Методи дослідження у віковій фізіології

Вікова фізіологія – наука експериментальна, тобто методичною основою її пізнавальної діяльності є проведення експерименту. Форми фізіологічного експерименту різноманітні і визначаються завданням дослідження. У процесі застосування сучасних фізико-хімічних та біологічних методів дослідження, фізіолог вивчає, з одного боку матеріальну суть фізіологічних процесів, а з другого боку, впливає на організм, або на його окремі органи і системи відомими факторами, дає можливість простежити характер змін функцій, з’ясувати механізм розвитку тих чи інших порушень у живому організмі та знайти засоби для свідомого керування перебігу процесів з метою усунення цих порушень.

Досліди проводяться на експериментальних тваринах різних вікових груп. Експерименти ставляться і на людях на різних етапах вікового розвитку з дотриманням строгих правил збереження їх здоров’я. Під час дослідження будь-якого явища, що відбувається в організмі, насамперед виникає два питання: як змінюється це явище протягом часу та які механізми покладено в основу цих змін. Тому вивчення фізіологічних процесів відбувається шляхом: 1. Вимірювання і графічної реєстрації фізіологічних процесів. Метод графічної реєстрації ознаменував нові етапи фізіології і дав можливість записувати одночасно (синхронно) не один, а декілька фізіологічних процесів. У наш час широко використовується у віковій фізіології реєстрація механічних показників змін процесу в часі, електричних потенціалів м’язів (електроміографія), мозку (електроенцефалографія), серця (електрокардіографія), реєстрація змін величини електричного опору тканин (реографія, реоплетизмографія), внутріклітинне відведення. Важливе місце займають біохімічні методи визначення хімічного складу виділень і рідини, що міститься в організмі або в його клітинах. У дослідженнях використовуються фізичні та хімічні вимірювальні прилади. 2. Пригнічення функцій аж до їх повного виключення. В експериментах на тваринах використовуються методики видалення органу чи його частини (методика видалення або екстирпації), пересадка органів на нове місце (методика трансплантації), переріз нервових шляхів (методика енервації), перев’язка і зшивання різних кровоносних судин (методика накладання лігатур і судинних анастомозів), введення тонких трубок (катетерів), які з’єднують органи з різними приладами для реєстрації їх функцій (методика катетеризації), хімічні впливи з допомогою різноманітних препаратів, фізичні впливи на органи і тканини (методика подразнень). Для вивчення діяльності деяких органів, які знаходяться в середині тіла, застосовують фістульну методику. 3. Стимуляція функцій шляхом впливу на них фізичними та хімічними агентами. Посилення діяльності досягається шляхом електричної або фармакологічної стимуляції. 4. Моделювання фізіологічної функції – як фізіологічний напрям, пов’язаний з розвитком кібернетики. Кібернетика (від грецьк. kybernetike - мистецтво управління) – наука про управління автоматизованими процесами. Засновник кібернетики Норберт Вінер зазначив, що “головні проблеми біології також пов’язані з системами і їх організацією в просторі та часі, тому саморегуляція має велике значення”. Біологічна кібернетика вивчає специфічні для живих істот загальні принципи та конкретні механізми доцільного саморегулювання та активної взаємодії з навколишнім середовищем. Процеси управління, як відомо, здійснюються через сигнали, які несуть певну інформацію. В організмі такими сигналами є нервові імпульси, які мають електричну природу, а також різні хімічні речовини. Моделювання дозволяє виділити певні властивості фізіологічних процесів на основі математичних характеристик і їх закономірностей. При всій своїй спрощеності, кібернетичні моделі фізіологічних функцій виявляють їх передбачувані зв’язки, управління, динаміку і таким чином дають змогу досліджувати фізіологічні явища зі значним наближенням до природних умов.

Особливу роль відіграє вивчення фізіологічних явищ в онтогенезі у різних піддослідних групах тварин, у різних вікових групах людей, коли досліджуються окремі компоненти одного й того ж процесу. Порівняльні характеристики містять, по-перше, не чітко виділенні ознаки, за якими порівнюються конкретні данні того чи іншого явища.

Для дослідження функцій цілісного організму людини на різних етапах вікового розвитку важлива одночасна реєстрація багатьох фізіологічних, фізичних і хімічних процесів, які протікають в різних клітинах, органах і системах. Великим методичним досягненням є застосуванням у фізіологічних дослідженнях радіотелеметрії. Використання фізіологами сучасних досягнень фізики, радіотехніки, електроніки та кібернетики дозволяють їм розробляти нові та удосконалювати старі методи дослідження функцій, це спонукало до досліджень різних явищ в організмі людини без нанесення їй яких-небудь пошкоджень. На основі фізіологічного моделювання розробляється спеціальна апаратура – „штучне серце”, „штучна нирка”, установка для гіпербаричної оксигенації тощо. У той же час хвороба з її „зломами” в організмі є своєрідним експериментом, який дає змогу виявити механізми фізіологічних процесів.

Великого значення набуває статистична обробка результатів дослідження. Для цього використовуються різноманітні математичні методи, які встановлюють достовірність отриманих даних. Такою є оцінка експерименту за показниками варіаційних рядів, вираховування для їх порівняння коефіцієнта Стьюдента, проведення кореляційного аналізу, розрахунок дисперсій за допомогою F- критерію тощо. Математизація досліджень дозволяє використовувати у фізіології комп’ютерну техніку, що не тільки збільшує швидкість обробки інформації, але і дає можливість здійснювати таку ж обробку безпосередньо під час експерименту.

 

Історія становлення вікової фізіології та шкільної

Гігієни

Значних успіхів фізіологія досягла у ХІХ ст., коли було закладено основи багатьох наукових напрямків, які розвиваються і в наш час. У другій половині ХІХ століття – початку ХХ століття фізіологія в Росії стає одною із передових у світовій науці, у чому видатну роль відіграли школи І.М. Сєченова (1829-1905 рр.), І.П. Павлова (1849-1936 рр.), відомі школи Казані, Києва, Одеси, Томська тощо. Російська наука при всій її самобутності, методологічній регіональності підтримувала тісні творчі зв’язки з провідними фізіологічними школами Західної Європи, а пізніше і Америки.

У ХХ ст. спостерігається подальша диференціація фізіології, широке узагальнення теоретичних та практичних знань щодо фізіологічних процесів. Розвиваються нові напрямки: фізіологія вищої нервової діяльності, нейрофізіологія, ендокринологія, вікова, порівняльна, а останнім часом – екологічна фізіологія. Процес диференціації і спеціалізації фізіології продовжується і тепер. Це пов’язано з появою методів досліджень, що дозволяють одержати точні кількісні характеристики біологічних процесів на більш глибокому рівні.

Кінець ХІХ і початок ХХ століття - період визначних успіхів в галузі фізіології нервів і м’язів (Дюбуа – Реймон, Е.Ф. Пфлюгер, П.Г. Гейденгайн, Ю. Бернштейн, Г.Л. Гельмгольц). У вирішенні проблеми збудження нервів і м’язів в цей період суттєвий вклад внесли і радянські фізіологи – Н.Є. Введенський (1852-1922), А.А. Ухтомський (1875-1942), А.Ф. Самойлов (1867-1930), Д.С. Воронцов (1886-1965).

ХІХ і ХХ століття ознаменовані багатьма значними успіхами у вивченні функцій мозку. Видатну роль у дослідженні функцій мозку належить І.М. Сєченову, який у 1862 році відкрив явище гальмування в ЦНС, що здебільшого визначило наступні успіхи досліджень координації рефлекторної діяльності.

На якісно новий рівень вивів теорії рефлекторної діяльності мозку І.П. Павлов, який створив учення про вищу нервову діяльність (поведінку) людини і тварин, її фізіології і патології. І.П. Павлов заснував школу вітчизняних фізіологів, які внесли видатний вклад у світову науку, а саме академіки П.К. Анохін, Е.А. Асратян, К.М. Биков, Л.А. Орбелі і багато ін., які створили вітчизняні фізіологічні наукові школи.

У другій половині ХІХ - ХХ ст. фізіологія мозку успішно розвивається в Європі і Америці. У більшій мірі це пов’язано з створенням нейтронної теорії рефлекторної діяльності мозку на основі його гістологічного дослідження К. Гольджі (1844-1926) і С. Рамон-і-Кахалем (1852-1934), які удостоєні Нобелевської премії у 1906 р.

Видатну роль у вивченні функції ЦНС відіграв Ч.С. Шеррінгтон, який розробив і сформулював основні принципи координаційної діяльності мозку, за що отримав у 1932 р. Нобелівську премію. Заслуга Ч.С. Шеррінгтона у тому, що він виховав плеяду фізіологів, яким наука зобов’язана видатними відкриттями (Р. Граніт, Р. Магнус, У. Пенфілд, Дж. Екллс та ін.).

Сучасна фізіологія ретикулярної формації мозку створена експериментальними дослідженнями Г. Мегуна і Д. Моруцці. Необхідно підкреслити, що основою для проведення цих досліджень слугували результати наукових робіт І.М. Сєченова і В.М. Бехтєрева.

Фізіологія вісцеральних органів в історії науки займає досить помітне місце з часу виникнення фізіології і до наших днів. XIX і XX століття ознаменовані значними відкриттями, які пов’язані з механізмами регуляції діяльності серця і кровоносних судин: К. Людвіг (1866-1895), І.Ф. Ціон (1842-1912), К. Бернар (1813-1878), Ф.В.Овсянников (1827-1906), В. Ейнтховен (1860-1927), Е.Г. Старлінг (1866-1927)та ін.

За дослідженнями капілярного кровообігу у 1920 р. Нобелівську премію присуджено А. Крогу (1874-1949). У радянській час значний науковий внесок у фізіологію серцево-судинної системи зробили В.В. Парін (1903-1971), В.Н. Черніговський, А.М. Чернух.

У XX столітті багато відкриттів зроблено в галузі фізіології дихання, особливо регуляції дихання (Н.А. Миславський, К. Гейманс, Д.С. Холдейн). За роботи в цій галузі К. Гейманс (1892-1968) одержав Нобелівську премію у 1939р. Значні відкриття були зроблені з біохімії газообміну та клітинного дихання (А. Крог, Д. Баркрофт), а за відкриття ферментативного механізму клітинного дихання була присуджена Нобелівська премія О.Г. Варбургу (1883-1970) у 1931 р.

Фізіологією травлення у різний час займались видатні фізіологи Європи і Америки (К. Людвіг, К. Бернар, Р. Гейденгайн, Е. Старлінг), але І.П. Павлов – перший серед фізіологів світу і перший російський учений, якому присуджено звання Нобелівського лауреата з фізіології травлення. Внутріклітинне травлення у своїх наукових працях вивчав Нобелівський лауреат І.І. Мечников (1845-1916).

ХХ століття багате відкриттями в галузі вивчення діяльності ендокринних залоз. Нобелівська премія у 1923 р. була присуджена Ф.Г. Бантингу (1891-1941), Д. Маклеоду (1876-1935), Ч.Г. Бесту (1899-1978) за роботи з інсуліну. Цю премію у 1947 р. за відкриття в галузі фізіології гіпофіза отримали Б.А. Усай, Р. Гіймен, Е.В. Шаллі, Р.С. Ялоу, а у 1950 р. Ф.Ш. Хенч, Е.К. Кенделл, Т. Рейхштейн за дослідження функцій надниркових залоз.

У 1971 р. Нобелівським лауреатом став американський фізіолог Е.У.Сазерленд, який відкрив роль АМФ у регуляції обміну речовин.

В Україні розвиток фізіології припадає на початок ХХ століття і пов’язано з науковими центрами: Харківським, Київським, Новоросійським (м. Одеса) та Львівським університетами. Українські вчені посіли перше місце серед вчених Радянському Союзі у таких галузях фізіології, як вища нервова діяльність, електрофізіологія, вікова фізіологія, геронтологія, загальна фізіологія нервової системи, фізіологія кровообігу, травлення, дихання і гіпоксичних станів.

Під керівництвом П.Г. Костюка у відділі загальної фізіології нервової системи інституту фізіології імені О.О. Богомольця АН України розроблено оригінальні методики для вивчення іонних механізмів у мембранні нервових та інших збудливих клітин. Цикл робіт „Дослідження іонних механізмів збудливості соми нервової клітини”, які опубліковано в 1969 – 1981 рр., вчені П.Г. Костюк, О.О. Кришталь, І.С. Магура, В.І. Підоплічко отримали у 1983 р. Державну премію СРСР.

Значні результати отримали українські фізіологи у процесі дослідження синаптичних і мембранних процесів у нейронах вегетативних гангліїв (В.У. Скок).

Уперше вченими М.Ф. Шуба, Н.Г. Кочемасова, П.Г. Богач, Н.І. Гуревич отримані дані про іонну природу збуджувальної і гальмівної дії медіаторів та інших речовин на гладенькі м’язи.

В Україні проведено вагомі дослідження із загальної та спеціальної фізіології центральної нервової системи. Результати цих досліджень узагальнив П.Г. Костюк у монографії „Двохнейронна рефлекторна дуга” (1959). Ця робота відзначена премією імені І.П. Павлова АН СРСР.

Із 1968 року в Харківському медичному інституті й Харківському НДІ неврології і психіатрії вивчаються механізми функціональних відносин лімбічних утворів з іншими структурами мозку (ретикулярна формація), а також роль цих утворів в організації емоційно-стресової реакції організму (Ф.П. Видяєв, Т.М. Воробйов, А.Г. Лещенко, О.Я. Могилевський).

Вивчення нейтронної організації і функціональних взаємодій вищих відділів слухової системи дали можливість не лише вирішити деякі питання фізіології слуху, а й запропонувати низку показників для об’єктивної діагностики функціонального стану слухової системи людини, а також лікування при глухуватості. Ці роботи нагороджено в 1978 році Державною премією України.

З 1969 року вчені відділу фізіології вищої нервової діяльності інституту фізіології імені О.О. Богомольця АН України (В.А. Трошихін, В.В. Сиротський, В.М. Сторожук, В.М. Сєрков, М.В. Макаренко й ін.), кафедри фізіології людини і тварин Київського університету (Г.М. Чайченко), НДІ фізіології Київського університету (О.І. Ємченко, П.С. Лященко, М.С. Макарчук, В.К. Рибальченко, Ю.П. Горго й ін.) досліджують механізми формування динамічного стереотипу, особливості утворення слідових, оборонних і харчових умовних рефлексів, рухливість нервових процесів, роль структур лімбічної системи мозку в умовнорефлекторній діяльності, залежність ефективності навчання від індивідуально-типологічних властивостей нервової системи, зміни у вищій нервовій діяльності людини під час напруженої роботи мозку, втоми, гіпоксії та дії інших шкідливих факторів.

Учені України зробили вагомий внесок у розвиток геронтології, зокрема дослідили роль вікової перебудови системи кровообігу, біологію і фізіологію старіння, розкрили молекулярні та клітинні механізми вікової патології кровообігу (В.В. Фролькіс, М.М. Горєв та ін.).

В інституті кібернетики АН України і Київському НДІ серцево-судинної хірургії МОЗ України під керівництвом М.М. Амосова розроблено методи штучного кровообігу, впроваджені у клініці під час операцій на серці. Організовано дослідження з математичного моделювання серцево-судинної системи людини.

Фізіологію дихання в Україні досліджували вчені А.З. Кольчинська, В.О. Березовський, О.Г. Місюра й ін. у таких напрямах: виявлення нейрофізіологічних механізмів регуляції дихання й гіпоксичних органів і механізмів регуляції кисневого режиму під час гіпоксії тощо в екстремальних умовах (віковий аспект).

Суттєвий внесок зробили українські вчені в фізіологію травлення. Створені наукові напрями, результати розробки яких мають теоретичне і практичне значення. До них належать вивчення механізмів регуляції моторної функції травного тракту і ролі гіпоталамічної ділянки головного мозку та лімібічної системи в регуляції вегетативних функцій (Г.В. Фольборт, Я.П. Скляров, П.С. Лященко, Р.О. Файтельберг та ін.). Монографія П.Г. Богача „Механізми нервової регуляції моторної функції тонкого кишечнику” отримала премію ім. К.Бикова Президії АН СРСР.

Формуванню вікової фізіології сприяв традиційний для фізіології еволюційний підхід до вивчення фізіологічних систем. На необхідність вивчення фізіологічних процесів упродовж онтогенезу вказував І.М. Сєченов (1878), але до ХХ століття фактичні дані про фізіологію організму, що росте і розвивається, мали розрізнений характер. Початок систематичного вивчення вікової морфології і фізіології в Росії було покладено Н.П. Гундобіним („Особливості дитячого віку” (1906)). Інтенсивний розвиток вікової фізіології в СРСР розпочався в 20-30 роках ХХ століття: виявленні структурні та функціональні вікові особливості розвитку окремих органів і систем (Л.А. Орбелі, Н.І. Красногорський, А.Г. Іванов-Смоленський, П.К. Анохін, І.А. Аршавський, А.А. Волохов, А.А. Маркосян); розроблені проблеми вікової нейрофізіології та нейроендокринології, вікових змін речовин і енергії, клітинних і субклітинних процесів, а також акселерації; Сформовані концепції онтогенезу і старіння (І.П. Павлов, Н.К. Петрова, А.А. Богомолець, А.В. Нагорний, П.К. Анохін, І.А. Аршавський, А.А. Маркосян). Академія педагогічних наук СРСР стала центром координації досліджень із вікової фізіології і морфології.

І.А. Аршавський сформулював „енергетичне правило м’язів”, де основний фактор, що дає змогу не тільки зрозуміти специфічні особливості фізіологічних функцій організму в різні вікові періоди, але і визначити закономірності індивідуального розвитку. Він передбачив, що особливість енергетичних процесів різних вікових періодів, а також зміна і перебудова діяльності дихальної і серцево-судинної систем у процесі онтогенезу знаходяться в залежності від відповідного розвитку скелетної мускулатури.

А.А. Маркосян до загальних законів індивідуального розвитку відніс і надійність біологічної системи. Надійність біологічної системи - це рівень регуляції процесів в організмі, коли забезпечується їх оптимальне протікання з екстреною мобілізацією резервних можливостей і взаємозаміна, гарантується пристосування до нових умов і швидке повернення до вихідного стану. Згідно з концепцією, весь шлях розвитку від початку до природного кінця протікає за наявності умови, якщо є запас природних можливостей. Ці резервні можливості забезпечують розвиток та оптимальне протікання життєвих процесів під час зміни умов зовнішнього середовища.

П.К. Анохін висунув учення про гетерохронію (нерівномірний розвиток функціональних систем) і на ґрунті цього розвинулося вчення системогенезу. Відповідно до зазначеного вчення, функціональна система - це широке функціональне об’єднання різної локалізації структур на основі одержаного кінцевого пристосувального ефекту, який необхідний в даний момент. Функціональні системи дозрівають нерівномірно, починають діяти поетапно, змінюються, це забезпечує організму пристосування до будь-яких періодів онтогенетичного розвитку.

Шкільна гігієна як наука виникла у ХІХ ст. (основоположники російські вчені Ф.Ф. Ерісман (1842 – 1915) і А.П. Доброславін (1842 – 1889)). Учені розробили гігієнічні вимоги до класної кімнати, моделі учнівської парти, а також обґрунтували гігієнічні вимоги до вибору ділянки для будівництва школи і проекту шкільної будівлі.

Проблему гігієни дітей і підлітків вивчали такі радянські вчені: Л.А. Сиркін (продовжив дослідження Ф.Ф. Ерісмана щодо стану здоров’я і фізичного розвитку дітей і підлітків), П.М. Івановський (займався питаннями фізичного виховання, гігієнічного обґрунтування режиму дня учнів, гігієни планування дитячих закладів), М.В. Антропова, Г.П. Сальникова (проводили фундаментальні дослідження працездатності учнів у процесі навчальної і трудової діяльності, динаміки фізичного розвитку школярів).

Великий внесок у розвиток гігієни дітей і підлітків зробили видатні вчені-гігієністи акад. АМН СРСР Г.Н. Сердюкова і проф. С.М. Громбах. Вони вказали на необхідність вивчення основних закономірностей вікової фізіології і шкільної гігієни в житті людини. Одержані фактичні дані вікової фізіології і шкільної гігієни надзвичайно важливі для виховання і розвитку дітей і підлітків. Щодо зазначеного вище Н.П. Гундобін сказав: „ Молоде покоління – це нація і майбутнє всієї нації. Правильний розвиток і виховання дітей – запорука для росту і розвитку країни. Ці істини визнані всіма державами, залишається тільки невизнаним основне положення, а саме: нормальний фізичний і розумовий розвиток неможливий без знання з природи організму, який росте і розвивається ”.

РОЗДІЛ 2. Системогенез

Поняття системогенезу

Живий організм є частиною навколишнього світу, він існує як його автономна, більш складна одиниця і як єдине ціле реагує на вплив зовнішнього середовища і відносинах з навколишнім світом він проявляє одну із своїх основних властивостей – виконання необхідних функцій в умовах несприятливих зовнішніх впливів. У цих взаємовідносинах постійно відбувається взаємодія двох протилежно спрямованих тенденцій: збереження стабільності внутрішнього середовища організму і в той же час його мінливість в результаті пристосувальної перебудови, спрямованої на збереження гомеостазу. Фактор стабільності і фактор мінливості внутрішнього середовища знаходять свій вплив в адаптаційних процесах на всіх рівнях – молекулярному, субклітинному, клітинному, органному, організм енному в цілому. Відхилення від константної межі слугує стимулом до адекватного відновлення порушеного стану і перебудови внутрішнього середовища на новому рівні функціонування. Таким чином здійснюється переключення функціонального стану організму з одного рівня на другий, змінюється ступінь його активності. Як відзначає І.П.Павлов: „ Організм сам себе підтримує, сам себе виправляє, сам себе вдосконалює ”.

Отже, організм, як біологічний система зберігає свою сталість завдяки механізмам гомеостатичної регуляції, які корегують усі внутрішні відхилення. Сигналом для зміні початкового стану, тобто до адаптивної перебудови, є виникнення розлагодженості між поточним функціональним станом, у першу чергу нервової системи, і тим рівнем функціонування, який визначається умовами навколишнього середовища. Самі відхилення є джерелом управління сигналами, які діють за принципом зворотного зв’язку.

Конкретним прикладом адаптаційної регуляції гомеостазу в умовах мінливості зовнішнього середовища є циклічний рефлекторний процес на клітинно-молекулярному рівні. Об’єктом регуляторних впливів є клітина. Вона реагує тільки на хімічні речовини, які несуть до неї повну інформацію (інформони). Ці речовини реалізують на клітинному рівні впливи нервової та гуморальної систем. Під дією інформонів у клітині відбуваються необхідні зміни обміну речовини й енергії. Ці зсуви відображають пристосувальні потреби організму і, в цілому, забезпечують активність специфічної фізіологічної функції.

Кожна клітина має власні механізми регуляції життєдіяльності. Сигналами інформонів (натромедіаторів, гормонів, макромолекул) діють на клітинні мембрани, де є рецептори білкової природи. Білки-рецептори (БР) вступають у взаємодією з інформонами менше, якщо є їх стереохімічна відповідність, тобто коли молекула хімічної речовини й активний центр БР відповідають один одному, як „ключ і замок”. У результаті стереохімічної взаємодії утворюється комплекс білковий рецептор-інформон (БРІ) і в реакцію вступають вторинні метаболічні фактори-посередники (мессенджери). До них належать аденілатциклаза, яка сприяє утворенню з АТФ циклічного аденомонофосфата (цАМФ). Під впливом цАМФ більше, ніж у 200 разів посилюється дія на клітину зовнішнього для неї регуляторного сигналу й активуються відповідні ферменти (протеїнкінази), які забезпечують синтез певних білків. Таким чином цАМФ виконує функцію універсального клітинного регулятора. У цілому зазначений ланцюг хімічних реакцій схематично виглядає так: І → БР → БРІ → аденілатциклаза → ц АМФ → протеїнкінази.

До категорії вторинних клітинних посередників регуляторного сигналу, який надходить, належать етапи кальцію і стероїдні гормони. У мембрані клітини є рецептор кальцію – білок кальмодулін, який регулює синтез і розпад цАМФ. Стероїдні гормони проникають у клітину й безпосередньо зв’язуються з її ядром. Таким чином, клітинні механізми регуляторні фізіологічних функцій репрезентовані у вигляді трьох основних факторів-вторинних посередників (цАМФ), іонів кальцію і стероїдних гормонів. Цей процес генетично запрограмований і забезпечує необхідну пристосувальну перебудову фізіологічних функцій.