112
Ядро, ДНК
„Сигнальные" Воздействия среды
Рид~осомы. Синтез ферментов
Митохондрии и другие ^рабочие* элементы
Ферменты. Синтез веществ ц преобразования энергии
Энергетические Воздействия среды
Специфические воздействия на среду
<ь е».
Рис. 30. Функциональная схема клетки
Первичной системой — носителем жизни — является клетка. Согласно общей схеме в ней можно выделить такие «рабочие» подсистемы, как оболочку и «скелет», лизосомы, сократительные элементы и энергетическую субстанцию — митохондрии. Управляющие подсистемы представлены ядром, содержащим ДНК, и рибосо-мами, в которых синтезируются ферменты. Функциональная схема клетки приведена на рис. 30.
Все химические процессы клетки имеют ферментативный характер. Ферменты синтезируются в рибосомах с матриц РНК, которые сами, в свою очередь, образуются в ядре путем дуплицирования части молекулы ДНК, соответствующей определенным генам. Отдельные программы жизнедеятельности, как, например, процесс размножения, включаются сигнальными веществами извне, но процесс начинается только при наличии «внутренних условий», сигнализируемых специальными веществами-регуляторами из «рабочих» структур клетки. «Внешняя» деятельность клетки выражается некоторой специфической энергией, отдаваемой во внешнюю среду в ответ на получаемые из нее воздействия — как энергетические, так и сигнальные. Это и энергия сокращения мышечного волокна, и энергия нервных импульсов разной частоты, и энергия, идущая на синтез молекул секрета железистой клетки. Зависимость количества отдаваемой энергии от величины сигнала извне определяется кривой, которую называют статической характеристикой (рис.31).
Количество отдаваемой энергии зависит от «мощности» рабочих элементов клетки, например митохондрий, т. е. объема ее белковых структур. Этот объем определяется соотношением скоростей двух противоположных процессов: синтеза новых белковых молекул в рибосомах и распада старых в результате химических про-
8 8-224
113
цессов. Первый определяется сигналами, идущими от рабочих элементов в рибосомы и, возможно, в ДНК, в виде концентрации молекул специфических активаторов (или уменьшения количества ингибиторов), второй — активностью процессов распада, возможно, зависящих от интенсивности функции, а возможно, и не зависящих — постоянных, как период полураспада радия. Сигналы на синтез зависят от соотношения уровня раздражителя (с) и «мощности» рабочих элементов.
Если нагрузка меньше оптимальной, то синтез отстает от распада и начинается процесс уменьшения мощности, т. е. атрофии; если она больше — синтез новых структур преобладает и рабочий элемент гипертрофируется до тех пор, пока не будет достигнуто равновесия, т. е. новый оптимум.
Однако, когда внешний сигнал значительно превышает оптимальный, возникает патологическая ситуация «перегрузки». Она чревата не только уменьшением «энергии выхода», но и развитием качественных нарушений биохимии и появлением «патологических сигналов», способных нарушить все регулирование клетки. Так и получается, что для тренировки, для повышения «мощности» нужно некоторое превышение оптимума нагрузок, однако его значительное повышение опасно. Процессы оптимизации «мощности» структур в соответствии с нагрузками требуют времени, так как синтез белков — процесс медленный. Отсюда правила тренировки: превышение оптимума нагрузок в строгом соотношении с уже достигнутой мощностью, с учетом времени. Спешка может привести к патологии.
Каждая клетка представляет собой гармоничную систему из многих функций, обеспечиваемых многими рабочими структурами и управляемых по моделям в ДНК. Чрезмерная гипертрофия одних структур обязательно сопровождается ущербом для других, так же, впрочем, как и атрофия. Последняя даже опаснее, так как статическая характеристика ее более круто падает после оптимума и небольшие перегрузки могут вызвать патологический режим. Равномерность нагрузок скорее вредна, чем полезна. Она детрени-рует регуляторы — системы прямых и обратных связей между рабочими и управляющими подсистемами клетки. Учитывая медленность процессов тренировки и ослабления, выгодно периодически давать умеренные перегрузки, чтобы стимулировать «резервные мощности», так как они обеспечивают качественно нормальный устойчивый режим деятельности в большом диапазоне изменений среды (см. пологий характер статической характеристики при гипертрофии на рис. 31).
Специфическая функция дифференцированной клетки сложного организма возможна только при поддержании ее гомеостазиса, т. е. постоянства внутренней среды (рН, электролиты, онкотическое давление и др.), достигаемого специальными рабочими подсистемами, например, оболочкой. Они функционируют и регулируются по тем же принципам, что и «главные» функции. Здесь тоже имеют место явления тренировки, «резервных мощностей», атрофии.
114
А Се.
Рис. 31. Гипотетические статические характеристики клетки при разных уровнях ее тренированности:
А — средняя, Б — высокая (гипертрофия), В — низкая (атрофия). Зависимость «энергии выхода* (Эн) от величины входного сигнала (В. Се). Разные режимы работы: Р — рабочий, а — экстремальный, п — патологический
ООН
Рис. 32. Гипотетическая статическая характеристика регулятора гомеоста-зиса в зависимости от уровня тренированности клетки:
А — норма, Б — повышенная тренированность, В — пониженная, ОВС — степень отклонения внешней среды от среднего уровня (или величина «энергии выходах). УРП — уровень регулируемого параметра. Режимы работы: от 0 до а — рабочий, от а до б — экстремальный, от б до г — патологический, точка г — гибель
Статические характеристики этих показателей имеют другой характер. Они показаны на рис. 32.
Существуют резервные механизмы гомеостазиса, которые включаются на короткое время при сильных внешних воздействиях, требующих максимальной энергии «выхода». Эти условия в кибернетике называются экстремальными. На характеристиках (рис. 31, 32) они соответствуют участкам а кривых «выходов» и кривых поддержания констант среды.
Мы не будем описывать биохимию таких резервных механизмов, поскольку для разных типов клеток и их различных функций они, видимо, не одинаковы. Для энергетических процессов они представляются анаэробным гликолизом, способным обеспечить дополнительное количество энергии при перегрузке, когда не хватает кислорода для полного окисления.
Такие процессы являются пограничными между нормой и патологией. Они неэкономичны, расходуют больше энергетических материалов, обеспечив на короткое время значительное усиление функции, ведут к истощению, нарушению гомеостазиса и требуют периода покоя для восстановления резервов.
Как показывают рис. 31 и 32, границы экстремальных условий в большей степени зависят от «резервных мощностей» клетки. Для детренированной, атрофичной функции порог экстремальных условий близок и приращение энергии выхода за счет резервных механизмов невелико.*Наоборот, тренированная, гипертрофированная фунция в больших пределах нагрузок сохраняет нормальные механизмы и, следовательно, способность к продолжительным нагрузкам.
115
К экстремальным раздражителям относятся и чрезмерные регулирующие воздействия, испытываемые дифференцированными клетками сложного организма. При этом возможна значительная дисгармония между отдельными функциями клетки.
Болезни клеток можно рассматривать как режим деятельности во времени при качественных отклонениях одной или нескольких рабочих функций, сопровождающихся нарушением гомеостазиса. Причиной болезни является или количественное несоответствие «резервных мощностей» и силы внешних воздействий (включая и регулирующие воздействия со стороны других клеток организма), или действие качественно новых факторов, чаще токсинов. Патология развивается по определенной программе, в которой взаимодействуют во времени скорости процессов нарушения гомеостазиса и восстановления его за счет гипертрофии оставшихся непораженных структур и замены погибших.
Очень велико значение уровня резервов, особенно энергетических (митохондрии), в момент действия патогенного агента.
Тренированная клетка гораздо устойчивее, чем атрофичная, поскольку спесобна поддержать гомеостазис при большом диапазоне внешних воздействий и имеет энергию (АТФ) для восстановительных процессов. Дозирование нагрузок в течение болезни имеет большое значение: покой в процессе восстановления почти так же опасен, как перегрузки в период нарастания патологических сдвигов.
Клетки в сложном организме находятся в тесной зависимости друг от друга. Для большинства из них «внешней средой» являются регулирующие системы целостного организма — кровь с ее химией и гормонами, нервная система '. При высокой дифферен-цировке клеток организма каждый орган обеспечивает специфическую функцию всех других клеток, действуя через кровь, поэтому существует много положительных и обратных связей, способствующих генерализации патологических процессов по типу «лавин» и «порочных кругов» (термины, принятые в патологии). Отсюда вытекает важность тренировки всех жизненно важных органов, чтобы придать устойчивость целому организму.
Принципиальная схема организма высших животных отличается от одноклеточного только тем, что на «входе», кроме энергетического материала и физических условий, действует еще информация — то есть сведения, передаваемые сигналами с очень низкой физической энергией. Соответственно на «выходе» подается как энергия движения, так и информация. Схематически это показано на рис. 33. У человека информационные взаимодействия со средой очень важны, поскольку социальная система во много раз сложнее, чем физическая среда.
Программы деятельности человека очень сложны. Хотя все они представлены движениями мышц, но пространственное разнообра-
1 Подробнее см.: Амосов Н. М. Регулирование жизненных функций и кибернетика.—Киев: Наукова думка, 1964.— 116 с.
зие движений и их протяжен- __________ Информация. ность во времени весьма вели- ' ' э—"—- ——••
ки и, следовательно, модели таких движений требуют системы управления соответствующей сложности. Такую сложность и обеспечивает кора
Организм
Энергия питания.
Физические и другие
условия
Энергия движения, информация
большого мозга, представляющая собой огромную модели- Рис 33. Связи организма с внешней рующую установку, предназна- средой ченную для оптимизации действий по реализации основных программ поведения — инстинктов, измененных социальными условиями.
Более сложная схема организма показана на рис. 34. Рабочие органы представлены мышцами, которые являются средством воздействия на внешний мир, и внутренними органами, выполняющими функции обеспечения организма энергией и защиты от микробов. Управляющие подсистемы можно грубо разделить на две части: а) анимальная нервная система, обеспечивающая «внешнее поведение» человека — переработку информации, получаемой извне и из тела через рецепторы, и управление движениями (мышцами) с целью силового и информационного воздействия на внешнюю среду; б) вегетативная нервная и эндокринная системы, призванные регулировать функцию внутренних органов, обеспечивающих внешнюю деятельность.
Стимулы поведения — чувства — как производные инстинктов имеют корни в эндокринной и нервно-вегетативной системах с вторичным представительством в коре, а модели социального поведения первично закладываются в коре через обучение.
Кора действует по принципу управления (включая отдельные, дискретные функциональные акты), а подкорка выполняет функции регулирования путем непрерывного поддержания управляемого гомеостазиса — уровня физических и химических констант, запрограммированного применительно к степени мышечной и психической активности. При напрлженной деятельности, как правило, поддерживаются более высокие уровни многих функциональных показателей, например артериального давления, температуры и др.
Все функции организма осуществляются через дифференцированные клетки, организованные в органы. Деятельность органов описывается количественными характеристиками, подобными характеристикам специфической деятельности их основных клеток (рис. 31). Энергия «выхода» органа — будь то механическая энергия сокращения мышцы или сердца или химическая энергия в секретах или инкретах железы, изменяется, прежде всего, в зависимости от специфического «входа», регулирующего воздействия со стороны регулирующий систем — частоты нервных импульсов или концентрации гормона. Неспецифические воздействия в виде, например, констант крови, уровня кислорода или глюкозы должны поддерживаться на постоянном уровне механизмами гомеостазиса
117
Кора-психика
Органы чувств
I»
I И
* С:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38