Закон отклонения гомеостаза

[Shodashi]

Закон отклонения гомеостаза

Если стабильность внутренней среды — обязательное условие свободной жизни организма, то непременным условием развития организма является запрограммированное нарушение стабильности. Соответственно наряду с законом постоянства внутренней среды существует закон отклонения гомеостаза.

Доктор медицинских наук В. ДИЛЬМАН.

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 Кеннок), 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 теплорегуляции. 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, ищущими 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 элеменсг 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 случае 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 хватало для построения оболочки, и они получают холестерин из печени. Но мощность печени плода еще мала, она не обеспечивает потребностей быстро увеличивающейся клеточкой 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 родами заканчивает свое существование. В период беременности плацента вырабатывает плацентарный гормон роста, способный уменьшать «сгорание» глюкозы в материнском организме. Но если глюкоза, поступающая с пищей, полностью не используется как топливо, то она 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 нейро-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 среды? 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.