repead.ru 1 2 ... 4 5

ТЕМА: ВВЕДЕНИЕ В ФИЗИОЛОГИЮ.



Занятие 1: Физиологические функции живого организма.


Вопросы для самоподготовки:


  1. Физиология как наука. Предмет и задачи физиологии.

  2. Основные разделы современной физиологии.

  3. Методы современной физиологии.

  4. Биологическая характеристика живого организма.

  5. Физиологические процессы, функции и механизмы.

  6. Системные принципы регуляции физиологических функций.


Базовая информация.


Физиология как наука.

Физиология (от греч. physis – природа, logos – учение) – наука, относящаяся к биологическим дисциплинам и изучающая закономерности функционирования живых организмов, их отдельных систем, органов, тканей и клеток, а так же механизмы регуляции этих функций.

Рассмотрение частных функций подчиняется при этом задаче целостного понимания причин, механизмов, закономерностей взаимодействия организма с окружающей средой, его поведения в различных условиях существования, происхождения и становления в процессе эволюции, а также индивидуального развития. Задача физиологии, - по мнению великого русского физиолога И.П. Павлова, - состоит в том, чтобы понять работу машины человеческого организма, определить значение каждой его части, понять, как эти части связаны, как они взаимодействуют и каким образом из их взаимодействия получается итоговый результат – общая работа организма.

Решение такой задачи невозможно без связи с другими науками, изучающими работу человеческого организма. Осмысление физиологических механизмов непременно основывается на данных анатомии, гистологии, цитологии, и других направлений биологических наук, объединяя их в единую систему знаний. В физиологии широко используют также методы физики, химии, кибернетики, математический аппарат. Будучи основанными на физических и химических закономерностях, физиологические явления тем не менее характеризуются собственными качественными особенностями. Они подчиняются возникающим в процессе эволюции закономерностям.


Основные разделы современной физиологии. Совокупность физиологических знаний подразделяют на ряд отдельных, но взаимосвязанных направлений – общую, частную и прикладную физиологию.

В общую физиологию включают сведения, касающиеся природы основных, жизненных процессов, общих проявлений жизнедеятельности, таких, как метаболизм органов и тканей, свойства биологических мембран и отдельных клеток, общие закономерности реагирования организма и его структур на воздействие среды – раздражимость, возбудимость, процессы возбуждения и торможения. Сюда же относят особенности которые обусловлены разными уровнями структурной организации, разными условиями существования и целым рядом других причин (например, исследования специфических особенностей функций организмов различных видов, а также представителей одного и того же вида, но находящихся на разных стадиях индивидуального развития). Следовательно, общая физиология описывает те качественно своеобразные явления, которые отличают живое от неживого.

Частная физиология исследует свойства отдельных тканей (мышечной, нервной и др.), органов (печени, почек, сердца и пр.), закономерности объединения их в системы (система пищеварения, кровообращения, дыхания). Кроме того, сюда можно отнести физиологию отдельных классов, групп и видов животных (например, насекомых, птиц, хозяйственно полезных животных – оленей, овец, коров).

Прикладная физиология изучает закономерности проявлений деятельности организма, особенно человека, в связи со специальными задачами и условиями. К числу таких разделов относят физиологию труда, разрабатывающую и обосновывающую мероприятия, которые связаны с рационализацией труда, с производственным обучением. Физиология спорта занимается изучением состояний организма при различного рода физических нагрузках, тренировках и т. д. Практической задачей физиологии питания. является обоснование норм питания, диет, режимов для различных, профессиональных и возрастных групп людей, живущих в разных природных условиях, а также при разных состояниях организма. Ряд специальных проблем, возникающих в результате пребывания организма при измененном барометрическом давлении, перегрузках, условиях, не встречающихся на Земле (невесомость), изучает подводная и космическая физиология. Влияния, оказываемые на организм внешней средой, и в этой связи особенности физиологических процессов у разных видов животных в зависимости от условий существования, изучает по преимуществу экологическая физиология. Исключительно важные в практическом отношении задачи решает большой раздел физиологии сельскохозяйственных животных. Помимо названных развивается и ряд других имеющих прикладное значение разделов физиологии.


Физиологию принято также условно подразделять на нормальную и патологическую. Первая изучает закономерности жизнедеятельности здорового организма, механизмы адаптации функций к действию различных факторов, наконец, устойчивость организма. В отличие от нормальной, патологическая физиология рассматривает измененные функции больного организма, выясняет общие закономерности возникновения, развития и течения патологических процессов в организме, процессы компенсации и адаптации функций при заболеваниях, а также механизмы выздоровления и реабилитации.


Методы физиологических исследований.

Физиология – экспериментальная наука. Она располагает двумя основными методами – наблюдением и экспериментом. Наблюдение позволяет проследить за работой того или иного органа, но даже при использовании технических средств, для наблюдения, позволяет ответить только на вопрос «что происходит». Кроме того, результаты наблюдения зачастую могут носить субъективный характер. Поэтому, основным и более объективным методом познания механизмов и закономерностей в физиологии является эксперимент, позволяющий не только ответить на вопрос, что происходит в организме, но и выяснить так же, как и почему происходит тот или иной физиологический процесс, как он возникает, какими механизмами поддерживается и управляется. При изучении любого процесса обычно создают условия, в которых можно вызвать этот процесс и в последующем им управлять. В зависимости от того, какую цель преследует эксперимент, ему соответствует и определенный характер методических приемов.

Для глубокого проникновения в природу протекающих в организме процессов, доведения анализа до молекулярного уровня клетки (изолированной от всех основных процессов, которые происходят в организме) используют так называемые аналитические исследования, благодаря которым может быть получено исчерпывающее представление об отдельной клетке, ее органеллах, возможностях и особенностях мембранных процессов и т. д.


Однако для понимания сложных процессов жизнедеятельности, протекающих в целом организме, используют методы, так называемой «синтетической физиологии». Она в отличие от «аналитической» считает своей задачей приближение условий эксперимента к естественным, наиболее соответствующим познанию жизнедеятельности организма.

На ранних этапах развития физиологической науки при изучении функций и значения того или иного органа особой популярностью пользовались методики удаления либо части, либо всего органа (метод экстирпации) с последующим наблюдением и регистрацией того, какими последствиями сопровождается вмешательство. В иных случаях изучаемый орган не удаляют, а пересаживают в том же организме на новое место или переносят в другой организм (метод трансплантации). Такой подход оказался особенно результативным при изучении функций эндокринных желез.

Для рассмотрения деятельности органов, расположенных в глубине тела и недоступных непосредственному наблюдению, используют фистульный метод. При этом, один конец металлической или пластмассовой трубки вводят в полый орган (желудок, кишечник, желчный пузырь), второй – закрепляют на коже. Разновидностью этой методики может быть выведение протоков желез. Вариантом подобного подхода может служить и методика катетеризации. В этом случае в кровеносные сосуды, сердце, протоки желез вводят тонкие синтетические трубки-катетеры, которые используют и для регистрации происходящих в изучаемых органах процессов, и для введения различных фармакологических веществ и препаратов.

Для того чтобы установить зависимость функции органа от влияния нервной системы, прибегают к методике денервации. При этом либо перерезают нервные волокна, иннервирующие орган, либо (для возбуждения деятельности органа) используют электрический или химический вид раздражения.

Кроме того, в последние десятилетия широкое применение нашли различные инструментальные методики в сочетании со стимуляцией мозговых или периферических структур у бодрствующих животных и регистрацией у них электрической активности посредством вживления макро- и микроэлектродов.


Принято различать следующие формы проведения физиологического эксперимента: острый, хронический, в условиях изолированного органа.

Острый эксперимент обычно непродолжителен. В этом случае наркотизированное и обездвиженное животное вскрывают для проведения искусственной изоляции органов и тканей, иссечения и стимуляции различных нервов, регистрации электрических потенциалов, введения лекарственных препаратов и т. д.

Хронический эксперимент требует специальной подготовки в виде определенно направленных хирургических операций и использования животного в опыте только после того, как оно оправится от хирургического вмешательства. В хроническом эксперименте применяют такие методические приемы, как наложение фистул, пересадки различных органов, вживление электродов и т. д. Следует также заметить, что лишь в условиях хронического эксперимента возможно изучение сложных форм поведения с использованием методики условных рефлексов, различных инструментальных методик, телеметрии. Условия хронического опыта, позволяющие наблюдать животное на протяжении недель, месяцев и даже лет, создают возможности неоднократного повторения на нем исследования, значительно повышая, таким образом, достоверность проводимых наблюдений.

Функции отдельных органов изучают не только в целом организме, но и при их изоляции из него. В этом случае извлеченному органу, прежде всего, создают необходимые условия: температуру, влажность или подачу специальных, питательных растворов через сосуды изолированного органа (метод перфузии). Подобные условия необходимы по преимуществу для микрофизиологических экспериментов, когда в качестве объекта используют отдельную мышечную, нервную или другую клетку.

В условиях острого и хронического эксперимента на животных изучаются физиологические механизмы функционирования и взаимодействия органов и систем целостного организма. В спортивной физиологии эти экспериментальные методы не могут быть использованы по этическим соображениям. Поэтому особое значение приобретает метод целенаправленного наблюдения за состоянием организма человека в условиях систематических занятий физическими упражнениями. При этом используются и инструментальные (в частности - телеметрические) методики, методы биохимических исследований при выполнении контрольных упражнений, специальных, функциональных проб и тестовых испытаний.


В экспериментальной физиологии непрерывно происходят значительные методические усовершенствования, которые коренным образом меняют самую технику эксперимента, способы регистрации процессов, обработки и оценки экспериментальных данных. Механические преобразователи сигналов вытеснены электронными системами, регистрация процессов все более осуществляется на магнитном носителе, и последующая обработка материалов ведется с помощью компьютерной техники.


Биологическая характеристика живого организма.

Являясь объектом физиологического исследования, живой организм требует более детального рассмотрения.

Организм (от лат. оrgаniso - устраиваю, придаю стройный вид) - это целостная биологическая система отдельного живого существа. Составные части организма – клетки, ткани и органы – в сумме еще не представляют собой целостный организм. Лишь соединение их в порядке, исторически сложившемся в процессе эволюции, и их взаимодействие образуют целостную систему – которой присущи определенные свойства. Именно они и позволяют рассматривать живые организмы как самостоятельную форму существования материи. С точки зрения различных биологических дисциплин последовательность и значение этих свойств не всегда одинаково. Для физиологии наибольшее значение будут иметь следующие.

Прежде всего, – это одно из основных свойств живого - способность к самовоспроизведению или репродукции. Это свойство реализуется в процессе размножения - способности организмов воспроизводить себе подобных. Значение этого процесса настолько велико, что, по мнению некоторых биологов, оставление потомства вполне можно считать биологической целью любого живого организма. Следует отметить, что не является исключением, в данном случае, и человек.

Следует помнить, что сущность процесса размножения, для любого организма, заключается в образовании новой информационной молекулы ДНК на основе материнской в процессе ее репликации (удвоения). На основе информации, заложенной в дочерней ДНК, и происходит развитие нового организма. Процесс удвоения материнской ДНК происходящий в клетке является химической реакцией, а любая химическая реакция требует определенных условий, в данном случае условий внутренней среды. Для живого организма жизненно важно, чтобы поддерживалось, прежде всего, постоянство этих условий или гомеостаз. Любое сколько-нибудь значимое изменение гомеостатических показателей организма (температуры тела, артериального давления, насыщения крови кислородом, внутриклеточного рН, и др.) за пределы физиологической нормы, приводит к его неизбежной гибели. Значит, на поддержание постоянства внутренней среды и будут направлены все, без исключения, физиологические процессы. Поддержание гомеостаза, в таком случае, можно считать физиологической целью организма.


Поддержание постоянства внутренней среды обеспечивается в ходе обмена веществ, который можно отнести к следующему важнейшему свойству живых организмов. Все живые организмы способны к обмену веществ с окружающей средой, поглощая из нее необходимые вещества и выделяя продукты жизнедеятельности.

Одна сторона обмена заключается в том, что вследствие целого ряда сложных химических превращений вещества из окружающей среды уподобляются органическим веществам живого организма и из них строится его тело. Эта сторона обмена, называемая пластическим обменом, обеспечивает реализацию еще одного свойства - единства химического состава. Действительно, несмотря на то, что в состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в объекты неживой природы, соотношение различных элементов в живом и неживом неодинаково. В живых организмах 98% химического состава приходится на четыре элемента: углерод, кислород, азот и водород. Кроме того, органические соединения редко встречаются в неживой природе, а все живые организмы построены и основном из четырех крупных групп сложных органических молекул – биологических полимеров: нуклеиновых кислот, белков, углеводов, а также липидов.

Другая сторона обмена веществ, называемая энергетическим обменом, проявляется в том, что сложные органические соединения распадаются на простые, при этом утрачивается их сходство с веществами организма и выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза.

Поддержание нормальной жизнедеятельности организма невозможно без непрерывной информации о состоянии окружающей среды. Именно благодаря этой информации и происходит адекватная регуляция всех процессов обмена веществ. Для более сложных организмов, в том числе и человека, такая информация необходима для реализации сложных форм поведения. В процессе эволюции у живых организмов выработалось и закрепилось свойство избирательно реагировать на внешние воздействия. Это свойство носит название раздражимости. Всякое изменение окружающих организм условий среды представляет собой по отношению к нему раздражение, а реакция организма на внешние раздражители служит показателем его чувствительности и проявлением раздражимости.


Механизмы лежащие в основе процессов раздражимости и обмена веществ и являются в конечной итоге предметом физиологии.

Отметим, что существует и целый ряд других свойств.

В процессе обмена веществ, проявляется такое свойство живых организмов как энергозависимость. Живые тела представляют собой открытые для поступления энергии системы, то есть они существуют только до тех пор, пока в них поступает энергия и материя из окружающей среды.

Благодаря процессам обмена веществ осуществляется развитие и рост организма. В результате развития возникает новое качественное состояние биологической системы представленное индивидуальным развитием организмов - онтогенезом, и историческим развитием видов - филогенезом. Развитие сопровождается изменением количества - ростом.

Не менее важным свойством является – дискретность (лат. discretus – прерывистый, разделенный), согласно которому любая биологическая система состоит из обособленных в пространстве, но тесно связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих структурно-функциональное единство (тело-орган-ткань-клетка-органоид-молекула-и т.д), каждая из которых может выполнять функцию, лишь будучи пространственно изолированной от других. Дискретность строения организма – основа его структурной упорядоченности, она создает возможность постоянного самообновления его путем замены «износившихся» структурных элементов без остановки выполняемой функции. Кроме структурной, можно выделить и функциональную дискретность, которая проявляется в процессах восприятия внешней среды и регуляции физиологических актов.

Способность живых организмов обитающих в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды, поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность физиологических процессов отражает свойство саморегуляции. Саморегуляция осуществляется за счет мобилизации или угнетения внутренних ресурсов на всех уровнях организма.


Наконец, ритмичность - периодические изменения интенсивности физиологических функций с различными периодами колебаний (от нескольких секунд до года и столетия) связанные с периодическими колебаниями (повторениями) условий в окружающей среде.

Ритмичность обеспечивает согласование функций организма с окружающей средой, т. е. приспособление к периодически изменяющимся условиям существования. Эволюционно сформированные ритмические изменения жизнедеятельности сохраняются даже в том случае, если внешние факторы остаются неизменными или, напротив, резко меняются. Например, изменение температуры внешней среды не может существенно изменить суточные колебания температуры тела.

Таким образом, живые организмы резко отличаются от неживых систем исключительной сложностью и высокой структурной и функциональной упорядоченностью. Эти отличия придают жизни качественно новые свойства. Живое представляет собой особую, высшую ступень развития материи.


Физиологические процессы, функции и механизмы.

Основой обеспечивающей реализацию биологических свойств живого организма, а следовательно и основой жизнедеятельности организма являются физиологические процессы - сложная форма взаимодействия и единства биохимических и физиологических реакций, получившая в живой материи качественно новое (биологическое) содержание.

Физиологические процессы лежат в основе физиологических функций.

Функция – это специфическая деятельность дифференцированных клеток, тканей органов организма, например – сокращение, секреция и др. За счет изменения физиологических функций организм приспосабливается (адаптируется) к внешней среде, к условиям существования.

Физиологические функции с некоторой долей условности можно разделить на соматические, которые осуществляются за счет деятельности скелетных мышц иннервируемых соматической нервной системой, и вегетативные – связанные с обменом веществ. Эти функции осуществляются за счет работы внутренних органов, деятельность которых регулируется вегетативной нервной системой.


Интенсивность, выраженность физиологических реакций в ответ на действие раздражителей зависит от индивидуальных особенностей, генетической программы развития человека. Современная генетика дает основания утверждать, что наследственные задатки определяют развитие физических качеств - быстроты, силы, выносливости. Наследственная природа качеств и способностей выдающегося спринтера или марафонца - такая же реальность, как генетическая программа, определяющая телосложение, цвет глаз или волос.

Физиологические функции реализуются в результате осуществления различных физиологических актов.

Физиологический акт – это сложный процесс, который осуществляется при участии различных физиологических систем организма. Так, различают физиологические акты дыхания, пищеварения, выделения, движения и т. д.

Например, в физиологическом акте пищеварения участвуют определенные отделы центральной нервной системы (которые приходят в состояние возбуждения при виде, запахе, ощущении вкуса пищи), скелетные мышцы (добывание, обработка и приготовление пищи), секреторный аппарат желудочно-кишечного тракта (выделение пищеварительных соков), гладкие мышцы пищеварительной трубки (при их сокращении происходит передвижение содержимого желудочно-кишечного тракта), кишечный эпителий (всасывание питательных веществ, воды и т.д.). В процессе пищеварения принимают участие и другие системы: кровообращение, кровь и т.д.

Совокупность сложных физиологических актов обеспечивают поддержание или восстановление постоянства внутренней среды организма – гомеостаза (homeostasis –постоянное состояние).

По П. К. Анохину, в организме существуют жесткие показатели (константы), имеющие наименьший диапазон между уровнем их неизменного состояния и предельным отклонением от этого уровня, несовместимым с жизнью. Часть из этих констант, которые допускают некоторые отклонения от постоянного уровня (пластические константы), имеют приспособительное (гомеостатическое) значение для других функций; пластические константы, обладающие весьма широким диапазоном изменчивости. Жесткими константами являются те параметры внутренней среды, которые определяют оптимальную активность ферментов и тем самым возможность протекания обменных процессов.


Одним из механизмов обеспечивающих поддержание постоянства внутренней среды в непрерывно меняющихся внешних условиях является адаптация.

Адаптация (от лат. аdарtаtio - приспособление) в самом общем виде может быть определена как совокупность приспособительных реакций и морфологических изменений, позволяющих организму сохранить относительное постоянство внутренней среды в изменяющихся условиях внешней среды. У человека адаптация выступает как свойство организма, которое обеспечивается автоматизированными самонастраивающимися, саморегулирующимися системами - сердечно-сосудистой, дыхательной, выделительной и др. В каждой из этих систем можно выделить несколько уровней адаптации - от субклеточного до органного. Но конечный ее смысл не теряется ни на одном из уровней - это повышение жизнестойкости, устойчивости системы к факторам среды.


Системные принципы регуляции физиологических функций.

Живой организм представляет собой целостную биологическую систему, поэтому, объективные возможности для изучения физиологических функций организма и их регуляции следует искать в общей теории систем. Согласно Л. Берталанфи, являющимся основоположником теории систем, система (от греч. sistema) - целое, составленное из частей, их соединение. Изучение организма как системы связано с именем П.К. Анохина и с его учением о функциональных системах организма.

Функциональная система - совокупность взаимосвязанных органов и элементов управления физиологическими реакциями, обеспечивающих единую функцию с положительным конечным результатом. В рамках самого понятия систем следует выделить основополагающие системные принципы:

а) целостность - несводимость свойств системы к сумме свойств ее составных частей. Действительно, живой организм представляет собой единое целое, в котором частные физиологические процессы подчинены закономерностям работы всей сложной целостной системы, а свойства этой целостной системы, описанные выше, не являются результатом работы ни одной из составных частей организма в отдельности.


б) структурность - возможность описания системы через ее структуру. Процесс познания физиологических закономерностей немыслим без глубокого изучения структуры органа или системы органов. Поэтому изучение макро- и микроструктуры органа - необходимый этап познания сущности физиологических процессов. Разумеется, речь идет не о механических аналогиях, а о глубоком понимании связи между структурой и функцией живого органа или целостной живой системы.

в) иерархичность - соподчиненность составляющих элементов системы. Каждый орган или система органов выполняет специфическую функцию. Однако самостоятельность системы или органа в поведенческом акте является относительной. Так, в реализации пищевой поведенческой реакции проявлен膆††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††одчинены сложным системным зависимостям. Низшие уровни управления обеспечиваются автоматическими системами регуляции, поддерживающими заданный режим жизнедеятельности.

Высший уровень регуляции физиологических функций целостного организма и взаимоотношение организма и среды обеспечиваются центральной нервной системой. Второй уровень регуляции обеспечивается вегетативной нервной системой, регулирующей активность внутренних органов. Третий уровень регуляции осуществляется эндокринной системой которая с помощью гормонов активизирует или тормозит работу ферментных систем, а через них - физиологические функции целостного организма. Неспецифическая регуляция физиологических функций осуществляется жидкими средами организма (кровью, лимфой). Это четвертый уровень регуляции.

В целостном организме все эти уровни регуляции находятся во взаимной связи, обеспечивая получение полезного результата функционирования, как отдельного органа, системы, так и организма в целом. В этом проявляется системность регуляции физиологических функций целостного организма.


г) взаимосвязь организма и среды. Потребности живого организма могут быть удовлетворены только в результате активного взаимодействия его с внешней средой. Благодаря этому взаимодействию живой организм растет, развивается, накапливает энергию которая расходуется на выполнение различных видов работы, свойственных живому организму: механической, химической, электрической, осмотической и др.

д) нервизма. Единство организма и связь его с внешней средой осуществляется, главным образом, за счет деятельности нервной системы, особенно ее высших отделов - коры и подкорковых структур. Принцип нервизма сформировался именно в физиологии в результате накопления морфологических данных о строении нервной системы и представлений о физиологической роли нервных механизмов в регуляции физиологических функций. Основным нервным механизмом, лежащим в основе регуляции как физиологических, так и психических процессов, по современным представлениям, является рефлекс


Рассмотрим на примерах, каким образом можно охарактеризовать некоторые из основных свойств живого организма.


ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1. Характеристика обмена веществ.


Согласно научным данным, изложенным в любом учебнике биологии известно, что все живые организмы способны к обмену веществ с окружающей средой, поглощая из нее необходимые для своей жизнедеятельности питательные вещества и выделяя в нее продукты этой жизнедеятельности. Одна сторона обмена заключается в том, что вследствие целого ряда сложных химических превращений вещества полученные организмом из окружающей среды уподобляются органическим веществам живого организма и из них строится его тело.

Другая сторона обмена вещества проявляется в том, что сложные органические соединения распадаются в организме на простые, при этом утрачивается их сходство с веществами организма, а в результате их распада выделяется энергия необходимая для реакций биосинтеза.


Из сказанного следует, что любой организм, в том числе и организм человека, непрерывно (а может иногда) потребляет одни вещества и выделяет совершенно другие (которые не потреблял). Так ли это? Вспомнив что методом физиологического исследования может являться не только эксперимент, но и наблюдение, попробуйте эмпирическим путем доказать наличие (или отсутствие) обмена веществ в организме человека.


М е т о д и к а в ы п о л н е н и я р а б о т ы

I. Проанализировав свой жизненный опыт и ежедневную деятельность попробуйте составить максимально полный список потребляемых вашим организмом веществ (но не продуктов) и соответственно выделяемых из вашего организма веществ:

Потребляемые организмом вещества: Выделяемые из организма вещества.

1. 1.

2. 2.

........

Одинаковые ли вещества потребляет и выделяет ваш организм? Если одинаковые, на этом работу можно закончить (что, кстати, из этого следует?).

Если разные - попробуйте найти между ними соответствие (то есть, что из чего получилось или что во что превратилось), если такое соответствие на ваш взгляд имеется.


II. Имея список потребляемых вашим организмом веществ, уже совсем нетрудно представить как они в него попали, и как, соответственно, удаляются те вещества которые организму по той или иной причине уже не нужны.

В составленной вами таблице потребляемых и выделяемых организмом веществ для каждого вещества определите каким образом (через какую систему органов) поступает оно в организм и как удаляется из организма.

Установите соответствия между путями поступления вещества в организм и удаления из организма. Одинаковы ли они для разных веществ? Всегда ли вещества поступают и удаляются по одному и тому же пути?

III. Зная соответствия между потребляемыми и удаляемыми веществами и путями их поступления и удаления попытайтесь проследить, хотя бы схематично путь каждого из них в организме.



Постройте схему основных потоков вещества в организме. Сделайте вывод о наличии в вашем организме процессов обмена веществ и о их основных направлениях.

Являются ли ваши рассуждения доказательством наличия обмена веществ в вашем организме. Ответ обоснуйте


ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2. Наблюдение ритмичности. Циркадные ритмы.


Процессы жизнедеятельности организма периодически усиливаются или ослабевают в соответствии с циклически меняющимися состояниями внешней среды. В зависимости от частоты колебаний условий внешней среды выделяют и различные биологические ритмы организма (суточные, лунные, сезонные и т.д.). Подчиняются этим ритмам и колебания физиологической активности, более того, ритмические изменения физиологических показателей сохраняются даже в том случае, если внешние факторы остаются неизменными.

Наиболее доступны для наблюдения суточные или циркадные ритмы.


М е т о д и к а в ы п о л н е н и я р а б о т ы

Наблюдение 1. Суточный ритм температуры тела организма человека.

Работа носит групповой характер. Для анализа, предварительно, каждый участник или группы (желательно не менее 10 человек) производит суточное измерение температуры тела в 7, 9,11, 13, 15,17, 19, 21 и 23 часа. Все измерения для каждого члена группы проводятся в один день. Человек, у которого проводятся измерения, должен быть здоров. Если в эксперименте участвуют несколько групп целесообразно для каждой группы определить свой день.

По полученным данным строится кривая суточных колебаний температуры тела. Данные, полученные каждым членом группы, заносятся в таблицу:

№№


п/п


Фамилия и имя

Испытуемого



7.00


9.00


11.00



13.00


15.00


17.00



19.00


21.00


23.00

1.































2.































3........

............


























10.


































Средняя арифметическая:





























По найденным среднеарифметическим значениям строится кривая суточного изменения температуры тела человека. По оси абсцисс (x), указывается время в часах, а по оси ординат (y) - среднеарифметические значения температуры тела.

Сравните данные, полученные в разных группах, сделайте вывод о наличии суточных колебаний температуры тела у человека.

По данным всех групп постройте суточную кривую изменений температуры тела с обозначением минимального и максимального значений. Определите период колебаний (повторяются ли одинаковые значения и как часто), размах колебаний (разность между максимальным и минимальным среднечасовыми значениями), амплитуду колебаний (отклонение от среднесуточного значения до максимума).


Сделайте вывод по работе: о наличии изменений температуры тела человека и о периоде этих изменений. На основании полученных данных укажите, в какое время наблюдается максимальное и минимальное значения температуры тела, каков размах колебаний и амплитуда колебаний.

Отметьте, не выходят ли ваши личные показатели за рамки средних величин. Дайте заключение о соответствии распределения физической и умственной нагрузки в течение суток в соответствии с вашим индивидуальным ритмом.


  • Следует иметь в виду, что при заболеваниях и утомлении структура биоритма меняется.

  • При невозможности организовать такое исследование в группе, следует проанализировать свой личный суточный ритм, соответственно упростив расчеты.


Наблюдение 2. Суточный ритм частоты пульса у человека.


Суточному ритму подчиняются не только температура тела, но и другие физиологические показатели. Наиболее прост для подсчета пульс. Наблюдение проводится по тем же правилам и в то же время что и в предыдущей работе. Пульс (частота сердечных сокращений за 1 минуту) подсчитывается на запястье или сонной артерии. Испытуемый должен быть здоров, физически не утомлен и в момент измерения эмоционально спокоен.

После измерений проводятся подсчет средних значений и анализ полученных данных, на основании которых делается вывод о наличии ритма колебаний ЧСС, определяется размах и амплитуда колебаний.


ТЕМА: ФИЗИОЛОГИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ И ВОЗБУДИМЫХ ТКАНЕЙ.


Занятие 1. Электрические явления в живых тканях.


Вопросы для самоподготовки:

  1. Раздражимость. Физиологические механизмы раздражимости.

  2. Современные представления о строении биологических мембран.

  3. Роль мембранных транспортных систем в обеспечении электрической активности клетки.

  4. Ионные основы возникновения потенциала покоя.


  5. Изменения электрического состояния клетки при возбуждении. Потенциал действия.

  6. Основные правила организации физиологического эксперимента..


Базовая информация.

Способность реагировать на изменяющиеся условия внешней среды является обязательным условием выживания любого организма, и лежит в основе регуляции им своих биологических процессов. Такая способность известна как раздражимость.

Раздражимость - представляет собой универсальное свойство живых клеток, тканей или целого организма, заключающееся в способности их реагировать на внешние или внутренние воздействия - раздражители, и приспосабливаться, в результате, к изменяющимся условиям среды. Раздражимость проявляется на всех уровнях развития жизни и сопровождается комплексом неспецифических изменений, выражающихся в изменении уровня физиологической активности.

Изучение механизмов лежащих в основе раздражимости, привело к представлению об их электрической природе, которая связана, прежде всего, с процессами, протекающими на плазматических мембранах клеток.

Жидкостно-мозаичная модель биологических мембран

В 1972 г. Джонатан Сингер и Гарт Николсон предложили жидкостно-мозаичную модель, объясняющую в общих чертах организацию биологических мембран. Согласно этой модели, мембраны представляют собой двумерные растворы определенным образом ориентированных глобулярных белков и липидов. В пользу предложенной модели свидетельствует большое количество экспериментальных данных. Основные положения жидкостно-мозаичной модели сводятся к следующему.

Большая часть мембранных фосфолипидов и гликолипидов представлена в виде бислоя. Липидный бислой играет двоякую роль, будучи одновременно растворителем для интегральных белков мембраны и барьером проницаемости. Небольшая часть мембранных липидов специфически связана с определенными мембранными белками и, вероятно, необходима для их функционирования.


Мембранные белки свободно диффундируют в липидном матриксе в латеральном направлении, но не могут перемещаться в поперечном направлении, т.е. от одной поверхности мембраны к другой.

Многие важные функции мембран выполняются специфическими белками. Белки выполняют роль насосов, каналов, рецепторов, ферментов и преобразователей энергии. Белки мембран встроены (интеркалированы) в липидный бислой, что создает пригодную для проявления их активности среду.

Помимо барьерной, плазматическая мембрана выполняет важную транспортную функцию. Перенос веществ через плазматическую мембрану это процесс, имеющий фундаментальное значение для всех живых клеток, в том числе и для обеспечения их электрической активности. Механизмы, с помощью которых молекулы и ионы могут проходить сквозь гидрофобную, плазматическую мембрану, можно подразделить на два типа: пассивный транспорт (диффузия, облегченная диффузия), когда перенос вещества осуществляется без затрат внешней энергии, и активный транспорт, требующий притока внешней энергии для переноса молекулы или иона через мембрану.


Основную роль в возникновении и поддержании электрических состояний мембраны играют следующие ее транспортные системы: активного транспорта - АТФ-азы и прежде всего Na+\K+ - АТФ-аза, и пассивного транспорта - ионные каналы.

Ионные каналы - надмолекулярные системы мембран клетки и ее органоидов, имеющие липопротеидную природу и обеспечивающие избирательное прохождение различных ионов сквозь мембрану в соответствии с разностью их электрохимического градиента по обе стороны мембраны. Наиболее распространены каналы для ионов Na+, К+, Са2+, Сl-.

Наличие ионных каналов впервые было доказано для мембран нервной ткани. Структурно канал представляет собой, как бы, «пору» - транспортный белок, способный пропускать ионы через мембрану с огромной скоростью. Через один ионный канал может проходить 107- 108 ионов в секунду. Количество каналов на единицу площади мембраны так же очень велико, поэтому суммарный заряд переносимых ионов может быть относительно большим. Движение зараженных ионов, создает ток, текущий через плазматическую мембрану клетки. Изменение величины и направления этого тока, приводящее к изменению заряда самой плазматической мембраны и воспринимается клеткой как изменение окружающей среды. Этот процесс и лежит в основе электрической природы раздражимости.


Каналы обладают исключительной избирательностью, то есть, способны пропускать только определенный ион (или ионы), что определяется геометрическими параметрами «поры» и химической природой групп, выстилающих внутренние стенки канала и его устье (т.н. «селективные фильтры»).

Активность канала регулируется его воротным механизмом - белковым комплексом расположенным на его внутренней стороне. В покое «ворота» закрыты, а под действием раздражителя достаточной силы воротный механизм на тысячные доли секунды открывает или закрывает канал и таким образом регулирует поступление ионов внутрь или наружу клетки.

Состояние воротного механизма определяет три состояния любого канала: «открытый», «закрытый», и «инактивированный» (для К+ - канала только «открытый» и «закрытый»). «Инактивированный» канал в отличие от «закрытого» не может быть открыт.

Следует добавить, что существуют, так называемые, электро- и хемоуправляемые ионные каналы. Тип канала зависит от природы стимула к которому чувствителен воротный механизм. По современным представлениям, большинство каналов имеет смешанное регулирование: от заряда мембраны зависит вероятность открытия, а от химического регулятора - время нахождения в открытом состоянии.

Движение ионов через ионные каналы происходит пассивно, за счет их химического градиента. Поддержание же химического градиента обеспечивается структурами активного транспорта.

Одна из наиболее изученных систем активного транспорта - натрий-калиевая АТР-аза (натрий-калиевый насос) которая за счет энергии АТФ осуществляет активный перенос ионов Nа+ и К+ через плазматическую мембрану в противоположном направлении: К+ - в клетку, Na+ - из клетки. Результатом деятельности насоса является возникновение и поддержание мембранного потенциала или потенциала покоя клетки.

Потенциал покоя (ПП), мембранный потенциал - разность потенциалов, существующая у живых клеток в состоянии физиологического покоя, между их цитоплазмой и внеклеточной жидкостью.


Ионные основы возникновения потенциала покоя. В основе потенциала покоя лежит неравномерное распределение различных ионов (прежде всего К+) между вне- и внутриклеточным пространством, создаваемое непрерывной работой Na++ - АТФ-азы. Закачивая в клетку ионы К+, и удаляя из клетки ионы Na+, (в соотношении 3К+/2Na+), она создает мощнейший химический градиент этих ионов (10-15 раз) между вне- и внутриклеточным пространствами. Сам по себе, этот градиент не приводит к возникновению существенного заряда на мембране, т.к. заряд переносимых ионов одинаков, а электрогенность самой АТФ-азы невелика. Однако, возникающий градиент концентрации калия столь велик, что диффузия этого иона из клетки становится достаточно значимой, кроме того, часть его «стравливается» через неспособные к инактивации К+ - каналы. Вынос дополнительного, положительного заряда наружу приводит к тому, что, наружная сторона плазматической мембраны заряжается положительно относительно своей внутренней стороны, т.е. возникает потенциал. Поле, создаваемое избытком положительных ионов снаружи клетки формирует электрический градиент, который препятствует неограниченному выходу ионов К+ из клетки. Таким образом возникает динамическое равновесие способствующее непрерывному поддержанию определенной величины потенциала покоя.

Любая живая клетка поддерживает на мембране определенной величины потенциал. Его величина колеблется в значительных пределах, у нервных и мышечных клеток его величина составляет обычно 60 - 90 мВ, у других тканей не превышает 10 мВ. Различные внешние воздействия, способные изменяющие ионную проницаемость мембраны (то есть повлиять на воротный механизм канала), вызывают изменения величины ПП. Его уменьшение называется деполяризацией, а увеличение - гиперполяризацией мембраны. Для большинства тканей изменение потенциала происходит плавно – электротонически- и соответствует изменению силы и времени действия внешнего раздражителя.


Однако, в некоторых тканях (нервной, мышечной, железистой) под действием раздражителя, происходит быстрое, активное изменение потенциала покоя -потенциал действия. Потенциал действия лежит в основе процесса возбуждения.

Возбуждение - в физиологии активный физиологический процесс, которым некоторые живые клетки (нервные, мышечные, железистые) отвечают на внешнее воздействие. В естественных условиях возникновению возбуждения предшествуют процессы, протекающие на плазматической мембране клетки и преобразующие внешнее раздражение в электрический импульс.

Протекание процесса возбуждения связано с развитием в клетках сложных структурных и биохимических изменений приводящих к нарушению ионного равновесия (потенциала покоя) между цитоплазмой и средой, окружающей клетку. Такое изменение получило название - потенциал действия.

Потенциал действия (ПД), - быстрое колебание (спайк) мембранного потенциала, возникающее при возбуждении нервных, мышечных, некоторых железистых и растительных клеток; электрический сигнал, обеспечивающий быструю передачу информации в организме.


Ионные основы возникновения потенциала действия. В основе потенциала действия лежит изменение проницаемости плазматической мембраны для ионов Na+, приводящее к нарушению (изменению) распределения этого иона между вне- и внутриклеточным пространством. Это изменение проницаемости вызывается действием раздражителя.

Раздражитель действует на систему Na+ - каналов клетки увеличивая их проницаемость. Поступающие в клетку ионы начинают уменьшать величину потенциала покоя клетки - деполяризуют мембрану. Когда величина деполяризации достигнет критической величины - порога - процесс становится необратимым. При этом воротный механизм Nа+ канала открывается и входящие по градиенту ионы Na+ деполяризует мембрану полностью. Величина деполяризации мембраны может составлять 30-50 мВ.


Это состояние автоматического прогрессирующего нарушения мембранного заряда и есть суть возбуждения. Возбуждение пропорционально величине деполяризации , т.е. количеству входящих в клетку ионов, а величина деполяризации характеризуется амплитудой ПД и зависит от силы раздражителя.

Длительная деполяризация мембраны ведет к инактивации натриевых каналов и прекращению входа Na+. Недостаток положительно заряженных ионов (Na+) снаружи мембраны нарушает электрохимическое равновесие - потенциал покоя, что приводит к повышению калиевой проницаемости. Выход ионов калия наружу через неинактивируемые К+ каналы продолжается до восстановления электрохимического градиента т.е. потенциала покоя. Это фаза процесса возбуждения называется фазой реполяризацией.

Окончание процесса возбуждения и переход клетки в состояние физиологического покоя сопровождается активацией натрий-калиевого насоса перекачивающего ионы Nа+ из клетки, а ионы К+ - внутрь ее. В клетке восстанавливается способность к следующему акту возбуждения.

Биологическая роль электрических процессов, протекающих на плазматических мембранах как возбудимых так и не возбудимых клеток, заключается, прежде всего, в поддержании механизмов обеспечивающих возможность активного реагирование клеток на изменения окружающей среды. Эти механизмы лежат в основе процессов восприятия, а, так же, всех форм ответных реакций организма, от элементарных физиологических реакций до сложных форм поведения.


Основные правила организации физиологического эксперимента.

Физиология - наука экспериментальная, основным методом познания механизмов и закономерностей в ней является эксперимент, позволяющий не только ответить на вопрос , что происходит в организме, но и выяснить также, как и почему происходит тот или иной физиологический процесс, как он возникает, какими механизмами поддерживается и управляется. Развитие физиологической науки как науки экспериментальной всегда было связано с успехами физики, электроники, техники. Их бурное развитие в последние десятилетия обеспечило возможность совершенствования физиологических методов исследования.


Успешное выполнение практикума требует, прежде всего, знаний технологии эксперимента.


Основная, наиболее употребительная аппаратура. Используемые аппараты и приборы можно разделить на две группы: стимулирующая и регистрирующая аппаратура. Стимулирующие приборы используются в качестве раздражителя, имитирующего внешний стимул, регистрирующие - в качестве регистраторов ответных реакций организма или препарата.

Стимулирующая аппаратура. В учебных и научных лабораториях широкое применение в настоящее время получили электростимуляторы. Электростимулятор чаще всего применяется для нанесения ритмического раздражения. Преимущество этого прибора заключается в том, что он позволяет более тонко и точно дозировать и широко варьировать силу, частоту и длительность раздражения, а также наносить одиночный стимул. Существует достаточно большое количество стимуляторов используемых в экспериментальной электрофизиологии. Электростимуляторы используемые в лабораторном практикуме, по возможности, должны отвечать следующим требованиям:


  1. Электростимулятор генерирует импульсы прямоугольной формы.

  2. Электростимулятор позволяет максимально варьировать частоту импульсов (1-1000 Гц), регулировка дискретная.

  3. Электростимулятор позволяет изменять длительность импульсов (от 0,05 до 3 с), регулировка дискретная.

  4. Электростимулятор позволяет изменять амплитуду импульсов (от 0 до 15 В), регулировка дискретная. Минимальный ток в нагрузке при амплитуде 150 В равен 30 мА. На выходе имеется делитель напряжения 1:1, 1:10, 1:100.

  5. Прибор позволяет посылать к объекту разовый стимул.
  6. Прибор имеет выходной изолирующий трансформатор с коэффициентом трансформации 1:10. Трансформатор обеспечивает "развязку" цепей стимулятора и объекта. При максимальной амплитуде трансформатор пропускает без искажения импульсы длительностью до 3 мс В трансформатор включаются раздражающие электроды.


  7. Питание прибора осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В, частотой 50 Гц. Перед включением стимулятора в сеть его необходимо заземлить.


Подготовка прибора к работе. Проверьте правильность положения тумблеров (все должны быть в позиции «выкл.» и их исправность. Включите вилку шнура в сеть переменного тока напряжением 220 В. Тумблер включения сети на передней панели поставьте в положение «вкл.». После 5-минутного прогрева прибор обеспечивает точность указанных параметров.

Порядок работы. Стимулятор включается в работу следующим образом:

  1. Поставьте тумблер запуска в нужное положение.

  2. Подключите изолирующий трансформатор к выходным клеммам прибора, при этом один конец должен быть присоединен к клемме с обозначением "земля".

  3. Присоедините раздражающие электроды к клеммам трансформатора.

  4. Установите нужные для работы параметры стимуляции (длительность, амплитуда, частота).

  5. В нужный момент подавайте напряжение на электроды,

Связующим звеном между источником стимула и объектом исследования служат электроды. Они могут быть стимулирующими (если связаны со стимулятором) и отводящими (если связаны с регистратором).


Регистрирующая аппаратура. В подавляющем большинстве учебных экспериментов запись ответных реакций препарата осуществляется с помощью кимографа.

Кимограф состоит из станины, в которой закреплен насаженный на ось и покрытый бумагой цилиндр, или барабан. Бумага может быть закопченной (при механической записи), глянцевой (при чернильной записи) или специальной (при тепловой записи). Барабан приводится в движение часовым механизмом или электромотором при помощи фрикционной передачи. Скорость вращения барабана можно изменять. Писчик миографа присоединяют к бумаге, покрывающей барабан. Писчик вычерчивает кривую, соответствующую ответной реакции исследуемого органа.


Миограф, с помощью которого записывают ответную реакцию на барабане кимографа, может быть прямым и угловым. Прямой миограф, как правило, применяют для записи сокращений мышцы нервно-мышечного препарата. Он представляет собой подвижно укрепленный на горизонтальной оси рычаг с писчиком на конце. Такой миограф фиксируется на штативе, и мышца соединяется с ним под прямым углом.

Угловой миограф используют для записи сокращений мышц в тех случаях, когда опыт проводят на цельной лягушке и препарат закрепляют на пластинке. Угловой миограф представляет собой рычаг, одно плечо которого загнуто вверх. Вертикальная часть этого рычага при помощи нитки соединяется с мышцей. На конце другого (длинного) плеча рычага находится писчик, регистрирующий на кимографе сокращение мышцы.

В качестве электронного стимулятора, позволяющего еще и параллельно обрабатывать результат, в настоящее время используется осциллограф или персональный компьютер

Растворы необходимые для поддержания жизнедеятельности препарата.

Для сохранения жизнедеятельности препарата применяют изотонический раствор хлорида натрия (0,65%-ный раствор для холоднокровных, 0,9%-ный - для теплокровных). Такие растворы называют физиологическими. Для длительного поддержания жизнедеятельности препарата раствор должен содержать не только хлорид натрия в определенной концентрации, но и другие вещества (например, соли калия, кальция и др.). Эти растворы названы именами ученых, предложивших данный раствор (главным образом, на основании опытов на изолированных органах). Ниже приводится состав наиболее употребительных в физиологическом эксперименте растворов для холоднокровных и теплокровных животных.


Инструменты для препарирования.

Для выполнения работ, приведенных в практикуме, можно обойтись следующим набором инструментов. Ножницы большие с прямыми концами, один из которых острый,. нотницы маленькие (глазные) для тонкой препаровки, необходимые при выполнении большинства работ по физиологии нервной системы и физиологии кровообращения. Пинцеты: анатомический, глазной. Препаровальная игла. Булавки (главным образом, для прикрепления лягушки к пластинке).Скальпель необходим только для некоторых работ, например для вскрытия глаза, для операции к опыту Сеченовского торможения. Нитки. Гальванический пинцет. Различные зажимы и канюли .



следующая страница >>