Физиология и биофизика возбудимых систем
Вводная часть
Что такое физиология как научная дисциплина?
Физиология (греч. physis – природа, logos - учение) – наука, изучающая процессы жизнедеятельности и механизмы их регулирования в различных биологических системах: клетки – ткани – органы – системы органов – организм.
Предметом изучения физиологии являются функции живого организма, их связь между собой, регуляция и приспособление к внешней среде, происхождение и становление в процессе эволюции и индивидуального развития особи.
Физиология рождалась главным образом в связи с запросами практической медицины, перед которой стояли следующие проблемы:
- сохранение здоровья человека;
- поддержание работоспособности;
- лечение заболеваний;
- восстановление здоровья после болезни.
Лечение людей и трудовая практика требовали знаний о строении человеческого тела, поэтому достижения анатомии и гистологии стали обязательными условиями для развития физиологии. Кроме того, физиология могла развиваться, только опираясь на такие науки как физика, химия, математика, кибернетика. Становление биохимии и клеточной биологии сделало возможным понимание важнейших сторон физиологии крови, выделения, пищеварения, клеточного дыхания. Современные представления о молекулярном строении живых тканей, достижения биофизики позволило познать многие свойства возбудимых тканей.
Задачи физиологии как науки:
1) изучение закономерностей жизненных процессов: дыхание, питание, обмен веществ и энергии и др.
2) механизмы взаимодействия разных систем организма, а также взаимодействие целостного организма с внешней средой.
3) исследование формирования физиологических функций на разных этапах фило- и онтогенеза.
Резюме: глубокое познание физиологических функций необходимо для активного, направленного изменения функций.
Деление на разделы условно.
1. Общая физиология. Изучает основные жизненные процессы, общие проявления жизнедеятельности: метаболизм клеток и тканей, свойства биологических мембран, общие закономерности реагирования организма на воздействия окружающей среды, формирование и изменение функций в процессе фило- и онтогенеза.
2. Частная физиология. Изучает свойства отдельных тканей, органов, систем органов (физиология крови, сердца, выделения, сенсорных систем и т.д.).
3. Прикладная физиология: Изучает закономерности проявлений деятельности организма в определенных условиях (Физиология спорта, питания, космическая, экологическая и т.д.).
Кроме того, физиологию можно разделить:
1) Нормальная физиология.
Задачи нормальной физиологии как учебной дисциплины в системе высшего медицинского образования:
- обучение будущих врачей пониманию механизмов функционирования каждого органа и организма в целом. Вылечить – значит восстановить нарушенную функцию. При изучении физиологии закладываются основы клинического мышления, база профессионального творчества;
- методическая подготовка будущего врача. Изучая физиологию, впервые обретаются навыки работы с живым организмом, навыки оценки состояния как отдельных систем, так и организма в целом на базе полученной информации. Закладываются основы функциональной диагностики;
- понимание возможностей адаптации и подготовки здорового человека к различным видам деятельности, особенно в условиях меняющейся экологической ситуации.
2) Патологическая физиология.
Нарушение жизнедеятельности является предметом патологической физиологии, которая изучает механизмы возникновения, развития и завершения патологических процессов. Без знания функции здорового организма нельзя установить ее нарушение, т.е. правильно определить пути лечения.
Клиническая физиология
Осуществляет связь между фундаментальными и клиническими науками. Изучает роль и характер изменения физиологических процессов как основу для возникновения патологических состояний организма, исследует компенсаторные механизмы нарушенных функций.
Методы физиологических исследований:
Основным методом является эксперимент. Для изучения механизмов физиологического процесса создают условия, в которых можно вызвать этот процесс и в последующем управлять им. Существуют аналитический и синтетический подходы в исследовании функций.
Формы проведения физиологического эксперимента:
1) Острый
2) Хронический
- Удаление органов, пересадка органов, тканей, вживление электродов, наложение анастамозов.
- Метод условных рефлексов.
- Телеметрия.
- Моделирование различных патологических процессов.
- Клинические функциональные пробы на человеке (ортостатическая, велоэргометрия, форсированное дыхание и т.д.).
- Кардиомониторинг
4) В условиях изолированного органа.
- Перфузия изолированного сердца по Лангендорфу
- Сердечно-легочный препарат
Заключительная часть введения
Современные этапы физиологии характеризуют:
- Высокая техническая оснащенность – аудио- и видеотехника, компьютеры, моделирование физиологических процессов.
- Углубление аналитического подхода к изучению физиологических процессов. Исследование механизмов жизнедеятельности на клеточном и молекулярном уровнях;
- Развитие системного подхода в оценке жизнедеятельности организма. Функциональная система (Анохин П.К.), динамическая система и т. д., кибернетика.
- Изучение развития функций в фило- и онтогенезе.
Проблемы общей физиологии:
- медицинские, например – боли и обезболивания;
- роль эмоционального стресса;
- механизмы акупунктуры;
- трансплантация клеток, тканей, органов;
- формирование функций плода в эмбриогенезе;
- адаптация к условиям труда и быта, к действию экстремальных факторов: космос, подводные условия и др.;
- устойчивость человека к климатическим условиям,
- экология человека.
- физиологические: изучение тонких механизмов условно-рефлекторной деятельности, процессов возбуждения-торможения, пластичности нервных клеток, проблемы старения.
На стыке физиологии и других наук рождаются новые научные направления: бионика, иммунология, нейрокибернетика, биоэнергетика и др.
Конец вводной части (20 минут)
Физиология и биофизика возбудимых систем
Как вы уже знаете, существует две формы материи:
живая и неживая.
Сходство материй и их различие можно выявить, сравнив обменные процессы с окружающей средой:
Обмен веществ:
1) В неживой природе: обмен веществ ведет к разрушению (диссимиляции),
2) В живой природе: обмен веществ ведет к созиданию (ассимиляции).
Энергообмен:
1) В неживой природе – динамическое равновесие,
2) В живой природе – нет динамического равновесия.
Согревание бутылочки в теплой воде: согрели, на этом и закончилось.
Человек на морозе на улице, если их температуры уравновесятся, то человек умрет. В этом отличие. Часть энергии тратится на постоянство внутренней среды.
Информационный обмен:
1) В неживой природе: отражение пассивно
2) В живой природе – отражение активно
(Человек прошелся в рифленой обуви по песку (остался след) и по другому человеку).
Раздражимые системы
Организм животных и человека обладает высочайшей способностью приспосабливаться к постоянно меняющимся условиям внешней и внутренней среды. В основе приспособительных реакций организма лежит универсальное свойство живой ткани раздражимость.
Раздражимость– способность активно отвечать на воздействие внешней и внутренней среды изменением обменных процессов.
Раздражимость характерна для всех биосистем (например, животные, растительные клетки). Раздражимость является эволюционно древней формой реагирования недифференцированных тканей. В процессе эволюции произошла постепенная дифференцировка тканей. Раздражимость в этих тканях достигла наивысшего выражения и получила название возбудимость. Т.е. возбудимость – частное проявление раздражимости.
Возбудимость - способность ткани специализированно, целенаправленно отвечать на раздражение.Возбудимостью обладаютнервная, мышечная и железистая ткани.
Возбуждение – процесс, характеризующийся изменением обмена в ответ на раздражение в виде временной деполяризации мембраны. Ответной реакцией нервной клетки может быть проведение нервного импульса, мышечной клетки – сокращение, секреторной – синтез и выделение биологически активного вещества.
Компоненты возбуждения:
- Химический
- Физико-химический
- Физический
- Физиологический
Физико-химический – ионная проницаемость (будем изучать).
Физический – электрические, термические, механические проявления.
Физиологический – изменение функциональных свойств (например, клетка может утратить возбудимость во время возбуждения).
Электрическое проявление – наиболее значимое для возбуждения. Регистрируется в виде быстрого колебания мембранного потенциала или потенциала действия. Таким образом, возбудимость – способность генерации потенциала действия (ПД), а возбуждение – процесс генерации ПД.