Организм может существовать, если постоянство состава его тела (состав внутренней среды организма) поддерживается в определенных, довольно узких пределах.
Это положение — сущность закона постоянства внутренней среды. Действительно, в норме величина артериального давления, концентрация в крови сахара, жира, холестерина и другие показатели колеблются весьма незначительно. Напротив, любое стойкое отклонение от нормальных пределов говорит о болезни: стойкое повышение артериального давления рассматривается как гипертония, сахара крови — как сахарный диабет, холестерина и жира (триглицеридов) как фактор риска атеросклероза. А коль скоро постоянство внутренней среды, или гомеостаз (так назвал это фундаментальное свойство выдающийся физиолог Уолтер Кеннон), должно столь строго охраняться, то должны существовать и специальные механизмы поддержания гомеостаза. У одноклеточных организмов уже в силу ограниченных возможностей их строения такие механизмы не могут быть достаточно эффективными. Поэтому-то смерть от внешних причин встала непреодолимым препятствием на пути к теоретически вечной жизни одноклеточных организмов .
Чтобы обеспечить постоянство внутренней среды и тем самым сделать организм в определенной степени независимым от внешней среды, должны были возникнуть какие-то приспособления и механизмы, должна была возникнуть специализация органов тела.
Но как ни специализированы функции у высших организмов, они обладают свойствами, присущими всем живым существам— от бактерий до человека. Действительно: какие свойства отличают живую систему от неживой? Способность живых систем к размножению, к приспособлению — адаптации, регулированию потока энергии. (Иными словами, к регулированию обмена веществ.) А чтобы эти свойства проявлялись в организме, нужна определенная структурная организация. И в каждом сложном организме существует энергетический, адаптационный и репродуктивный гомеостат, то есть специализированные системы, регулирующие эти основные свойства организма. Главный регулятор этих трех функций у высших организмов — гипоталамус.
Гипоталамус, гибрид нервной и эндокринной системы,—чудо природы, С одной стороны, гипоталамус — типичная нервная ткань, состоящая из нейронов, которые посредством многочисленных волокон связаны со всеми отделами нервной системы. Поэтому все, что знает нервная система о внешнем и о внутреннем мире организма, она передает в гипоталамус.
В гипоталамусе и прилегающих к нему отделах мозга — ретикулярной формации— находятся центр сна и центр, контролирующий эмоции. В гипоталамусе расположены центры аппетита, теплопродукции и тепло-регуляции. Многие исследователи считают, что в гипоталамусе есть структуры, связанные с регуляцией удовольствия или наслаждения (центр наслаждения).
С другой стороны, гипоталамус — типичная эндокринная железа, выделяющая гормоны, которые определяют деятельность гипофиза, железы — регулятора многих отделов эндокринной системы. В частности, гипоталамус через гипофиз регулирует рост тела, деятельность щитовидной железы, надпочечников, функцию молочной железы. Кроме того, гипоталамус направляет свои гормоны и в отдаленные области тела, где эти гормоны самостоятельно выполняют регуляторную роль. Итак, гипоталамус осуществляет взаимосвязь между внешним и внутренним миром организма. И поэтому можно сказать, что именно гипоталамус— конкретное место стыковки двух миров.
В целом гипоталамус работает, как любое устройство по поддержанию стабильности в такого рода системах, как, например, термостат. В таких системах регуляция строится по правилам кибернетики.
В частности, в термостате есть регулятор-реле— кибернетический аналог гипоталамуса. Второй компонент термостата — нагревательный элемент, который может включаться и выключаться сигналами, идущими от реле. Это кибернетический аналог рабочей (эндокринной) железы, вырабатывающей свой продукт — гормон. Когда температура в рабочей камере термостата возрастет сверх установленной меры, столбик ртути в реле поднимается до уровня, при котором тепловой элемент выключается. Но постепенно температура в рабочей камере снижается, столбик ртути в реле падает, и тепловой элемент включается. Температура в тепловой камере снова повышается и т. д. Так в термостате обеспечивается постоянная температура.
Как известно, стабильность в любой саморегулирующейся системе поддерживается благодаря механизму отрицательной обратной связи. Например, когда в крови снижается концентрация рабочего гормона, то снижается и тормозящее влияние, которое оказывает этот гормон на свой регулятор— гипоталамус. Поэтому гипоталамус начинает посылать к соответствующей эндокринной железе свой гормон — стимулятор, который усиливает ее деятельность. Но вот концентрация рабочего гормона возрастает до нормы, и он теперь снижает, тормозит активность гипоталамуса. В результате меньше вырабатывается гипоталамического гормона — стимулятора, а это значит, что активность рабочей эндокринной железы падает. Торможение гипоталамуса прекратится лишь тогда, когда снова уменьшится в крови уровень рабочего гормона. Так поддерживается равновесие и недостаток рабочего гормона, так же как и избыток его, устраняется.
Приведенное здесь взаимоотношение — типичный пример механизма отрицательной обратной связи. В этом кибернетическом понятии слово «отрицательный» обозначает, что регулятор тормозится действием периферического сигнала — в данном случав рабочего гормона, тогда как снятие «отрицательного», тормозящего влияния приводит к стимуляции периферического звена системы — рабочей эндокринной железы. В этом и состоит внутренний смысл, суть механизма обратной, то есть взаимной, связи. Такой принцип саморегуляции пригоден для того, чтобы сохранять стабильность в деятельности системы, то есть пригоден для реализации закона постоянства внутренней среды организма. Вместе с тем принцип стабильности, охраняемый законом постоянства гомеостаза, совершенно непригоден для выполнения программы развития организма.
Вспомним основные выводы предыдущей статьи «Загадки живой природы». Для обеспечения механизма размножения у горбуши необходимо, чтобы закон постоянства внутренней среды организма был нарушен. Без определенных нарушений, создающих материальную базу для воспроизведения новых клеток, невозможно развитие организма. Но ведь любое стойкое нарушение постоянства внутренней среды — это болезнь. В примере, относящемся к горбуше, не надо прибегать к изощренным научным доводам для обоснования внешне парадоксального положения, утверждающего, что неотъемлемой частью развития является болезнь или, точнее, сумма определенных болезней, потому что именно эти болезни, обеспечивающие потребности развития организма, одновременно становятся орудием смерти, вызывающим гибель каждой особи после нереста.
Но приведенный пример с горбушей отнюдь не частный случай, свойственный только этому виду рыбы. Развитие и рост всегда нуждаются в дополнительном материальном обеспечении, которое не может быть представлено материнским организмом, если все в нем надежно охраняется законом постоянства внутренней среды. Поэтому можно утверждать: любой механизм развития неразрывно связан с нарушением закона постоянства.
Для того, чтобы это положение было более понятным, необходимо по-новому объяснить происхождение тех изменений, которые наблюдаются в женском организме во время беременности, особенно во второй ее половине, когда плод быстро растет. В этот период женщина полнеет — идет накопление жира; нередко за счет «набухания» мягких тканей лица увеличивается размер носа или подбородка. Параллельно в крови увеличивается концентрация сахара, жира (триглицеридов) и холестерина. Иногда уровень сахара увеличивается столь значительно, что врачи определяют это состояние как диабет беременных. Налицо нарушение закона постоянства внутренней среды, то есть в организме женщины развиваются определенные болезни.
Возникает недоуменный вопрос: разве может столь жизненно необходимое явление, как беременность, сопровождаться болезнями, особенно если принять во внимание, что в процессе эволюции вредные свойства давно были бы устранены естественным отбором? Но в том-то и дело, что изменения, появляющиеся у беременной женщины, свойственны не только роду человеческому, они, например, также отчетливо наблюдаются и у животных во время беременности. Более того, можно заметить, что признаки «болезни беременного организма» напоминают именно те отклонения, которые остро возникают у горбуши в период, предшествующий нересту, хотя у рыб в отличие от млекопитающих плод не развивается в материнском организме.
Приняв все это во внимание, я пришел к выводу, что отклонение от закона постоянства внутренней среды — это та обязательная запрограммированная болезнь, без которой невозможно развитие плода. Ведь чтобы нормально развиваться, плод должен быть обеспечен «строительным материалом». И прежде всего «запрограммированная болезнь беременного организма» обеспечивает ему этот строительный материал.
Как возникает эта болезнь и как она создает условия для интенсивного роста плода, когда за относительно короткий срок из одной оплодотворенной клетки воспроизводится много миллиардов клеток вновь сформированного организма?
Обязательная часть каждой клетки — холестерин. Он входит в каркас оболочки клетки — клеточную мембрану. Большинство видов клеток не может самостоятельно синтезировать столько холестерина, чтобы его хватило для построения оболочки, и они получают холестерин из печени. Но мощность печени плода еще мала, она не обеспечивает потребностей быстро увеличивающейся клеточной массы. Значит, холестерин должен поступать из материнского организма. Но и этот источник холестеринового сырья весьма ограничен. Ведь закон постоянства внутренней среды потому и выполняет свою задачу, что он предохраняет как от недостатка, так и избытка чего-либо. Для обеспечения холестерином потребностей развития плода закон постоянства должен быть нарушен.
Каким же образом нарушается этот закон? Важной особенностью беременности у млекопитающих является то, что механизм нарушения гомеостаза располагается во временно существующем органе—плаценте, которая вместе с радами заканчивает свое существование. В период беременности плацента вырабатывает плацентарный гормон роста, способный уменьшать «сгорание» глюкозы в материнском организме. Но если глюкоза, поступающее с пищей, полностью не используется как топливе, то сна неизбежно превращается в жир — развивается ожирение.
Когда количество жира в организме возрастает, то из жировых депо начинают как бы просачиваться в кровь жирные кислоты. В организме есть два источника энергии — глюкоза и жирные кислоты, но энергетический гомеостат обеспечивает преимущественное использование то одного, то другого вида топлива. Например, ночью, когда пища в организм не поступает, основное топливо — жирные кислоты. Более того, в мышечной ткани «углеводы не горят в пламени жиров», что служит обеспечению энергией нервной системы за счет экономии запасов глюкозы в организме. Поэтому-то, когда увеличивается концентрация жирных кислот и они тормозят использование тканями глюкозы, ее концентрация в крови после еды еще более увеличивается, то есть возникает явление, которое свойственно и сахарному диабету. Во время беременности из избыточной глюкозы образуется жир — источник жирных кислот. Но они почти не проходят через плаценту к плоду. Зато в материнском организме из продуктов сгорания жирных кислот в повышенном количестве образуется холестерин — именно тот структурный компонент, который необходим для «сборки» оболочек клеток и для производства плодом ряда гормонов. Вот чему на самом деле служит диабет беременных, то есть чему служит запланированное нарушение постоянства внутренней среды в материнском организме.
В период беременности отклонение гомеостаза достигается за счет дополнительной эндокринной железы — плаценты, которая к тому же, не являясь постоянной частью нейрон-эндокринной системы, не включена в систему саморегуляции, ограничивающей активность любой другой эндокринной железы механизмом отрицательной обратной связи. Поэтому продукция плацентарных гормонов увеличивается практически до конца беременности параллельно увеличению размеров плаценты, нарушая тем самым закон постоянства внутренней среды
Но если отклонение гомеостаза действительно всегда является необходимым условием роста и развития, то как обеспечивается такое отклонение в процессе развития и роста ребенка, а затем и взрослого человека, да еще при условии, что деятельность нейро-эндокринной системы подчинена закону постоянства внутренней cpе-ды? Может быть, для развития организма после рождения нет необходимости в усилении мощности определенных систем и положение, столь очевидное для периода беременности, не является обязательным для последующего развития организма?
Тот, кто внимательно наблюдал за развитием ребенка, мог заметить, что в ранние периоды жизни здоровые дети обычно производят впечатление «толстячков». Многие скульптуры древних ваятелей увековечили эту особенность: дети в их изображении обладают приятной полнотой. Это и есть проявление все того же положения: для развития необходима дополнительная энергия, которая черпается из жира. В данном случае приятная упитанность ребенка как раз и отражает нарушение закона постоянства внутренней среды. Но это не только характерная особенность детей человеческих. Вот описание, относящееся к периоду детства у волков: «За последние недели волчата подросли и теперь размерами, да, пожалуй, и формой, напоминали взрослых сурков. Они так растолстели, что по сравнению с туловищем их лапы казались просто карликовыми, а пушистые серые шубки только усугубляли полноту. Ничто, казалось, не предвещало, что со временем они превратятся в таких же стройных и мощных зверей, как и их родители» (Ф. Моуэт. «Не кричи, волки». М., 1968, с. 101). Да иначе и быть не может, так как независимо от того, происходит ли рост плода или ребенка, рост связан с появлением новых клеток, а для них нужен дополнительный холестерин, который, в свою очередь, синтезируется в условиях, когда увеличивается накопление и использование жира.
Но тогда каким же образом может быть обеспечено усиление мощности гомеостатической системы, охраняемой законом постоянства внутренней среды? Для этого у высших организмов есть, с моей точки зрения, единственный способ: необходимо, чтобы гипоталамический регулятор-реле стал бы менее чувствительным к тормозящим сигналам.
Последствия такой ситуации легко себе представить, если обратиться к приведенной выше аналогии — вспомнить снова термостат. Допустим, что чувствительность регулятора к изменению температуры с течением времени снижается. Это приведет к тому, что термостат постепенно разогреется до более высокой температуры, пока наконец произойдет необходимое воздействие на регулятор, выключающий тепловой элемент. Если представить себе, что подобные изменения происходят не в реле термостата, а в гипоталамусе, то работа систем, контролируемых гипоталамусом, будет увеличиваться параллельно снижению его чувствительности к тормозящим сигналам или в соответствии с моей терминологией параллельно повышению порога чувствительности гипоталамуса к регулирующим сигналам.
Такая картина изменения «точки отсчета» чувствительности гипоталамуса действительно имеет место. Это особенно демонстративно прослеживается в механизме возрастного включения репродуктивной (детородной) функции. Пример, относящийся к репродуктивной функции, тем более убедителен, что, с одной стороны, половое созревание должно быть каким-то образом задержано до той поры, пока закончится развитие и рост тела, а с другой — само половое созревание обладает наглядными чертами, характеризующими повышение мощности репродуктивной системы.
Если вспомнить общий принцип работы саморегулирующихся (гомеостатических) систем, легко понять, что половое созревание не может быть обусловлено первичным усилением мощности рабочей эндокринной железы — половых желез. В такой ситуации увеличение продукции половых гормонов будет полностью тормозить деятельность регулятора-гипоталамуса в соответствии с механизмом отрицательной обратной связи. Это устраняло бы саму суть принципа регулирования и развития. Следовательно, механизм полового созревания должен быть связан с изменениями состояния самого регулятора, то есть гипоталамуса. Так оно и наблюдается в действительности. В ряде исследований было показано, что порог чувствительности гипоталамуса изменяется в течение всей жизни. Вскоре после рождения гипоталамус обладает максимальной чувствительностью к тормозящему действию половых гормонов. Поэтому «половой центр» гипоталамуса в этот период заторможен тем небольшим количеством половых гормонов, которые уже вырабатываются незрелым организмом. Это и предотвращает преждевременное половое созревание, соизмеряя его темпы с общим развитием тела.
Суть механизма возрастного включения репродуктивной функции заключается в повышении порога чувствительности гипоталамуса к тормозящем действию половых гормонов. Благодаря этому повышению гипоталамус постепенно освобождается от торможения, осуществляемого половыми гормонами по механизму отрицательной обратной связи. В результате увеличивается активность гипоталамуса, а затем и гипофиза, который, в свою очередь, своими гормонами стимулирует половые железы. Однако повышение в крови концентрации половых гормонов не ведет в этой ситуации к снижению активности гипоталамуса: благодаря все продолжающемуся повышению порога чувствительности гипоталамус вновь и вновь освобождается от тормозящего влияния половых гормонов. Так увеличивается мощность репродуктивной системы и вместе с тем сохраняется механизм саморегуляции, свойственный каждой гомеостатической системе.
Таким образом, наряду с механизмом, активность которого направлена на установление равновесия и постоянства (гомеостаза), в каждый данный момент существует также механизм, нарушающий гомеостаз во времени, обеспечивая тем самым выполнение программы развития организма. На основании подобного рода данных мною был сформулирован следующий общий вывод. Если стабильность внутренней среды организма — закон существования организма, то запрограммированное нарушение гомеостаза — закон развития организма. Поэтому наряду с законом постоянства внутренней среды сосуществует закон отклонения гомеостаза.
Скептический читатель может, однако, задать вопрос: что же, собственно, нового в этом законе? Ведь и без этого ясно, что в силу самого наличия генетической программы развития должен существовать и конкретный механизм, обеспечивающий это развитие. Но на такой, казалось бы, простой вопрос можно дать ответ, именно основываясь на законе отклонения гомеостаза. Если бы существовал только закон постоянства внутренней среды, необходимо было бы множество исключений, запрещающих действие этого закона, в частности когда осуществляется развитие организма
Ведь развитие, как мы уже говорили, всегда связано с нарушением равновесия и стабильности. Иными словами, закон постоянства внутренней среды без своего антипода— закона отклонения гомеостаза — должен был бы запрещать развитие. Следовательно, фундаментальный закон постоянства внутренней среды может существовать только в диалектическом единстве со своей противоположностью — законом отклонения гомеостаза. Но и это еще не все. Для того, чтобы оба противоположных закона могли бы сосуществовать и выполняться одновременно, обеспечивая, с одной стороны, стабильность в каждый данный момент, а с другой — развитие во времени, необходимо; чтобы оба закона подчинялись аналогичным правилам. Это может быть выполнено только на уровне гипоталамуса, в котором сходятся пути трех главных гомеостатических систем.
Нейро-эндокринная система включает в себя гипоталамус, гипофиз, периферические эндокринные железы (и их гормоны), клетки гормонально-чувствительных тканей. Вся эта система работает по иерархическому принципу, то есть вышестоящий отдел системы управляет деятельностью нижележащего отдела. Но это управление «взаимодействующее», так как оно осуществляется по механизму обратной связи.
Как же гипоталамус технически совмещает эти две противоположные обязанности? Можно высказать следующее предположение. Хотя деятельность всего гипоталамуса направлена на выполнение закона постоянства внутренней среды, часть его, выделенная в особый гипоталамо-гипофизарный комплекс, одновременно служит противоположному закону — закону отклонения гомеостаза. Именно гитоталамо-гипофизарный комплекс контролирует три основные функции живых систем: репродуктивную, энергетическую и адаптационную, служа тем самым одновременно и закону постоянства внутренней среды и закону отклонения гомеостаза.
Более того, сопряжение обоих законов на уровне гипоталамуса и сам принцип, на котором они основаны, имеют решающее значение в биологической жизни каждого индивидуума. Речь идет о регуляторном механизме старения, болезней старения и естественной смерти. Дело в том, что, когда программа развития организма завершается, закон отклонения гомеостаза не прекращает своего существования, а, напротив, выполняется, как и раньше. Поэтому если отклонение гомеостаза вначале служит развитию и росту, то затем оно превращается лишь в силу, нарушающую закон постоянства внутренней среды: после завершения роста развитие продолжается. Если снова привести пример, относящийся к репродуктивной системе, то повышение гипоталамического порога чувствительности, то есть механизм, который обеспечивает половое созревание, функционируя и дальше после этого периода, приводит к возрастному выключению детородной функции. В самом деле, репродуктивный гомеостат — это замкнутая цепь, соединяющая двумя каналами регулятор-гипоталамус и рабочий элемент системы — половые железы. По одному каналу идет стимулирующее влияние гипоталамуса на половые железы, а по другому тормозящее влияние половых гормонов на гипоталамус. Для того чтобы репродуктивная система функционировала, эта цепь должна оставаться замкнутой. Но разве может быть обеспечена «неразрывность» цепи, если происходит возрастное повышение гипоталамического порога?
Вначале (по мере того как с возрастом порог чувствительности гипоталамуса повышается) компенсаторно увеличивается и продукция половых гормонов, так как по гипоталамическому каналу усиливается стимуляция половых желез. Это компенсаторное усиление продукции половых гормонов и обеспечивает замкнутость цепи, несмотря на тенденцию к ее разрыву. Но подобные возможности любой системы ограничены. Это относится и к половым железам. В результате происходит разрыв цепи и наступает климакс—возрастное прекращение репродуктивной функции. Этот пример показывает, что оба явления — возрастное включение и выключение репродуктивной функции — осуществляются одним и тем же способом, определяемым законом отклонения гомеостаза. Так постепенно начинают формироваться черты, свойственные нормальному старению и болезням старения. Действительно, климакс — это одновременно и норма и болезнь, то есть нормальная болезнь. Норма, потому что он всегда наступает в определенном возрасте у женщины; болезнь, потому что он продукт нарушения постоянства внутренней среды, а любое стойкое нарушение гомеостаза и есть болезнь.
Но ведь процесс развития и роста осуществляется не только за счет усиления мощности репродуктивного гомеостаза, но также энергетической и адаптационной систем. Соответственно нормальной болезнью энергетического гомеостаза является возрастное ожирение, а нормальной болезнью адаптационного гомеостаза — заболевание, которое я обозначаю термином дисадаптоз. Исходя из представлений о законе отклонения гомеостаза, 10 основных болезней человека, к которым, кроме этих трех нормальных болезней, относятся также сахарный диабет тучных, атеросклероз, метаболическая иммунодепрессия (снижение активности иммунитета), аутоиммунные болезни, гипертоническая болезнь, психическая депрессия и рак, можно объединить в едином механизме. Вполне уместен даже вопрос: действительно ли существуют раздельно эти 10 болезней или на самом деле имеется одна болезнь с десятью отдельными симптомами? К этой проблеме мы еще вернемся.
Закон отклонения гомеостаза позволяет рассматривать и нормальное старение как самую универсальную болезнь, которая развивается всегда и которая несет в себе черты всех основных болезней человека. Действительно, в процессе старения постепенно нарушается гомеостаз: увеличивается в крови уровень сахара, жира, холестерина и т. д. В свете представлений о законе отклонений гомеостаза становится более ясным, почему все происходит именно так, а не иначе.
Признаки естественного старения определяются теми изменениями, которые ранее были нужны для развития организма. Более того, закон постоянства внутренней среды ограничивает действие закона отклонения гомеостаза тремя главными гомеостатическими системами. Так, стабильность концентрации таких жизненно важных элементов в крови, как натрий и калий, почти одинакова и в детстве и в старости. Соответственно болезни старения не связаны с первичным нарушением ионного равновесия. А это означает, что все те физиологические характеристики организма, которые охраняются законом постоянства внутренней среды, не способствуют возникновению возрастных болезней, то есть не лежат в основе регуляторного типа болезней. Иными словами, у высших организмов естественная смерть — смерть регуляторная.
Но если механизм болезней старения и естественной смерти связан с нарушениями, происходящими в трех основных гомеостатах, то все то, что присуще горбуше, должно обнаружиться и у других высокоорганизованных организмов. Так оно и есть. Данные, полученные учеными, показывают, что причины, лежащие в основе гибели таких далеких друг от друга видов, как горбуша, крыса и человек, практически совпадают. Если бы речь шла не о механизме смерти, то следовало бы сказать: это чудо совершенства — единообразие механизма естественной смерти.
Вот почему, быть может, никакой загадки смерти и нет, но есть проблема, связанная с необходимостью познания механизмов развития организма. Если еще раз вернуться к примеру с горбушей, то половое созревание, включающее механизм обменных нарушений, соответствует развитию; накопление жира — старению, а естественная смерть и у горбуши и у человека — результат этих регуляторных сдвигов. Вот почему, быть может, также нет никакой особой фатальности в явлении естественной смерти, так как она обусловлена регу-ляторными причинами. Но как бы ни были сложны эти причины, они доступны изучению и контролю. Уже то обстоятельство, что эти причины действуют всегда закономерно, позволяет их изучать пучше, чем изменения, связанные с действием случайных факторов, например, «поломок» (мутаций) в громадной машине человеческого тело. Именно наличие строгой взаимосвязи между развитием и старением, наличие перехода программы развития организма в механизм болезней старения — неисчерпаемый источник не только оптимизма, но и реальных поисков путей и средств противодействия этим болезням.
В дальнейшем я постараюсь показать, каким образом закон отклонения гомеостаза формирует условия для возникновения «трех китов» современных болезней человека — атеросклероза, метаболической им-мунодепрессии и рака. Постараюсь рассмотреть роль внешних факторов в развитии болезней человека и рассказать о некоторых путях, которые могут быть использованы для торможения скорости старения и замедления развития главных болезней человека.
"Наука и жизнь" №2 1980
Источник: http://www.gen64.ru/publ/dilman2.htm |
