Соотношение структуры и функции

Структура и ее функция оказывают взаимное влияние друг на друга. С одной стороны, чем совершеннее структура и выше сте­пень ее надежности, тем выше ее функциональные возможности. С другой стороны, чем больше функциональная нагрузка на ор­ган, систему или организм в целом, тем структура их совершеннее. Таким образом, функция обеспечивает развитие и совершенство­вание структуры в фило- и онтогенезе.

А. Развитие структуры в филогенезе происходило с увеличением предъявляемой нагрузки к органу или системе. Первая попытка соз­дания целостной эволюционной теории принадлежит французско­му естествоиспытателю Ж.Ламарку, изложившему в «Философии зоологии» (1809) представления о движущих силах эволюции. Со­гласно первому «закону» Ламарка, упражнения органов приводят к прогрессивному их развитию, а неупражнения - к редукции. Данное положение подтверждено эволюционным развитием органов и ор­ганизма, хотя мнение Ж.Ламарка об эволюционном развитии ви­дов основано на ошибочном представлении о том, что природе свойственно стремление к совершенствованию. Тем не менее идея о развитии структуры в процессе ее интенсивного функционирования и вывод, что благоприятные свойства организма передаются понаследству (второй «закон» Ламарка), являются обоснованными. Фундаментальное обоснование эволюции видов, как известно, сде­лал Ч.Дарвин в своем труде «Происхождение видов путем естест­венного отбора...» (1859), но это другая, более широкая проблема.

В качестве примера влияния деятельности органов и организма в целом на их структуру приведем морфологические особенности крота. Ушные раковины у него отсутствуют, когти длинные, уп­лощенные, мех короткий, почти лишенный ворса, зрение слабое, у некоторых глаза покрыты кожей (почти нет глаз), однако обоня­ние и осязание развиты хорошо. Все это - приспособления к под­земному роющему образу жизни.

Бурное развитие коры большого мозга млекопитающих связа­но с усложнением различных форм поведения, особенно индиви­дуальных приспособительных поведенческих реакций. У прима­тов и человека наибольшего развития достигает лобная (премоторная) область, что объясняется весьма активной высшей нервной деятельностью (ВНД).

Развитие ЦНС связано со степенью как активности ВНД, так и двигательной активности. В частности, степень совершенства ВНД зайца значительно превосходит таковую лабораторного или домашнего кролика, хотя эти животные относятся к одному и то­му же отряду зайцеобразных. Это объясняется условиями жизни: зайцу постоянно приходится бороться за выживание - спасаться от хищников. Заяц - хитроумный зверек; например, он ориги­нально маскирует свой след с помощью мощного прыжка в сто­рону от направления своего движения.

ЦНС управляет деятельностью скелетной мускулатуры и обес­печивает ее прогрессирующее развитие, при этом развивается и са­ма ЦНС. Важную роль в этом играет поступающая от мышц аффе­рентная импульсация, активирующая вставочные нейроны и мото­нейроны. Так, в процессе эволюции сформировалось два утолще­ния: шейное (сегменты, иинсрвирующие верхние конечности) и по­ясничное (сегменты, иннервирующие нижние конечности) - как ре­зультат повышенной нагрузки на эти отделы спинного мозга. У не­которых видов животных подобных утолщений нет: например, у змеи, которая передвигается благодаря равномерному участию в процессе движения всей мускулатуры тела. Тренировка любого ор­гана обеспечивает прогрессивное его развитие не только в фило-. но и в онтогенезе, естественно, при этом совершенствуется и функ­ция. Орган, который не получает достаточной нагрузки, постепен­но атрофируется. В указанных утолщениях спинного мозга сомати­ческие нейроны наиболее крупные, их больше, в каждом корешке этих сегментов больше нервных волокон, они имеют наибольшую толщину.

Очень слабо развит спинной мозг, средние его отделы, у чере­пахи, так как мускулатура туловища у нее практически отсутству­ет. Однако у черепахи имеются шейно-грудное и пояснично-крестцовое утолщения как результат наибольшей активности этих отделов спинного мозга по управлению работой передних и зад­них конечностей.

Б. Существенные приспособительные структурные изменения в органах и системах наблюдаются и в онтогенезе, в процессе актив­ной деятельности.Напротив, бездеятельность какого-либо органа ведет к увяданию его структуры и функции. Так, известно, что лошади, которых использовали в угольных шахтах для транспор­тировки угля, постепенно слепли. Отсутствие физических нагру­зок ведет к атрофии 'мышечной ткани у человека, недостаточная умственная работа - к снижению разрешающей возможности моз­га. Сочетание умственной и физической нагрузок способствует гармоничному развитию личности, является профилактикой забо­леваний и способствует продлению жизни!

Рассмотрим механизм развития структур в условиях адаптации к повышенной физической нагрузке и к гипоксии (пониженное поступление кислорода в организм).

1. Адаптация к физической нагрузке. Развитие живых организ­мов неразрывно связано с действием земного притяжения, благо­даря которому у высокоорганизованных живых существ сформи­ровался в процессе эволюции мощный мышечный аппарат. Мы­шечная система не только обеспечивает локомоторные функции, но и оказывает стимулирующее воздействие практически на все важнейшие системы организма, играет важную роль в процессах терморегуляции.

В процессе адаптации к физической нагрузке развивается ги­пертрофия скелетной мускулатуры,увеличиваются число ядер и миофибрилл в мышечных волокнах, содержание миоглобина и объем митохондрий. В основе этого феномена лежит активация синтеза мышечных белков. Увеличение функции на единицу массы ткани вызывает изменение активности генетического ап­парата: увеличивается количество информационной РНК, что приводит к повышению числа рибосом и полисом, в которых происходит синтез белка. В результате объем структуры органа приходит в соответствие с объемом функции и организм в целом становится адаптированным к нагрузке данной величины. В ми­тохондриях мышечных клеток увеличивается использование пирувата, что предотвращает повышение содержания лактата в крови и обеспечивает мобилизацию и использование жирных кислот. Вследствие этого улучшается энергетическое обеспече­ние механической деятельности скелетных мышц и осуществ-лается профилактика преждевременного развития атероскле­роза.

В результате физической тренировки увеличиваются толщина моторных нервных волокон, количество терминальных нервных ветвей. При физической нагрузке возрастает синтез белков не только в мышцах, но и в других органах. Однако если человек проводит усиленную тренировку в объеме, значительно превы­шающем физиологический, то гипертрофия мышечных волокон возрастает в такой степени, что кровоснабжение их становится не­достаточным. Это приводит к обратному результату: сила мышеч­ных сокращений ослабевает (возможно при занятиях культуриз­мом). Показателем чрезмерной физической нагрузки (перетре­нированность спортсмена) может быть уменьшение концентра­ции гемоглобина в крови, в таком случае нагрузку следует уменьшить.

В целом хорошо дозируемые нагрузки способствуют повыше­нию не только специфической устойчивости к физической работе, но и резистентное™ к действию других факторов, поскольку тре­нируются одновременно сердечно-сосудистая и дыхательная сис­темы, а также система крови, все регуляторные механизмы, в том числе ЦНС. Физические упражнения одновременно тренируют организм к недостатку кислорода: в частности, улучшается утили­зация кислорода, более эффективно работают ферментные систе­мы. Как отмечал И.П.Павлов, физические тренировки в сочета­нии с активной умственной работой обеспечивают экономное расходование энергии, улучшают координационную деятельность ЦНС. Двигательная активность дает удовлетворенность от об­щения с природой, «мышечную радость», способствует гармонич­ному развитию личности.

Под влиянием тренировок в условиях кислородного голодания увеличиваются количество капилляров в головном мозге (больше всего в коре лобной доли), их длина и плотность капиллярной се­ти. Физические упражнения делают организм более устойчивым к заболеваниям. Так, западногерманский врач-онколог Э. ван Аа-кен наблюдал 500 пожилых бегунов и 500 небегающих людей того же возраста в течение 6 лет. За это время среди небегающих забо­лели раком 29 человек, а среди бегунов только 4.

Умеренная физическая нагрузка является фактором нормализа­ции динамики циркадианных биологических ритмов. Таким обра­зом, самой лучшей профилактикой негативных влияний всех соци­альных и геофизических факторов являются физический труд, сис­тематические занятия физкультурой и спорт без перегрузок.

2. Адаптация к гипоксии. Недостаток кислорода - один из часто встречающихся факторов внешней среды, к которому организму

приходится адаптироваться. Гипоксия сопровождает очень мно­гие физиологические и патологические процессы: подъем в горы, интенсивную мышечную нагрузку, патологические процессы в системе крови, дыхания, недостаточность сердца.

Один из вариантов формирования адаптивной функциональной системы к гипоксии - подъем на высоту. В частности, при длитель­ном пребывании в горах формируются следующие адаптивные ме­ханизмы: увеличиваются эритропоэз, количество гемоглобина в эритроцитах, деятельность сердца, вентиляция легких, наблюдается ускорение диссоциации оксигемоглобина, повышается плотность кровеносных капилляров в тканях, увеличиваются их длина и изви­листость, повышается устойчивость клеток (особенно нервных) к гипоксии. Все это повышает устойчивость организма к недостатку кислорода в атмосферном воздухе.

Следует, однако, заметить, что увеличение интенсивности ды­хания при гипоксии незначительно и наблюдается только при вы­раженных степенях кислородного голодания: углубление и уча­щение дыхания - гиперцноэ - возникают при Ро₂ менее 80 мм рт. ст. Объясняется это тем, что в результате первоначального усиления дыхания вследствие дыхания воздухом с пониженным содержани­ем кислорода в организме развивается гипокапния, которая сдер­живает увеличение легочной вентиляции. Только через 1-2 нед пребывания в условиях гипоксии существенно увеличивается ле-ючная вентиляция вследствие повышения чувствительности ды­хательного центра к углекислому газу.

Содержание гемоглобина в крови при гипоксии возрастает зна­чительно: снижение атмосферного давления на каждые 100 мм рт. ст. (это соответствует высоте примерно 1200 м) вызывает увели­чение уровня гемоглобина на 10%. При недостатке кислорода в клетках возрастает количество митохондрий и увеличивается содержание ферментов дыхательной цепи, что позволяет интен­сифицировать процессы использования энергии организмом.

Систематическое дозированное применение гипоксии, в част­ности в виде тренировочного пребывания человека на высоте около 2,0-2,5 км., а для спортсменов - в сочетании с умеренной физической нагрузкой, повышает специфическую и неспецифическую резистентность организма, а также, по-видимому, может продлить жизнь человека, о чем свидетельствует наличие большого числа долгожителей среди горцев. Для горцев характерны уме­ренная брадикардия (частота сердечных сокращений может не изменяться), гипотония, замедление кровотока, повышение ве­нозного давления, увеличение вентиляции легких, эритроцитоз. Если на высоте находится человек, ранее не адаптировавшийся к гипоксии, то относительная стабилизация физиологических показателей начинается после трехнедельного пребывания его в горах (на высоте 3-4 км).

Наибольшая высота в горах, на которой живут люди, - по-видимому, 5300 м (в Андах). Достаточно хорошо изучены показа­тели деятельности органов и систем организма на высоте 4540 м в г. Морокоча в Андах. Некоторые из этих показателей в сравни­тельном аспекте с показателями жителей низменной долины (Лима) приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2. Показатели крови, дыхания и кровообращения у житнлелей высокогорного селенияи города, расположенного на низменности (ио А.МигсасЬ, 1964) При длительной тренировке в условиях умеренной гипоксии по­вышается резистентность организма к комплексу экстремальных факторов: острой гипоксии, большим физическим нагрузкам, вы­сокой температуре окружающей среды, ускорении. Изменения в ор-

ганизме похожи на те, которые развиваются при физических на­грузках.

Таким образом, систематическое воздействие на организм раз­личных умеренных стрессоров: физическая нагрузка, умеренные гипоксия и гиперкапния. повышенная и пониженная температура, умеренное эмоциональное напряжение, накопление информации и опыта - обеспечивает формирование различных адаптационных функциональных систем и гармоничное развитие личности.

Глава 2