Рівні гомеостазу

Владислав Вільгельмович Хлебовіч, д.б.н., проф., Гол.н.с. Зоологічного інституту РАН

Вперше концепцію про внутрішнє середовище організмів та її сталості сформулював ще в 1878 р. великий французький фізіолог К. Бернар:

"Ця внутрішня середа ніколи не змінюється, атмосферні коливання не можуть проникнути за її межі, і тому можна з повним правом стверджувати, що фізіологічні умови середовища у вищих тварин незмінні. <...> Організм як би укритий в свого роду оранжереї. Безперервні зміни зовнішніх умов не досягають його, він не схильний до цих умов, він залишається вільним і незалежним. <...> Всі фізіологічні механізми, хоч би різні вони не були, мають тільки одну мету - збереження сталості умов життя у внутрішній фазі "[1].

Саме це, описане Бернаром, сталість внутрішньої середовища організмів тварин, що дозволяє їм активно існувати при широких коливаннях середовища зовнішньої, американський фізіолог У. Кеннон запропонував у 1929 р. називати гомеостазом (остаточно термін був затверджений в 1932 р., коли була опублікована книга Кеннона "Мудрість тіла" [2]).

У наші дні це поняття поширюють і на інші поверхи біологічної цілісності - клітини, популяції, екосистеми і т.д., ми ж обмежимося розглядом гомеостазу на рівні організму. І Бернар, і Кеннон писали про сталість внутрішнього середовища тільки вищих організмів, перш за все хребетних і особливо людини. Це й зрозуміло, - в природі існують тварини, у яких деякі види гомеостазу взагалі відсутні або слабо виражені. Відомий еволюціоніст Б. М. Медников вважав становлення і вдосконалення гомеостазу найважливішим шляхом прогресивної еволюції. Дійсно, здатність організмів до гомеостазу - найбільше еволюційне придбання, яке дало змогу тваринам освоїти нові, раніше недоступні їм середовища і простору, що стало можливим завдяки виробленню відповідних вельми складних механізмів. Наприклад, тільки терморегуляція дозволила тваринам освоїти приполярні області, а в помірному кліматі залишатися активними навіть суворої взимку і холодними ночами. Завдяки "осморегуляціі" (значення лапок поясню трохи пізніше) багато тварин, які зайняли різні гілки еволюційного древа, змогли проникнути з морів у прісні води з надзвичайно низькою мінералізацією. При цьому гомеостаз міг виробитися по відношенню до одного фактору середовища і не проявитися - до іншого. Так, організм може бути гомойосмотіческім, тобто підтримувати гомеостаз по відношенню до осмотичного фактору (як більшість прісноводних організмів), і бути при цьому пойкілотермним, тобто що має ту ж температуру, що їх навколишнє середовище (цим відрізняються холоднокровні тварини - риби, раки, амфібії).

Є підстави вважати, що в залежності від важливості адаптації до тих чи інших умов могли виникати незалежно в різний час і в різних групах. Але тоді хотілося б знати, на яких саме рівнях у різних незалежно відбулися групах підтримується сталість внутрішнього середовища по того чи іншого фактору. Іншими словами, який параметр фактора обирає природа, щоб далі підтримувати його сталість.

Розглянемо ситуацію з факторами, регуляція яких організмами привертає увагу дослідників частіше за інших, - температурою, осмотичним тиском і концентрацією водневих іонів (pH).

Терморегуляція

Терморегуляція виникла в еволюції досить пізно -- вона характерна тільки для птахів і ссавців. Завдяки придбаної теплокровности звірі та птиці в порівнянні з їх холоднокровним предками стали більш незалежні від температури зовнішнього середовища. Зараз, коли я пишу ці рядки, на вулиці-27оС, а за вікном бачу літаючих голубів і ворон, які гуляють з господарями собак, що атакують годівницю з насінням синиць і сівши на підвіконня сріблясту чайку - найбільшу дику птицю Санкт-Петербурга. Жоден з процвітали в тепличних умовах крейдяного періоду динозаврів, колишніх господарів Землі, сьогоднішнього морозу не витримав би. Та й при нулі він би теж не вижив.

Два класи вищих хребетних, птахи та ссавці, сформувалися незалежно один від одного і, очевидно, так само незалежно виробили здатність регулювати температуру тіла, при цьому "обрали" вони в якості оптимальної практично однакову температуру - близько 37-40оС [3, 4]. Чи випадково?

Цікаво, що приблизно до тих же значень температури розігріваються в польоті (або перед ним) м'язи деяких комах, і ці ж значення виявляються верхнім температурним межею для життєдіяльності риб, а також для сперматозоїдів інших найрізноманітніших холоднокровних тварин. Чи не поширюється це лише на мешканців гідротермальних вод, що живуть при специфічних умовах температури, газового режиму і тиску на дні моря. Для інших організмів, що населяють "типові" біотопи Землі, це висновок, судячи з усього, справедливо.

На думку В. Р. Дольник, "обрана" птахами і ссавцями температура "дуже небезпечна, тому що близька до летальної, що приводить до денатурації білків (43оС у ссавців і 45оС у птахів) "[3]. Цю близькість температури тіла теплокровних тварин до критичних значень їх організменной термостійкості намагалися пояснити різними причинами. Найбільш правдоподібним виглядало пояснення "завищеною" температури тіла птахів і ссавців енергетичними перевагами фізіології нагріву їхніх тіл в порівнянні з охолодженням [3]. Дійсно, нагрів тіла, який відбувається за рахунок посилення обмінних процесів або довільної і мимовільної активності м'язів (тремтіння, тонічного скорочення), виявляється енергетично вигідніше охолодження, викликаного випаровуванням води при диханні або з поверхні шкіри. Здавалося б, саме тому теплокровні і "обрали" як постійної температуру найвищу з можливих - трохи нижче теплової смерті. Проте аналіз інших видів гомеостазу (про які піде мова в наступних розділах) не дозволяє пояснити обраний рівень температури тіла теплокровних тільки енергетичними перевагами теплопродукції перед витратами на охолодження.

Осморегуляція

Існуючі близько півтора століття термін і поняття "осморегуляція" не зовсім коректні. Справа в тому, що осмотичний тиск (тонічность) визначається кількістю розчинених в обсязі рідини часток незалежно від їхньої природи. А для функціонування організму далеко не байдуже, які саме частинки розчинені у зовнішній (вода) або внутрішньої (плазма крові, целомічну рідина, лімфа, Гемолімфа) середовищах. Як правило, мешкають в море організми, як і прісноводні тварини, потребують деякого кількості певного набору солей, дуже близького за співвідношенням іонів до морській воді. Один із яскравих доказів цього - подібність за складом і концентрації іонів морської води і різних фізіологічних розчинів, використовуються в якості замінників плазми та інших компонентів крові (розчинів Рінгера). Ця подібність дало підстави ввести термін "солоність внутрішнього середовища ", висловлюючи її в прийнятих в океанології одиницях - в грамах солей у літрі води (проміле, ‰) [5].

Частка осмотичного тиску, створюваного у внутрішньому середовищі органічними речовинами - цукрами, амінокислотами, білками (так звана онкотичного компонента тонічності), зазвичай дуже мала. У деяких вторинно-морських хребетних (пластіножаберних риб і небагатьох видів амфібій) тонічность плазми крові, солоність якої близько 10-15 ‰, підвищується до ізоосмотічного (близького за солоності) морському середовищі стану за рахунок накопичення відповідної кількості сечовини. Так, солоність плазми крові у що мешкає в Південно-Східній Азії жаби-крабоеда (Rana cancrivora) дорівнює 28 ‰, тобто ізоосмотічна морській воді, де вона проводить більшу частину життя. Ця єдина з усіх жаба здатна жити в солоній воді, зберігаючи в крові сечовину, і, що цікаво, вона вміє звільнятися від її надлишку, опинившись в прісному водоймі, куди відправляється, як всі її родичі, метати ікру.

Еволюція осмотичних (соленостних) відносин.

Первинні тварини з'явилися при солоності вище 5-8 ‰, але нижче сучасної океанічної. Що відбулися від них організми без внутрішньої середовища (немає порожнинних рідин, крові, лімфи і гемолімфою, як у сучасних турбеллярій) вийшли в прісні води, а також зайняли морські з усім спектром солоності. Вони дали початок пойкілоосмотіческім організмам з вираженою внутрішньої середовищем (наприклад голкошкірі, морських молюсків, більшості ракоподібних). Деякі з цих тварин, тільки придбавши гіперосмотичної регуляцію, змогли освоїти прісні води солоністю нижче критичної (прісноводні раки, молюски, риби та ін.) Гіперосмотичної прісноводні, зберігши характерні для них значення внутрішньої солоності, дали початок наземним і вдруге морським. Більшість вдруге морських при цьому стали гіпоосмотіческімі (морські риби, креветки-палемоніди), решта - морськими пойкілоосмотіческімі, які здатні підвищувати тонічность внутрішнього середовища за рахунок затримки в крові сечовини. Пунктиром показані менш ймовірні шляхи еволюції.

Румунська академік Е. Пора свого часу запропонував розглядати солоність середовищ як поєднання двох чинників - осмотичного, визначається загальною кількістю розчинених часток, і рапіческого, обумовленого спільним специфічною дією розчинених іонів. Ми переконалися в справедливості цього припущенні, вивчаючи фізіологічну активність біломорських організмів - личинок-планул медуз Aurelia aurita і дорослих черевоногих молюсків Hydrobia ulvae. Тварин поміщали в судини зі зростаючою солоністю 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, .., 25 ‰, куди додавали багатоатомних спирт манітол (він, на відміну, наприклад, від цукрів, метаболічно неактивний), доводячи у всіх випадках середу до загального осмотичного тиску, відповідного типовою для Білого моря солоності 25 ‰. Результати експерименту показали, що для нормальних реакцій всім дослідженим організмам обов'язково потрібно зміст морських солей в середовищі не менш 5 ‰, і тільки після цього вони можуть реагувати на доданий маніт як на осмотичний фактор [6].

Таким чином, коли мова йде про осморегуляціі, частіше за все мається на увазі підтримку величин внутрішньої солоності. Або, іншими словами, осморегуляція здійснюється, перш за все, механізмами іонорегуляціі.

Відсутність осморегуляціі (пойкілоосмотіческое стан) характерно для більшості морських безхребетних, причому це стан зберігається в досить великому діапазоні солоності зовнішнього середовища - від 34.5 ‰ (океанічні води) до 5-8 ‰, дуже рідко до 3 ‰. Нижче цієї межі аж до прісних вод існування організмів можливе лише за рахунок роботи механізмів гіперосмотичної регуляції, "стежить" за тим, щоб внутрішня солоність клітин і тканин не опускалася нижче 5-8 ‰ [5].

Вироблений для життя у прісних водах рівень внутрішньої солоності трохи вище 5-8 ‰ зберігся у що вийшли на сушу нащадків прісноводних організмів різних груп. У людини, наприклад, солоність плазми крові близько 9-10 ‰ - морську воду, розведене до цих значень солоності, медики Радянського Союзу і Великої Британії використовували під час Другої світової війни в якості дешевого кровозамінника.

Рівень внутрішньої солоності, вироблений у прісних водах, виявився в чомусь настільки вигідним, що зберегли його нащадки прісноводних тварин, знову повернулися в море. У таких організмів (кісткових риб, креветок-палемонід, ветвістоусих рачків Evadne і Podon) в морі здійснюється гіпоосмотіческая регулювання - у них працюють механізми, що знижують внутрішню солоність. Це досягається постійним питтям морської води і виведенням назовні значної частини містяться в ній солей спеціальними клітинами покривів або зябер. При солоності зовнішнього середовища, близької океанічної, солоність плазми крові таких організмів часто виявляється приблизно в три рази меншою. Саме тому французький лікар і мандрівник Ален Бомбар, який переплив Атлантичний океан на надувному човні, використовував для пиття сік, видавлений з спійманих риб.

Таким чином, рівень гомойосміі як у гіперосмотичної прісноводних, так у гіпоосмотіческіх морських приблизно однаковий і визначається внутрішньою солоністю зазвичай не нижче 5-8 ‰, але близької цієї межі. При цьому зауважу, що осмотичний гомеостаз вироблявся у тварин різних таксонів (кільчастих хробаків, черевоногих і двостулкових молюсків, ракоподібних, риб та ін), що перемістилися з моря в прісні води, незалежно один від одного.

Очевидно, нижня межа внутрішньої солоності теж розташовується дуже близько до кордону стійкості білкових комплексів. Про це можна судити з різкого збільшення оптичної щільності тканинних витяжок різних прісноводних і морських організмів в морській воді солоністю нижче 5-8 ‰.

Регулювання pH

Тут найкраще процитувати монографію Г. А. Виноградова: "Аналіз власних і літературних даних дозволяє вважати, що в абсолютної більшості в різних таксономічних відношенні груп солоноватоводних і прісноводних тварин величина pH внутрішнього середовища знаходиться в межах 7.4-8.0 і фактично не залежить від концентрації водневих іонів у зовнішньому середовищі "[7, с.193]. Дійсно, кров морських і наземних організмів має близькі значення pH (у людини в нормі 7.35-7.45). Судячи ж з широкого розповсюдження в тваринному світі, гомеостаз концентрації водневих іонів дуже древній. Підтримується він двокарбонатний буфером: при високих значеннях рН вугільна кислота виділяється через органи дихання, бікарбонат - нирками.

Не можна не помітити, що слаболужна реакція внутрішнього середовища тварин також близька до критичного значення - при pH нижче 7.0 середу стає якісно інший, кислим.

У ювілейному збірнику доповідей, присвячених 200-річчю Московського товариства випробувачів природи, опубліковано єдине наукове повідомлення лауреата конкурсу студентських робіт - Д. А. Суплатова, четвертокурсники МДУ ім.М.В.Ломоносова. На прикладі бактеріальних пеніціллінацілаз він зазначив, що цей фермент стабільний при нейтральній величиною pH, а при подщелачіваніі або підкисленні починається дисоціація його молекули. Очевидно, такі якісні зміни стану характерні і для інших білків.

Оптична щільність тканинних витяжок прісноводних тварин в середовищах різної солоності.

Пунктиром відзначений контроль (100 -) - морська вода, відповідна нормальної внутрішньої солоності організмів.

Загальні принципи гомеостазу

Вибрані організмами різних таксономічних груп рівні регулювання температури і внутрішньої солоності виявилися близькі кордонів стійкості білкових комплексів, а рівень регулювання pH рідин внутрішнього середовища, перебуваючи в слабощелочной зоні, виявляється зовсім поряд з нейтральною точкою, за якої середовище стає кислою.

Очевидно, є якісь переваги регулювання біологічними процесами термо-, іонорегуляціі та регулювання концентрації водневих іонів поблизу кордонів стійкості білкових комплексів [8]. Саме у цієї небезпечної межі, але свідомо не переходячи через неї, виявляються оптимальними біологічні процеси у внутрішньому середовищі організмів. Чи не приватні чи це прояви загального принципу переваг регулювання поблизу критичних точок?

За твердженням В. І. Полежаева та Є. Б. Соболєвої, різкі зміни властивостей речовин поблизу критичних точок можуть бути викликані мінімальними впливами [9]. Згадаймо також керовані ядерні реакції розпаду або синтезу. Створювані в реакторі умови виділення корисної енергії можна розглядати як свого роду предвзрив. Вони дуже близькі до того, що може призвести до вибуху, але робиться все, щоб цей вибух не відбувся. Тільки поблизу критичної точки, не переходячи її, процесом можна керувати, наприклад, у разі реакцій розпаду - переміщенням стрижнів. У теорії управління функціональних систем сформульовано правило: "чим ближче реальне виводить із рівноваги вплив наближається до детермінованим процесів, тим менше потужність управління, необхідна для забезпечення стійкості "[10].

Можливо, переваги регулювання процесів поблизу їх критичних точок варто розглядати як прояв принципу мінімального дійств?? я. Цей принцип Макс Планк вважав найбільшим науковим узагальненням фізики, що увібрали в себе як приватність навіть закони збереження [11]. Принцип цей часто пов'язують з ім'ям Мопертюї, але відкривався він під різними назвами багатьма авторами [8, 12]. Відомий закон мінімуму Лібіха - приватна прояв цього принципу. Він також відомий як принцип найменших опорів Спенсера - Богданова [13]. Мені здається, принцип мінімального дії чудово виражений російським прислів'ям: "Де тонко, там і рветься". Якщо хочете розірвати - Рвіть тут, якщо зміцнити - тут і латання, але в обох випадках мета буде досягнута мінімальними зусиллями.

Список літератури

1. Bernard C. Les phenomenes de la vie. Paris, 1878. (Цитується в перекладі О. Г. Гінецінского.)

2. Cannon W.B. The wisdom of the body. L., 1932.

3. Дольник В.Р.// Журнал загальної біології. 2003. Т.64. № 6. С.451-462.

4. Зотін А.І., Зотін А.А. Напрямок, швидкість і механізми прогресивної еволюції. М., 1999.

5. Хлебовіч В.В. Критична солоність біологічних процесів. М., 1974.

6. Хлебовіч В.В.// Доповіді АН СРСР. 1972. Т.208. № 5. С.1221-1223.

7. Виноградов Г.А. Процеси іонної регуляції у прісноводних риб і безхребетних. М., 2000.

8. Хлебовіч В.В.// Журнал загальної біології. 2005. Т.66. № 5. С.431-435.

9. Полежаєв В.І., Соболєва Є.Б. Гідродинаміка околокрітіческіх рідин// Природа. 2003. № 10. С.17-26.

10. Петров Ю.П., Шишкін В.І. Управління та діагностика функціональних систем// Методичні вказівки до курсу "Функціональні системи "Ч.2. СПб., 1993.

11. Планк М. Единство фізичної картини світу. М., 1966.

12. Варіаційні принципи механіки/Ред. Л. С. Полак. М., 1959.

13. Тахтаджян А.Л. Principia tektologika. Принципи організації і трансформації складних систем: еволюційний підхід. СПб., 1998.

14. Суплатов Д.А. pH-залежність активності і стабільності бактеріальних пеніціллінацілаз// Доповіді на ювілейному засіданні, присвяченому 200-річчю Московського товариства випробувачів природи. М., 2005. С.48-62.

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://vivovoco.rsl.ru