воды в почках, что обусловливает снижение осмотического давления.

Взаимодействие гуморального и нервного механизмов создает интегративный вариант управления, способный обеспечить адекватное изменение функций от клеточного до организменного уровней при изменении внешней и внутренней среды.

Средства управления. Управление физиологическими функция­ми осуществляется посредством передачи информации. Информация может содержать сообщение о наличии возмущающих воздействий, отклонение функций. Она передается по афферентным (чувстви­тельным) каналам связи. Информация, передаваемая по эфферен­тным (исполнительным) каналам связи, содержит сообщение о том, какие функции и в каком направлении следует изменять.

Гуморальный механизм в качестве средств управления и передачи информации использует химические вещества — продукты обмена веществ, простагландины, регуляторные пептиды, гормоны и др. Так, накопление молочной кислоты в мышцах при физической нагрузке является источником информации о недостатке кислорода.

Нервный механизм в качестве средства управления, передачи информации использует потенциалы возбуждения (ПД, им­пульсы), которые объединяются в определенные паттерны («рисун­ки» возбуждения) по частоте, набору в «пачках», характеристикам межимпульсных интервалов и кодируют необходимую информацию. Показано, что паттерны возбуждений гипоталамических нейронов при формировании мотивации голода специфичны и существенно отличаются от столь же специфичных паттернов возбуждений ней­ронов, ответственных за формирование мотивации жажды.

Формы управления. Гуморальный и нервный механизмы предусматривают использование нескольких форм управления. Аутокринная, паракринная и гуморальная формы характерны для эволюционно более древнего механизма.

Аутокринная форма управления предполагает изменение функции клетки химическими субстратами, выделяемыми в межклеточную среду самой клеткой.

Паракринная форма управления основана на выделении клетками химических средств управления в межтканевую жидкость. Химические субстраты, распространяясь по межтканевым простран­ствам, могут управлять функцией клеток, расположенных на неко­тором удалении от источника управляющих воздействий.

Гуморальная форма управления реализуется при выделе­нии биологических веществ в кровь. С током крови эти вещества достигают всех органов и тканей.

В основе нервного механизма управления лежит рефлекс — ответная реакция организма на изменения внутренней и внешней среды, осуществляемая при участии центральной нервной системы. Управление посредством рефлексов предусматривает использование двух форм.

Местные рефлексы осуществляются через ганглии автономной нервной системы, которые рассматриваются как нервные центры, вынесенные на периферию. За счет местных рефлексов происходит управление, например моторной и секреторной функциями тонкой и толстой кишки.

Центральные рефлексы протекают с обязательным вовлечением различных уровней центральной нервной системы (от спинного мозга до коры большого мозга). Примером таких рефлексов является выделение слюны при раздражении рецепторов полости рта, опу­скание века при раздражении склеры глаза, отдергивание руки при раздражении кожи пальцев и др.

В естественных условиях нервный и гуморальный механизмы едины и, образуя нейрогуморальный механизм, реализуются в раз­нообразных комбинациях, наиболее полно обеспечивающих адек­ватное уравновешивание организма со средой обитания. Например, физиологически активные вещества, поступая в кровь, несут ин­формацию в ЦНС об отклонении какой-либо функции. Под влиянием этой информации формируется поток управляющих нервных им­пульсов к эффекторам для коррекции отклонения.

В других случаях поступление информации в ЦНС по нервным каналам приводит к выделению гормонов, корригирующих возник­шие отклонения. Нейрогуморальный механизм создает в процессах управления многозвенные кольцевые связи, где различные формы гуморального механизма сменяются и дополняются нервными, а последние обеспечивают включение гуморальных.