Методы исследования в физиологии

Физиология располагает достаточно широким набором методов исследования функций человеческого тела: наблюдение, естественный и лабораторный эксперимент. Метод наблюдения используется в любом научном исследовании, но изолированно от эксперимента он не вскрывает сущность физиологических процессов в организме. В эксперименте для изучения физиологического процесса создаются специальные условия. В них наиболее полно раскрываются качественные и количественные характеристики этих явлений. Промежуточной формой между наблюдением и лабораторным экспериментом является естественный эксперимент, проводящийся в обычных условиях жизнедеятельности человека.

Метод лабораторного исследования используется для изучения функции организма в определенных условиях. Меняя последние, можно целенаправленно вызывать или менять тот или другой физиологический процесс. Широко применяется метод функциональных нагрузок или проб. В этом случае применяются дозированные функциональные нагрузки, что выражается в изменении интенсивности или продолжительности воздействия. Функциональные пробы могут быть следующие: дозированные физические и умственные нагрузки, ортостатические пробы (изменение положения тела в пространстве), температурные воздействия, пробы с задержкой дыхания и другие. Широко применяется метод телеметрии, который с помощью передающих радиотехнических устройств регистрирует функции организма на расстоянии. Это дает возможность получить информацию об организме в естественных условиях существования.

На ранних этапах развития физиологической науки при изучении функций органа пользовались методом экстирпации (удаления) с последующей регистрацией результатов вмешательства. В других случаях орган не удаляют, а пересаживают (трансплантация) на новое место или в другой организм. Этот метод наиболее эффективен для изучения функций эндокринных желез. Для рассмотрения деятельности органов, расположенных в глубине тела, используют фистульный метод. Суть его заключается в том, что один конец трубки вводят в полый орган, а другой закрепляют на поверхности тела. Разновидностью этой методики является катеризация. В этом случае в сосуды, сердце или протоки желез вводят тонкие трубки – катеторы доя регистрации происходящих в органах процессов. Для установления зависимости функции органа от влияния нервной системы используют методику денервации.

Широко применяется стимуляция мозговых или периферических структур с дальнейшей регистрацией электрической активности посредством вживления микро- и макроэлектродов. Функции отдельных органов изучают как в целостном организме, так и после их извлечения (метод перфузии). В данном случае извлечённому органу создают необходимые условия: температуру, влажность, подачу питательных растворов через сосуды органа.

Современным методом изучения физиологических функций является метод радиографии. Он представляет собой приём, при котором меченное радиоактивными изотопами вещество вводится в ткань, которая поглощает и транспортирует его. Путём фоторегистрации данного вещества в специальных срезах на бумаге с последующим микроскопическим анализом удаётся зарегистрировать все изменения, происходящие в тканях. Последние годы активно используется метод позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Суть его сводится к следующему: человеку в кровяное русло вводится радиоактивный изотоп. Изотоп излучает позитроны, которые проходят на 3 мм в ткань и сталкиваются с электроном. Это приводит к образованию пары протонов, которые разлетаются в разные стороны. Пронизывая ткани, протоны регистрируются кристаллическими детекторами, расположенными в специальной камере, подключённой к компьютеру. Разность попадания протонов в кристаллические детекторы позволяет создать плоское изображение на определенном уровне. В исследовательских целях используется метод компьютерного сканирования. При этом используются рентгенограммы, сделанные под различными углами. Таким образом, методы изучения физиологии постоянно совершенствуются и способствуют созданию достаточно полной и объективной картины механизмов функционирования клеток и структур. В свою очередь правильное понимание функции того или иного органа в организме человека позволяет предметно и своевременно организовать процессы диагностики, профилактики и оказания медицинской помощи.

История развития физиологии

История физиологии как науки известна с V века до нашей эры. Первые физиологические сведения были связаны с практической медициной, поэтому первыми физиологами были врачи. Гиппократа (460-377 гг. до н.э.), знаменитого греческого врача и мыслителя, называют «отцом медицины». В его трудах, дошедших до нашего времени, имеются описания костей человека. Другие органы он описывал по аналогии со строением тела животных, неправильно представляя себе нервы, смешивая их с сухожилиями. Кроме Гиппократа и его школы, следует упомянуть Аристотеля (384-322 гг. до н.э.), который уже знал нервы и довольно правильно представлял значение сердца. Вклад в физиологическую науку внес выдающийся таджикский учёный, врач и философ Абу-Али Ибн Сина (Авиценна) (980-1037 гг. до н.э.), написавший, помимо других своих работ, знаменитую книгу «Канон медицины». В этой книге были собраны все научные и медицинские сведения того времени, в том числе и по физиологии.

В странах западной Европы традиции изучения физиологии уходят корнями в 300 г. до н.э., когда появились первые медицинские школы. Однако детальное знание физиологии человека не было лишь европейской прерогативой. О строении человеческого тела были прекрасно осведомлены египтяне, которые с древнейших времён занимались мумификацией умерших, а также жители Азии, особенно Китая, медицинские традиции которых были неразрывно связаны с тончайшими медицинскими познаниями.

Спустя несколько сот лет опыт врачей Древнего Рима был обобщён врачом Клавдием Галеном (130-201 гг. до н.э.), оставившим после себя знаменитый труд: «О назначении частей человеческого тёла». Эти исследования в значительной степени опирались на данные александрийских медиков. Гален изучал функции организма путём наблюдения над трупами людей и вскрытия трупов животных. Он одним из первых применил вивисекцию и явился основоположником экспериментальной медицины. Гален, выполнив колоссальный труд по обобщению уже известных сведений и личных наблюдений, создал логически законченное учение о назначении органов человека. Однако Гален изучал физиологию в основном на трупах, в связи с чем в его работах содержалось немало ошибочных положений. Так, Гален считал центром кровеносной системы не сердце, а печень, в которой, по его мнению, вырабатывалась кровь и разносилась затем по всему телу, питала его и полностью им поглощалась. Пульсирование артерий он объяснил особой «силой пульсации», рассматривал расслабление сердца - диастолу - как активное движение сердца, а систолу, как его пассивное спадение, утверждая, что желудочки сердца соединяются через отверстие в перегородке. В течение всего средневековья в основе медицины лежала физиология Галена. Установить ошибки, допущенные Галеном, можно было лишь путём вскрытия человеческих трупов, но по церковным порядкам это не допускалось. Поэтому учение Галена господствовало до начала эпохи Возрождения почти четырнадцать веков.

В эпоху Возрождения появились ученые, разрушившие схоластическую теорию Галена и построившие новую научную физиологию. Леонардо да Винчи (1452-1519 гг.) одним из первых стал вскрывать трупы людей, правильно изобразил различные органы тела человека и оставил замечательные анатомические рисунки. Медицинские школы появились в начале XIV в. в Италии (Болонья и Салерно) и во Франции (Париж и Монпелье). Начало современной физиологии положили Андре Везалий (1514-1564 гг.), использовавший объективный метод наблюдения и систематически изучивший строение тела человека. Андре Везалий родился в Бельгии в Брюсселе в 1514 году, изучал медицину в Париже и других крупных европейских городах, а затем поселился на севере Италии, в Падуе. Его самой знаменитой работой является трактат «О строении человеческого тела», который был опубликован в 1543 году и стал поворотным моментов в утверждении физиологии как науки, основанной на наблюдениях. Появление этого труда является важнейшим этапом в развитии медицинской науки, с которого началось становление современного подхода к медицине и биологии.

Предположение Везалия о существовании кровообращения было подтверждено Р. Коломбо (1516-1559 гг.) и М.Серветом (1509-1553 гг.), описавшими путь движения крови через лёгкие - малый крут кровообращения - по-видимому, независимо друг от друга. Дж.Фабриций (1530-1619 гг.) обнаружил и описал венозные клапаны. Возникали всё более серьёзные противоречия между данными о сосудистой системе и описанием движения крови, данным Галеном. В развитии физиологии 17 век явился переломным, и это было вязано с работами английского врача, анатома и физиолога Вильяма Гарвея (1578-1657 гг.), работавшего в Падуанском университете и открывшим систему кровообращения. Он к изучению структуры органа подходил с точки зрения физиологии и сравнительной анатомии и явился основоположником эмбриологии. Небольшая по объёму книга Гарвея «Анатомическое исследование о движении сердца и крови у животных», основанная на результатах экспериментального изучения в сочетании с расчётным методом, открыла новую эпоху в естествознании и 1628 год считается годом рождения физиологии.

До Гарвея лёгочное кровообращение в понятии ученых не связывалось со всей системой кровообращения. Гарвей опроверг представление о том, что «копоть» из левого желудочка переходит по лёгочной вене в лёгкие и оттуда наружу, показал, что левый и правый желудочки имеют одинаковые клапаны, описал работу сердца как нагнетающего насоса, установил значение малого круга кровообращения и описал большой круг, дав при этом ряд доказательств циркулярного движения крови. Так, он вычислил количество крови, выбрасываемой сердцем при сокращении, и установил, что масса крови возвращается обратно в сердце, а не поглощается без остатка тканями организма. Гарвей открыл не только большой круг кровообращения, но и указал на существование в организме явлений, протекающих по замкнутому пути. В системе кровообращения, представленной Гарвеем, был пробел - не хватало представлений о капиллярах. Этот пробел вскоре был восполнен микроскопическими исследованиями М.М.Мальпиги (1628-1694 гг.) и А.Левенгука (1632-1723 гг.). Таким образом, была создана целостная картина кругового движения крови в организме. Закончено описание кровеносной системы было A.M.Шумлянским (1748-1795 гг.), который при изучении строения почек обнаружил прямую связь между артериальными и венозными капиллярами.

К числу наиболее важных достижений 17-18 вв. относится сформулированное французским физиологом Рене Декартом (1596-1650 гг.) понятие о рефлексе. Позже представление о рефлексе, рефлекторной дуге, значении нервной системы получило развитие в работах чешского физиолога Г.Прохаски (1749-1820 гг.).

В XVII столетии получили развитие работы итальянских и немецких учёных, пытавшихся объяснить сложные законы жизнедеятельности элементарными законами механики. В XVIII в. английский невролог Р.Уайт (1714-1766 гг.) исследовал роль спинного мозга в рефлекторной деятельности, швейцарский естествоиспытатель А.Галлер (1708-1777 гг.) опубликовал труд «Элементы физиологии», в котором широко обсуждались различные проблемы функций организма. Ж.Кювье (1769-1832 гг.), создавший учение о типах животных по строению нервной системы, стал основоположником сравнительной анатомии. Начало гистологии положил М.Ф.К.Биш (1771-1802 гг.), изложивший в своём труде «Общая анатомия» учение о тканях, органах и системах. Основы эмбриологии были заложены К.М.Бэром (1792-1876 гг.), открывшим яйцеклетку и описавшим онтогенез многих органов.

На Руси первые физиологически сведения о строении и функции органов появились в древних рукописях Х-ХΙΙΙ веков. Впервые в 1658 г. в Московской медицинской школе состоялся выпуск врачей. Но систематическое развитие физиологических наук начинается со времён Петра Ι с открытием в 1724 г. в Петербурге Академии наук. Петром Ι были открыты госпитали и медицинская школа. При одном из госпиталей начали подготавливать медицинских работников для обслуживания армии и флота. До этого времени врачи приглашались из Западной Европы. В Академии вопросами физиологии занимались Д.Бернули (измерение скорости движении крови в сосудах), Л.Эйлер, И.Вейтбрехт (механизм движения крови за счёт сокращения стенок сосудов). С 1738 года физиологию начали преподавать как самостоятельную науку в Санкт-Петербургском университете. А в 1776 г. была открыта кафедра физиологии в Московском университете. Первая диссертация по физиологии была защищена в 1794 году Ф.М.Борсук-Моисеевым на тему регуляции дыхательной функции. В развитие физиологии внёс существенный вклад М.В.Ломоносов (процесс теплообразования, трёхкомпонентная теория цветового зрения, классификация вкусовых ощущений).

В конце 18 века итальянский естествоиспытатель Л.Гальвани (1737-1798 гг.) доказал существование в тканях «животного электричества». Э.Пфлюгером были установлены законы действия постоянного тока на возбудимую ткань, а Г.Гемгольцем (1821-1894 гг.) определена скорость проведения возбуждения по нерву.

К середине 19 века физиология окончательно отделилась от анатомии и во всех университетах её стали преподавать как отдельную науку. К концу столетия она уже была сформировавшейся отраслью естествознания, владела большим количеством фактов. Физиологическая наука в это время представлена блестящими учёными: англичанин Ч.Белл и французский Б.Мажанди установили организацию соматической рефлекторной дуги; К.Людвиг (1816-1895 гг.) изобрёл манометр для регистрации кровяного давления; Э.Марей (1830-1904 гг.) обнаружил взаимосвязь между колебаниями артериального давления и фазами сердечного цикла.

Во второй половине 19 века для исследования функций внутренних органов стала применяться экспериментально-хирургическая методика. Это работы И.М.Сеченова (1829-1905 гг.), И.П.Павлова (1849-1936 гг.), Ф.В.Овсянникова (1826-1906 гг.), А.Я.Данилевского (1838-1923 гг.), А.О.Ковалевского (1840-1901 гг.) и др. Каждый из них внёс значительный вклад в науку, но И.М.Сеченов и И.П.Павлов создали направления в мировой физиологии. И.М.Сеченов вошёл в историю науки как «отец русской физиологии», основоположник нового направления физиологии труда, разработал физиологические основы психической деятельности. Учеником И.М.Сеченова был Н.Е.Введенский, создатель теории о единстве основных физиологических процессов возбуждения и торможения, открывший явления оптимума и пессимума раздражения. На развитие физиологии большое влияние оказали работы И.П.Павлова, создателя учения высшей нервной деятельности животных и человека. Он заложил фундамент теории о трофической иннервации тканей и функциях пищеварительных желез. В 1904 году за работы в области физиологии пищеварения ему была присуждена Нобелевская премия. И.П.Павлов также открыл условный рефлекс и исследовал функции коры больших полушарий головного мозга. В изучение физиологии висцеральных функций значительный вклад внесли: Н.О.Ковалевский (взаимосвязь между дыханием и кровообращением), Н.А.Миславский (дыхательный центр), В.М.Бехтеров (1857-1927 гг.) (влияние коры больших полушарий на внутренние органы).

Характерной чертой физиологии 20 в. явилось значительное расширение исследований. В это время У.Кеннон (1871-1985 гг.), опираясь на идею К.Бернара (1813-1878 гг.) о постоянстве внутренней среды, сформулировал учение о гомеостазе. Физиолог А.Роземблют и математик Н.Винер создали кибернетику. Работы, посвящённые гомеостазу, получили продолжение в исследованиях канадского учёного Г.Селье (1907-1982 гг.) о стрессорных воздействиях на организм. Английский учёный Ч.Шеррингтон (1857-1952 гг.) установил основные принципы интегративной деятельности мозга, а австрийский учёный Дж.Экклс рассмотрел механизмы синаптической передачи. Значительные успехи были достигнуты в области электрофизиологии: А.Ф.Самойлов (1867-1930 гг.) зарегистрировал электрические потенциалы сердца, В.В.Правдин-Неминский (1879-1952 гг.) – электрические потенциалы головного мозга.

Развивая идеи Н.Е.Введенского, А.А.Ухтомский (1875-1942 гг.) сформулировал основной принцип работы головного мозга – доминанту. Классические представления о функциях центральной нервной системы и о корково-подкорковых взаимоотношениях изменились с открытием американцем Г.Мэгуном и итальянцем Дж.Моруцци влияний ретикулярной формации на различные отделы мозга. Эти исследования нашли отражение в работах П.К. Анохина (1898-1974 гг.), сформулировавшем представление о влиянии подкорковых образований на кору мозга. Начало исследований о химических передатчиках нервных импульсов было положено австрийским фармакологом О. Леви и продолжено У.Кенноном и А.В.Кибяковым.

Русскими физиологами была изучена автономная нервная система. Л.А.Орбели (188201958 гг.) разработал представление о трофической функции симпатической нервной системы. А.Д.Ноздрачёв экспериментально обосновал существование третьей части автономной нервной системы – метасимпатической нервной системы.

Достижениями 20 века стало открытие химизма мышечного сокращения (В.А.Энгельгард, М.Н.Любимов, А.Хаксли). Значительным для физиологии было создание учения о витаминах (Н.И.Лунин, К.Функ). Расширились представления о висцеральных функциях и их регуляции. Здесь одно из ведущих мест занимает физиология пищеварения. В последние десятилетия А.М.Уголёвым (1926-1991 гг.) был открыт механизм мембранного пищеварения, описаны центры голода и насыщения. Большой вклад внесён в изучение функциональных взаимоотношений коры головного мозга и внутренних органов. К.М.Быков (1886-1959 гг.) показал возможность изменения деятельности внутренних органов под влиянием коры больших полушарий. Благодаря исследованиям В.Н.Черниговского (1907-1982 гг.) была открыта интероцепция. Существенным вкладом в расшифровку механизмов психических процессов явились представления П.К.Анохина (1898-1974 гг.) о функциональных системах. Возникло новое направление – космическая физиология, разработанное А.В.Лебединским (1902-1965 гг.), В.В.Париным (1903-1971 гг.) и др. Физиология в современных условиях смещается в сторону мембранных и клеточных процессов, а также использует математическое моделирование. Наряду с этим продолжается исследование деятельности целого организма и его взаимоотношений с окружающей средой.