Сенситивные и критические периоды развития
Адаптивный характер развития организма определяет необходимость учета в возрастной периодизации не только особенностей морфофункционального развития физиологических систем организма, но и их специфической чувствительности к различным внешним воздействиям. Физиологическими и психологическими исследованиями показано, что чувствительность к внешним воздействиям носит избирательный характер на разных этапах онтогенеза. Это легло в основу представления о сенситивных периодах как периодах наибольшей чувствительности к воздействию факторов среды.
Выявление и учет сенситивных периодов развития функций организма является непременным условием создания благоприятных адекватных условий эффективного обучения и сохранения здоровья ребенка. Высокая подверженность определенных функций влиянию факторов среды должна быть, с одной стороны, использована для эффективного целенаправленного воздействия на эти функции, способствующего их прогрессивному развитию, а с другой стороны, влияние негативных внешнесредовых факторов должно контролироваться, ибо может привести к нарушению развития организма.
Следует подчеркнуть, что онтогенетическое развитие сочетает периоды эволюционного (постепенного) морфофункционального созревания и периоды революционных, переломных скачков развития, которые могут быть связаны как с внутренними (биологическими), так и с внешними (социальными) факторами развития.
Важным и требующим специального внимания является вопрос о критических периодах развития. В эволюционной биологии принято считать критическим периодом этап раннего постнатального развития, характеризующийся интенсивностью морфофункционального созревания, когда из-за отсутствия средовых воздействий функция может не сформироваться. Например, при отсутствии определенных зрительных стимулов в раннем онтогенезе восприятие их в дальнейшем не формируется, то же относится к речевой функции.
В процессе дальнейшего развития критические периоды могут возникать как результат резкой смены социально-средовых факторов и их взаимодействия с процессом внутреннего морфофункционального развития. Таким периодом является возраст начала обучения, когда качественные перестройки морфофункционального созревания базовых мозговых процессов приходятся на период резкой смены социальных условий.
Пубертатный период — начало полового созревания — характеризуется резким повышением активности центрального звена эндокринной системы (гипоталамуса), что приводит к резкому же изменению взаимодействия подкорковых структур и коры больших полушарий, результатом чего является значительное снижение эффективности центральных регуляторных механизмов, в том числе определяющих произвольную регуляцию и саморегуляцию. Кроме того, повышаются социальные требования к подросткам, возрастает их самооценка. Это приводит к несоответствию социально-психологических факторов и функциональных возможностей организма, следствием чего могут явиться отклонения в здоровье и поведенческая дезадаптация.
Таким образом, можно полагать, что критические периоды развития обусловлены как интенсивным морфофункциональным преобразованием основных физиологических систем и целостного организма, так и спецификой усложняющегося взаимодействия внутренних (биологических) и социально-психологических факторов развития.
При рассмотрении вопросов возрастной периодизации необходимо иметь в виду, что границы этапов развития весьма условны. Они зависят от конкретных этнических, климатических, социальных и других факторов. Кроме того, «актуальный» физиологический возраст часто не совпадает с календарным (паспортным) в связи с различиями темпов созревания и условий развития организмов разных людей. Отсюда следует, что при изучении функциональных и адаптивных возможностей детей разного возраста необходимо обращать внимание на оценку индивидуальных показателей зрелости. Только при сочетании возрастного и индивидуального подхода к изучению особенностей функционирования ребенка можно разработать адекватные гигиенические и педагогические меры, обеспечивающие сохранение здоровья и прогрессивное развитие организма и личности ребенка.
Вопросы и задания
1. Расскажите о системном принципе организации адаптивного реагирования.
2. Каковы закономерности онтогенетического развития? Что такое возрастная норма?
3. Что представляет собой возрастная периодизация?
4. Расскажите о сенситивном и критическом периодах развития.
Глава 3. ОБЩИЙ ПЛАН СТРОЕНИЯ ОРГАНИЗМА
Прежде чем приступить к изучению важнейших закономерностей возрастного развития организма, необходимо уяснить, что же представляет собой организм, какие принципы заложены Природой в его генеральную конструкцию и как он взаимодействует с окружающим миром.
Уже почти 300 лет назад было доказано, что все живое состоит из клеток. Из нескольких миллиардов мельчайших клеток состоит и организм человека. Эти клетки далеко не одинаковы по своему виду, по своим свойствам и функциям. Сходные между собой клетки объединяются в ткани. Видов ткани в организме множество, однако все они относятся всего лишь к 4 типам: эпителиальной, соединительной, мышечной и нервной. Эпителиальные ткани образуют кожу и слизистые оболочки, многие внутренние органы — печень, селезенку и др. В эпителиальных тканях клетки расположены тесно друг к другу. Соединительная ткань отличается очень большими межклеточными промежутками. Так устроены кости, хрящи, так же устроена кровь — все это разновидности соединительной ткани. Мышечная и нервная ткани относятся к возбудимым: они способны воспринимать и проводить импульс возбуждения. При этом для нервной ткани это — главная функция, тогда как мышечные клетки умеют еще сокращаться, значительно изменяясь в размере. Эта механическая работа может быть передана костям или жидкостям, находящимся внутри мышечных мешков.
Ткани в различных сочетаниях образуют анатомические органы. Каждый орган состоит из нескольких тканей, причем практически всегда наряду с основной, функциональной тканью, которая определяет специфику органа, там имеются элементы нервной ткани, эпителий и соединительная ткань. Мышечная ткань может быть и не представлена в органе (например, в почках, селезенке и др.).
Анатомические органы складываются в анатомо-физиологические системы, которые объединяются единством главной выполняемой ими функции. Так формируются скелетно-мышечная, нервная, покровная, выделительная, пищеварительная, дыхательная, сердечно-сосудистая, половая, эндокринная системы и кровь. Все эти системы вместе и составляют организм человека.
Элементарной единицей живого является клетка. Генетический аппарат сконцентрирован в клеточном ядре, т.е. локализован и защищен от неожиданностей воздействия потенциально агрессивной среды. Каждая клетка обособлена от всего остального мира благодаря наличию сложно организованной оболочки — мембраны. Эта оболочка состоит из трех слоев химически и функционально различных молекул, которые, действуя согласованно, обеспечивают выполнение множества функций: защитной, контактной, чувствительной, поглощающей и выделяющей. Главная работа клеточной мембраны — организация потоков вещества из окружающей среды внутрь клетки, а из клетки — наружу. Клеточная мембрана — основа всей жизнедеятельности клетки, которая при разрушении мембраны гибнет. Любая клетка нуждается в пище и энергии для своей жизнедеятельности — ведь и функционирование клеточной мембраны также во многом сопряжено с расходованием энергии. Для организации энергетического потока через клетку в ней существуют специальные органеллы, отвечающие за выработку энергии — митохондрии. Считается, что миллиарды лет назад митохондрии были самостоятельными живыми организмами, научившимися в ходе эволюции использовать некоторые химические процессы для выработки энергии. Затем они вступили в симбиоз с другими одноклеточными организмами, которые благодаря этому сожительству получили надежный источник энергии, а предки митохондрий — надежную защиту и гарантию воспроизводства.
Строительную функцию в клетке выполняют рибосомы — фабрики по производству белка на основе матриц, скопированных с генетического материала, хранящегося в ядре. Действуя посредством химических стимулов, ядро управляет всеми сторонами жизни клетки. Передача информации внутри клетки осуществляется благодаря тому, что она заполнена желеобразной массой — цитоплазмой, в которой протекают многие биохимические реакции, а вещества, имеющие информационное значение, способны легко проникать в самые дальние уголки внутриклеточного пространства благодаря диффузии.
Многие клетки имеют, кроме того, то или иное приспособление для движения в окружающем пространстве. Это может быть жгутик (как у сперматозоида), ворсинки (как у кишечного эпителия) или способность к переливанию цитоплазмы в форме псевдоподий (как у лимфоцитов).
Таким образом, важнейшими конструктивными элементами клетки являются ее оболочка (мембрана), орган управления (ядро), система энергообеспечения (митохондрия), строительный блок (рибосома), движитель (реснички, псевдоподии, или жгутик) и внутренняя среда (цитоплазма). Некоторые одноклеточные организмы обладают также внушительным кальцинированным скелетом, защищающим их от врагов и случайностей.
Удивительно, но ведь и организм человека, состоящий из многих миллиардов клеток, имеет, по сути, те же важнейшие конструктивные блоки. Человек отделен от окружающей среды своей кожной оболочкой. У него есть движитель (мышцы), скелет, органы управления (головной и спинной мозг и эндокринная система), система энергообеспечения (дыхание и кровообращение), блок первичной обработки пищи (желудочно-кишечный тракт), а также внутренняя среда (кровь, лимфа, межклеточная жидкость). Эта схема не исчерпывает всех конструктивных компонентов организма человека, но позволяет заключить, что любое живое существо построено по принципиально единому плану.
Разумеется, многоклеточный организм обладает целым рядом особенностей и, по-видимому, преимуществ — иначе бы процесс эволюции не был направлен в сторону появления многоклеточных организмов и мир до сих пор был бы населен исключительно теми, кого мы называем «простейшими».
Основное конструктивное различие между одноклеточным и многоклеточным организмом состоит в том, что органы многоклеточного организма построены из миллионов отдельных клеток, которые по принципу подобия и функциональному родству объединяются в ткани, тогда как органеллы одноклеточного представляют собой элементы одной единственной клетки.
В чем же реальное преимущество многоклеточного организма? В возможности разделять функции в пространстве и во времени, а также в специализации отдельных тканевых и клеточных структур для выполнения строго очерченных функций. По сути дела, эти различия сходны с тем, чем различается средневековое натуральное хозяйство и современное индустриальное производство. Клетка, представляющая самостоятельный организм, вынуждена решать все проблемы, встающие перед ней, за счет имеющихся у нее ресурсов. Многоклеточный организм выделяет для решения каждой из функциональных задач особую популяцию клеток или комплекс таких популяций (ткань, орган, функциональную систему), максимально приспособленных для решения именно этой задачи. Ясно, что эффективность решения задач многоклеточным организмом намного выше. Точнее, у многоклеточного организма гораздо больше шансов приспособиться к широкому набору ситуаций, с которыми ему приходится сталкиваться. Отсюда следует и принципиальное различие между клеткой и многоклеточным организмом в стратегии адаптации: первая на любое средовое влияние реагирует целостно и генерализованно, второй способен адаптироваться к условиям жизни за счет перестройки функций только отдельных из своих составляющих частей — тканей и органов.
Важно подчеркнуть, что ткани многоклеточного организма весьма разнообразны и каждая наилучшим образом приспособлена к выполнению небольшого числа функций, необходимых для жизнедеятельности и адаптации всего организма. При этом клетки каждой из тканей умеют в совершенстве осуществлять только одну-единственную функцию, а все многообразие функциональных возможностей организма обеспечивается разнообразием входящих в его состав клеток. Например, нервные клетки способны только вырабатывать и проводить импульс возбуждения, но не умеют изменять свои размеры или осуществлять уничтожение токсических веществ. Мышечные клетки способны проводить импульс возбуждения так же, как и нервные, но при этом они сами сокращаются, обеспечивая передвижение частей тела в пространстве или изменяя напряжение (тонус) структур, состоящих из этих клеток. Печеночные клетки не способны проводить электрические импульсы или сокращаться — зато их биохимическая мощь обеспечивает обезвреживание огромного числа вредных и ядовитых молекул, попадающих в кровь в процессе жизнедеятельности организма. Клетки костного мозга специально предназначены для производства крови и ничем другим заняты быть не могут. Такое «разделение труда» — характерное свойство любой сложно организованной системы, по этим же правилам функционируют и социальные структуры. Это необходимо учитывать при прогнозировании результатов любых реорганизаций: никакая специализированная подсистема не способна изменить характер своего функционирования, если не изменяется ее собственная структура. Возникновение тканей, обладающих качественными особенностями, в процессе онтогенеза — процесс сравнительно медленный, и происходит он не за счет того, что имеющиеся клетки приобретают новые функции: практически всегда новые функции обеспечиваются новыми поколениями клеточных структур, формирующимися под управлением генетического аппарата и под влиянием требований внешней или внутренней среды.
Онтогенез — поразительное явление, в ходе которого одноклеточный организм (зигота) превращается в многоклеточный, сохраняя целостность и жизнеспособность на всех этапах этого замечательного превращения и постепенно наращивая многообразие и надежность выполняемых функций.
Структурно-функциональный и системный подходы к изучению организма
Научная физиология родилась в один день с анатомией — это произошло в середине XVII в., когда великий английский врач Уильям Гарвей получил разрешение церкви и короля и произвел первое после тысячелетнего перерыва вскрытие трупа приговоренного к смерти преступника с целью научного изучения внутреннего строения тела человека. Разумеется, еще древнеегипетские жрецы, бальзамируя тела своих фараонов, прекрасно знали устройство человеческого тела изнутри — но это знание не было научным, оно было эмпирическим, и к тому же — тайным: разглашение любых сведений об этом считалось святотатством и каралось смертью. Великий Аристотель, учитель и наставник Александра Македонского, живший за 3 столетия до нашей эры, очень смутно представлял себе, как устроен организм и как он работает, хотя был энциклопедически образован и знал, кажется, все, что к тому времени накопила европейская цивилизация. Более осведомленными были древнеримские врачи — ученики и последователи Галена (II век н.э.), которые заложили начала описательной анатомии. Огромную славу снискали себе средневековые арабские врачи, но даже величайший из них — Али Абу ибн Сина (в европейской транскрипции — Авиценна, XI в.) — лечил скорее человеческий дух, нежели тело. И вот У. Гарвей при стечении огромного количества народа проводит первое в истории европейской науки исследование устройства тела человека. Но Гарвея более всего интересовало, КАК РАБОТАЕТ организм. С древнейших времен люди знали, что в груди каждого из нас бьется сердце. Врачи во все времена измеряли пульс и по его динамике оценивали состояние здоровья и перспективы борьбы с разнообразными болезнями. До сих пор одним из важнейших приемов диагностики в знаменитой и таинственной тибетской медицине служит длительное непрерывное наблюдение за пульсом больного: врач сидит у его постели и держит руку на пульсе часами, а потом называет диагноз и предписывает лечение. Всем было хорошо известно: остановилось сердце — прекратилась жизнь. Однако традиционная в тот период Галеновская школа не связывала движение крови по сосудам с деятельностью сердца.
Но перед глазами Гарвея — сердце с трубочками-сосудами, наполненными кровью. И Гарвей понимает: сердце — всего лишь мышечный мешок, выполняющий роль насоса, который качает кровь по всему телу, потому что по всему телу разбегаются сосуды, которые становятся все более многочисленными и все более тонкими по мере удаления от насоса. По таким же сосудам кровь возвращается к сердцу, совершая полный оборот и непрерывно притекая ко всем органам, к каждой клеточке, неся с собой питательные вещества. Еще ничего не известно о роли кислорода, не открыт гемоглобин, никак не умеют врачи различать белки, жиры и углеводы — вообще знания химии и физики еще крайне примитивны. Но уже начали развиваться разнообразные технологии, инженерная мысль человечества изобрела множество приспособлений, облегчающих производство или создающих совершенно новые, небывалые раньше технические возможности. Современникам Гарвея становится ясно: в организме работают определенные механизмы, структурную основу которых составляют отдельные органы, причем каждый орган предназначен для выполнения той или иной конкретной функции. Сердце — это насос, качающий кровь по «жилам», точно так же, как те насосы, которые подают воду из равнинных озер в усадьбу на пригорке и питают радующие глаз фонтаны. Легкие — меха, через которые прокачивается воздух, как это делают подмастерья в кузнице, чтобы сильнее раскалить железо и его было легче ковать. Мышцы — канаты, прикрепленные к костям, и их напряжение заставляет эти кости перемещаться, что и обеспечивает движение всего тела, — точно так же, как строители с помощью талей поднимают огромные камни на верхние этажи строящегося храма.
Человеку свойственно всегда сопоставлять новые открытые им явления с уже известными, вошедшими в обиход. Человек всегда строит аналогии, для того чтобы легче понять, объяснить самому себе суть происходящего. Высокий уровень развития механики в эпоху, когда Гарвей проводил свои исследования, неминуемо привел к механической интерпретации многочисленных открытий, сделанных врачами — последователями Гарвея. Так родилась структурно-функциональная физиология с ее лозунгом: один орган — одна функция.
Однако по мере накопления знаний — а это в значительной мере зависело от развития физических и химических наук, поскольку именно они поставляют основные способы для проведения научных исследований в физиологии, — стало ясно, что многие органы выполняют не одну, а несколько функций. Скажем, легкие — не только обеспечивают обмен газами между кровью и окружающей средой, но также участвуют в регуляции температуры тела. Кожа, выполняя в первую очередь функцию защиты, одновременно является и органом терморегуляции и органом выделения. Мышцы способны не только приводить в действие скелетные рычаги, но и за счет своих сокращений согревать притекающую к ним кровь, поддерживая температурный гомеостаз. Примеры такого рода можно приводить без конца. Полифункциональность органов и физиологических систем стала особенно явственной в конце XIX — начале XX в. Любопытно, что в это же время в технике появилось множество разнообразных «универсальных» машин и инструментов, обладающих широким спектром возможностей — порой, в ущерб простоте и надежности. Это — иллюстрация того факта, что техническая мысль человечества и уровень научного понимания организации процессов в живой природе развиваются в теснейшем взаимодействии между собой.
К середине 30-х годов XX в. стало ясно, что даже концепция полифункциональности органов и систем уже не способна объяснить согласованность функций организма в процессе адаптации к изменяющимся условиям или в динамике возрастного развития. Стало складываться новое понимание смысла процессов, происходящих в живом организме, из которого постепенно сформировался системный подход к исследованию физиологических процессов. У истоков этого направления физиологической мысли стояли выдающиеся российские ученые — А.А.Ухтомский, Н.А.Бернштейн и П.К.Анохин.
Наиболее принципиальное различие структурно-функционального и системного подходов состоит в понимании того, что является физиологической функцией. Для структурно-функционального подхода характерно понимание физиологической функции как некоего процесса, осуществляемого определенным (конкретным) набором органов и тканей, меняющим по ходу функционирования свою активность в соответствии с влиянием управляющих структур. В такой интерпретации физиологические механизмы — это те физические и химические процессы, которые лежат в основе физиологической функции и обеспечивают надежность ее выполнения. Физиологический процесс — вот тот объект, который находится в Центре внимания структурно-функционального подхода.
Системный подход базируется на представлении о целесообразности, т.е. под функцией в рамках системного подхода понимают процесс достижения некой цели, результата. На различных этапах этого процесса потребность в вовлечении тех или иных структур может весьма существенно меняться, поэтому констелляция (состав и характер взаимодействия элементов) функциональной системы очень подвижна и соответствует той частной задаче, которая решается в текущий момент. Наличие цели предполагает, что существует некоторая модель состояния системы до и после достижения этой цели, программа действия, а также существует механизм обратной связи, позволяющий системе контролировать свое текущее состояние (промежуточный результат) по сравнению с моделируемым и на этом основании вносить коррективы в программу действия ради достижения конечного результата.
С позиций структурно-функционального подхода окружающая среда выступает как источник стимулов для тех или иных физиологических реакций. Возник стимул — в ответ возникла реакция, которая либо угасает по мере привыкания к стимулу, либо прекращается тогда, когда перестает действовать стимул. В этом смысле структурно-функциональный подход рассматривает организм как закрытую систему, имеющую лишь определенные каналы обмена информацией с окружающей средой.
Системный подход рассматривает организм как открытую систему, целевая функция которой может быть помещена как внутри, так и вне ее. В соответствии с этим взглядом организм реагирует на воздействия внешнего мира как единое целое, перестраивая стратегию и тактику этого реагирования в зависимости от достигаемых результатов каждый раз таким образом, чтобы либо быстрее, либо надежнее достичь модельных целевых результатов. С этой точки зрения реакция на внешний раздражитель угасает тогда, когда сформированная под его воздействием целевая функция оказывается реализованной. Стимул может продолжать действовать либо, напротив, — может прекратить свое действие еще задолго до завершения функциональных перестроек, но раз начавшись, эти перестройки должны пройти весь запрограммированный путь, и реакция закончится только тогда, когда механизмы обратной связи принесут информацию о полной сбалансированности организма со средой на новом уровне функциональной активности. Простой и наглядной иллюстрацией этого положения может служить реакция на любую физическую нагрузку: для ее выполнения активируются мышечные сокращения, что вызывает необходимость соответствующей активации кровообращения и дыхания, и даже когда нагрузка уже завершена — физиологические функции все еще довольно длительное время сохраняют свою повышенную активность, поскольку они обеспечивают выравнивание метаболических состояний и нормализацию гомеостазируемых параметров. Функциональная система, обеспечивающая выполнение физического упражнения, включает в себя не только мышцы и нервные структуры, отдающие мышцам приказ сокращаться, но также и кровеносную систему, дыхательную систему, эндокринные железы и множество других тканей и органов, вовлеченных в этот процесс, связанный с серьезными изменениями внутренней среды организма.
Структурно-функциональный взгляд на сущность физиологических процессов отражал детерминистский, механистически-материалистический подход, который был характерен для всех естественных наук XIX и начала XX в. Вершиной его развития, вероятно, можно считать теорию условных рефлексов И. П. Павлова, с помощью которых великий русский физиолог пытался познать механизмы деятельности мозга теми же приемами, которыми он с успехом исследовал механизмы желудочной секреции.
Системный подход стоит на стохастических, вероятностных позициях и не отвергает телеологических (целесообразностных) подходов, характерных для развития физики и других естественных наук второй половины XX в. Уже говорилось выше, что физиологи одновременно с математиками именно в рамках этого подхода пришли к формулированию наиболее общих кибернетических закономерностей, которым подчиняется все живое. Столь же важны для понимания физиологических процессов на современном уровне представления о термодинамике открытых систем, развитие которых связано с именами выдающихся физиков XX в. Ильи Пригожина, фон Берталанфи и др.