Реклама

Гомеостаз: как организм поддерживает постоянство внутренней среды

Дата публикации Время чтения 15 минут Просмотров всего 2
Термометр с отметкой в зелёном коридоре нормы, окружённый стрелками обратной связи, — гомеостаз и постоянство внутренней среды
Вы можете поделиться статьей или скачать ее в PDF формате

Здравствуйте, друзья! В нашем традиционном лонгриде поговорим о гомеостазе — способности организма удерживать температуру, давление, уровень сахара, солей и кислотность крови в узких безопасных границах. Почему на морозе и в жару температура тела почти не меняется? Откуда организм знает, что пора выпить воды или выделить инсулин? И почему пожилые люди хуже переносят жару и обезвоживание?

Мы разберём, что такое внутренняя среда организма, как устроены петли обратной связи и чем отрицательная обратная связь отличается от положительной. Расскажем, какую роль играют гипоталамус, гормоны, почки, лёгкие и печень, и как гомеостаз меняется с возрастом, во время беременности, сна и физической нагрузки.

Отдельно обсудим, что происходит, когда механизмы постоянства не справляются, и что каждый из нас может сделать, чтобы им помочь. В конце статьи вас ждёт краткое резюме по каждому разделу статьи.

Часть 1. Что такое гомеостаз и зачем он нужен

1.1. Внутренняя среда организма

Каждая клетка тела живёт в жидкости. Большую часть массы взрослого человека — около 60% — составляет вода. Примерно две трети её находятся внутри клеток, а одна треть — снаружи: в межклеточном пространстве, плазме крови и лимфе. Эту наружную жидкость физиологи называют внутренней средой организма12.

Клетки получают из внутренней среды кислород, глюкозу и другие питательные вещества и отдают в неё углекислый газ и продукты обмена. Чтобы ферменты, мембраны и белки клеток работали правильно, состав этой жидкости должен оставаться почти неизменным. Даже небольшие сдвиги кислотности, концентрации калия или температуры нарушают работу нервов, мышц и сердца14.

Гомеостаз (от греческих слов «подобный» и «состояние») — это способность организма поддерживать постоянство внутренней среды, несмотря на перемены снаружи и внутри: жару и холод, голод и переедание, физическую нагрузку, кровопотерю или инфекцию15.

1.2. Откуда взялась идея постоянства

В середине XIX века французский физиолог Клод Бернар заметил, что животные с постоянной внутренней средой гораздо меньше зависят от условий снаружи. Он сформулировал мысль, которую цитируют до сих пор: постоянство внутренней среды — условие свободной и независимой жизни6.

В 1920-х годах американский физиолог Уолтер Кэннон предложил термин «гомеостаз». Он подчеркнул, что постоянство не означает неподвижности: организм непрерывно тратит энергию на то, чтобы возвращать показатели к норме. Кэннон же описал реакцию «бей или беги», в которой нервная система и надпочечники перестраивают работу всего тела67.

В советской физиологии похожую идею развил Пётр Анохин в теории функциональных систем. Согласно ей, для каждого важного показателя — давления, уровня глюкозы, газового состава крови — существует своя система, которая собирает органы, нервы и гормоны ради одного полезного результата8.

1.3. Что именно держится постоянным

Гомеостатических показателей десятки. Самые важные из них123:

  • Температура ядра тела — внутренних органов и крови.
  • Кислотность крови, или водородный показатель (pH).
  • Концентрация натрия, калия, кальция и других солей в плазме.
  • Осмотическое давление — общее количество растворённых частиц, от которого зависит, будет ли вода входить в клетки или выходить из них.
  • Уровень глюкозы в крови.
  • Содержание кислорода и углекислого газа в крови.
  • Объём циркулирующей крови и артериальное давление.

Одни показатели держатся очень жёстко. Например, кислотность артериальной крови в норме колеблется в пределах десятых долей единицы. Другие, вроде уровня глюкозы, заметно меняются после еды, но быстро возвращаются к исходному уровню1.

Миф

Гомеостаз — это неподвижное равновесие: если показатель нормальный, организм ничего не делает.

Факт

Постоянство поддерживается непрерывной работой. Почки ежеминутно фильтруют кровь, лёгкие выводят углекислый газ, сердце подстраивает выброс, а гормоны меняют обмен веществ. Нормальный показатель — это результат усилий, а не их отсутствия.

Часть 2. Как работает гомеостаз: обратная связь шаг за шагом

2.1. Три звена любой регулирующей системы

Простейшая аналогия — домашний термостат. Датчик измеряет температуру в комнате, блок управления сравнивает её с заданной, а обогреватель включается или выключается. В организме схема та же13:

  • Датчики, или рецепторы, измеряют показатель: например, нервные клетки гипоталамуса чувствуют температуру крови, а клетки поджелудочной железы — уровень глюкозы.
  • Центр регуляции сравнивает измеренное значение с нормой. Чаще всего это отделы головного мозга, но роль центра может играть и эндокринная клетка.
  • Исполнители, или эффекторы, меняют показатель: мышцы, сосуды, потовые железы, почки, печень.

Звенья связаны нервными импульсами и гормонами. Сигнал о сдвиге проходит по кругу и возвращается к датчику уже в виде изменённого показателя — отсюда и название «обратная связь»3.

2.2. Отрицательная обратная связь — главный механизм

Почти весь гомеостаз построен на отрицательной обратной связи: любое отклонение запускает ответ, который его уменьшает. Показатель вырос — система его снижает, упал — повышает12.

Хороший пример — регуляция глюкозы. После еды сахар в крови растёт. Бета-клетки островков поджелудочной железы улавливают это и выделяют инсулин. Он помогает мышцам и жировой ткани забирать глюкозу из крови, а печени — запасать её в виде гликогена. Когда сахар снижается, альфа-клетки выделяют глюкагон, и печень снова выпускает глюкозу в кровь19. Подробнее о клетках, которые выделяют эти гормоны, рассказывает статья «Всё, что вы хотели знать об островках поджелудочной железы».

Головной мозг почти не запасает глюкозу и зависит от её постоянного притока, поэтому организм особенно тщательно защищает нижнюю границу. При падении сахара включаются сразу несколько защитных гормонов: глюкагон, адреналин, кортизол и гормон роста12.

Другой пример — терморегуляция. Если температура крови растёт, гипоталамус расширяет сосуды кожи и включает потоотделение: тепло уходит наружу. На холоде сосуды кожи сужаются, появляются мурашки и мышечная дрожь, усиливается выработка тепла13.

2.3. Положительная обратная связь — механизм для быстрых событий

Бывает и обратная ситуация: изменение усиливает само себя. Такая положительная обратная связь не возвращает показатель к норме, а доводит процесс до конца. Организм использует её редко и только для событий, которые должны завершиться быстро12:

  • Роды: давление головки ребёнка на шейку матки усиливает выделение окситоцина, он усиливает схватки, а те ещё сильнее давят на шейку.
  • Свёртывание крови: каждый активированный фактор свёртывания запускает следующие, и за минуты образуется сгусток.
  • Овуляция: высокий уровень эстрогенов в середине цикла вызывает резкий выброс лютеинизирующего гормона гипофиза.
  • Нервный импульс: открытие натриевых каналов в мембране нервной клетки открывает соседние каналы.

Когда положительная обратная связь возникает там, где её быть не должно, она превращается в порочный круг болезни. Например, при сильной кровопотере падает давление, сердце хуже снабжается кровью, слабее сокращается — и давление падает ещё больше110. Этой теме посвящена отдельная статья нашего плана о порочных кругах.

2.4. Регуляция с опережением

Организм не только исправляет отклонения, но и предупреждает их. Ещё до того, как пища попадёт в кишечник, вид и запах еды вызывают выделение слюны, желудочного сока и небольшой порции инсулина. Перед пробуждением растёт уровень кортизола, готовя тело к дневной активности. Такую упреждающую регуляцию физиологи называют прямой связью211.

Современная физиология дополняет понятие гомеостаза идеей аллостаза — достижения устойчивости через изменения. Мозг заранее перенастраивает давление, пульс и обмен веществ под ожидаемую нагрузку. Если стресс длится месяцами, такая перенастройка сама становится вредной, и говорят об аллостатической нагрузке1112.

Миф

Гормоны стресса всегда вредны, и чем их меньше, тем лучше.

Факт

Кратковременный выброс адреналина и кортизола — нормальная и полезная часть гомеостаза: он поднимает сахар и давление, когда нужно действовать. Вред приносит хронический стресс, при котором эти гормоны долго остаются повышенными и нарушают сон, давление и обмен веществ.

Часть 3. Кто управляет гомеостазом

3.1. Нервная система: быстрые поправки

Главный центр гомеостаза — гипоталамус, небольшой отдел промежуточного мозга. В нём находятся центры терморегуляции, жажды, голода и насыщения, а также нейроны, которые чувствуют осмотическое давление крови. Гипоталамус управляет и вегетативной нервной системой, и гипофизом — главной эндокринной железой13. Об устройстве этой пары рассказывает статья «Всё, что вы хотели знать о гипоталамусе и гипофизе».

Вегетативная нервная система (часть нервной системы, которая работает без участия сознания) действует за секунды. Её симпатический отдел учащает пульс, сужает сосуды и поднимает давление, парасимпатический — замедляет сердце и усиливает пищеварение. Например, при вставании с кровати рецепторы в стенке сонных артерий замечают снижение давления, и за несколько ударов сердца сосуды сужаются, а пульс ускоряется14.

3.2. Гормоны: медленная и стойкая регуляция

Гормоны действуют медленнее нервов — от минут до дней, — зато их эффект охватывает весь организм и держится долго. Ключевые гормоны гомеостаза12:

  • Инсулин и глюкагон — регулируют уровень глюкозы.
  • Антидиуретический гормон гипофиза — заставляет почки удерживать воду при её нехватке.
  • Альдостерон надпочечников — задерживает натрий и выводит калий.
  • Паратгормон околощитовидных желёз и активная форма витамина D — поддерживают уровень кальция.
  • Кортизол — помогает переносить стресс, поддерживает сахар и давление.
  • Гормоны щитовидной железы — задают общую скорость обмена веществ и выработку тепла.

Кальций — пример особенно жёсткой регуляции: от него зависят сокращение мышц, проведение нервных импульсов и свёртывание крови. Даже небольшое снижение кальция в крови за минуты усиливает выделение паратгормона1. Подробнее — в статье «Всё, что вы хотели знать об околощитовидных железах».

Надпочечники участвуют в гомеостазе сразу на нескольких уровнях: их кора вырабатывает альдостерон и кортизол, а мозговое вещество — адреналин и норадреналин1. Об этом органе рассказывает статья «Всё, что вы хотели знать о надпочечниках».

Реклама

3.3. Органы-исполнители

Команды мозга и гормонов выполняют несколько органов, и у каждого своя зона ответственности14:

  • Почки регулируют объём и состав жидкости, уровень натрия, калия и кальция, выводят кислоты и участвуют в контроле давления.
  • Лёгкие выводят углекислый газ и за минуты меняют кислотность крови.
  • Печень запасает и выпускает глюкозу, обезвреживает аммиак и лекарства, синтезирует белки плазмы.
  • Кожа и её сосуды вместе с потовыми железами отвечают за отдачу тепла.
  • Кишечник регулирует всасывание воды, солей и питательных веществ.

За сутки почки фильтруют около 180 литров жидкости, но почти всё возвращают обратно, оставляя в моче 1–2 литра. Именно поэтому они так точно настраивают водно-солевой баланс12. Об их строении рассказывает статья «Всё, что вы хотели знать о почках», а о работе печени — статья «Как работает печень и почему она такая важная».

3.4. Буферы и запасы прочности

Есть и защита, которая срабатывает мгновенно, без участия нервов и гормонов. Это буферные системы крови — гидрокарбонатная, фосфатная и белковая, прежде всего гемоглобин. Они связывают лишние ионы водорода или отдают их, сглаживая сдвиг кислотности ещё до того, как подключатся лёгкие и почки14.

Кислотность регулируется в три эшелона: буферы работают за секунды, дыхание — за минуты, почки — за часы и дни. Благодаря такой многоуровневой защите организм переносит и тяжёлую физическую работу, и временное голодание113.

Часть 4. Как гомеостаз меняется в течение жизни

4.1. Нормы — это диапазоны, а не точки

Нормальные значения — это диапазоны, в которые укладывается большинство здоровых людей. У каждого человека есть свои индивидуальные особенности: например, средняя температура тела у разных здоровых людей может отличаться на несколько десятых градуса14. В таблице приведены ориентиры для взрослых; конкретные границы зависят от лаборатории и метода.

Таблица 1. Основные показатели внутренней среды у здорового взрослого

ПоказательОбычный диапазонКто главным образом регулирует
Температура тела в подмышечной впадинеОколо 36,0–37,0 °CГипоталамус, сосуды кожи, потовые железы, мышцы
Кислотность артериальной крови (pH)7,35–7,45Буферы крови, лёгкие, почки
Натрий плазмы135–145 ммоль/лПочки, антидиуретический гормон, альдостерон, жажда
Калий плазмы3,5–5,0 ммоль/лПочки, альдостерон, инсулин
Кальций общий2,15–2,55 ммоль/лПаратгормон, витамин D, почки, кишечник
Глюкоза натощак в капиллярной крови3,3–5,5 ммоль/лИнсулин, глюкагон, печень
Осмоляльность плазмы275–295 мОсм/кгГипоталамус, антидиуретический гормон, почки

4.2. Суточные ритмы и сон

Многие показатели меняются по суточному графику. Температура тела минимальна под утро и максимальна во второй половине дня, разница обычно составляет около половины градуса. Кортизол достигает пика в первые часы после пробуждения, а гормон роста выделяется в основном в глубоком сне215.

Сон — это не пауза, а время активной настройки гомеостаза. При хроническом недосыпании ухудшается чувствительность тканей к инсулину, повышаются аппетит и давление15. Подробнее о биологических часах — в статье «Циркадные ритмы и здоровье мозга: почему режим сна так важен».

4.3. Питание и физическая нагрузка

После еды уровень глюкозы растёт, но у здорового человека через 2 часа возвращается почти к исходному. При голодании печень сначала расходует запасы гликогена, которых хватает примерно на сутки, а затем начинает синтезировать глюкозу из аминокислот и глицерина, а жиры превращает в кетоновые тела — дополнительное топливо для мозга14.

Во время интенсивной нагрузки мышцы в десятки раз увеличивают потребление кислорода, выделяют тепло и кислые продукты обмена. Организм отвечает учащением дыхания и пульса, перераспределением крови и потоотделением. В жару с потом можно терять больше литра жидкости в час, и без питья это быстро ведёт к обезвоживанию13.

Постоянство поддерживается и при смене условий среды. При подъёме в горы организм за дни и недели адаптируется к недостатку кислорода: почки вырабатывают больше эритропоэтина — гормона, который стимулирует образование эритроцитов. В жарком климате за 1–2 недели потоотделение начинается раньше, а пот становится менее солёным113.

4.4. Беременность, детство и старость

Во время беременности организм женщины перестраивает многие константы. Объём крови увеличивается примерно на 40–50%, дыхание становится глубже, и уровень углекислого газа в крови снижается. Глюкоза натощак у беременных в норме ниже, поэтому критерии диабета беременных строже: уже 5,1 ммоль/л натощак в венозной плазме считают отклонением19.

У младенцев механизмы гомеостаза ещё незрелые: относительно большая поверхность тела быстро теряет тепло, а почки хуже концентрируют мочу. Поэтому дети раннего возраста быстрее перегреваются, переохлаждаются и обезвоживаются23.

С возрастом запас прочности снижается. Это явление называют гомеостенозом — сужением резервов гомеостаза. У пожилых людей слабее чувство жажды, почки хуже удерживают воду, медленнее включаются потоотделение и дрожь. В покое показатели могут быть нормальными, но при жаре, инфекции или приёме мочегонных организм гораздо легче выходит из равновесия25.

Миф

Нормальная температура тела у всех — ровно 36,6 °C.

Факт

Цифра 36,6 °C — лишь удобный ориентир. У здоровых людей температура меняется в течение суток, зависит от места измерения, возраста и индивидуальных особенностей. Подмышечная температура от 36,0 до 37,0 °C обычно считается нормальной.

Часть 5. Когда гомеостаз нарушается

5.1. Болезнь как выход за границы

Пока регулирующие системы справляются, отклонения остаются незаметными. Болезнь начинается тогда, когда повреждение превышает возможности компенсации или когда ломается сам регулятор516. Подробно о том, что такое болезнь и предболезнь, как связаны причины и механизмы болезней и почему одни люди устойчивее других, мы расскажем в отдельных статьях этого раздела.

Нарушения гомеостаза можно разделить на несколько типов516:

  • Поломка датчика или центра — например, при некоторых опухолях и травмах гипоталамуса нарушаются жажда и терморегуляция.
  • Нехватка или избыток регулирующего гормона — сахарный диабет при недостатке действия инсулина, тиреотоксикоз при избытке гормонов щитовидной железы.
  • Отказ органа-исполнителя — при хронической болезни почек нарушается выведение калия, кислот и воды.
  • Нагрузка, превышающая резервы, — тепловой удар, тяжёлое обезвоживание, переохлаждение, массивная кровопотеря.

5.2. Компенсация и её цена

При многих болезнях организм долго удерживает показатели в норме за счёт напряжения регуляторов. Например, при начинающемся диабете 2 типа поджелудочная железа годами выделяет больше инсулина, преодолевая сниженную чувствительность тканей, — и сахар остаётся нормальным. Когда бета-клетки истощаются, глюкоза начинает расти59.

Иногда сама компенсация становится частью болезни. При сердечной недостаточности задержка натрия и воды сначала поддерживает давление, но затем перегружает сердце и вызывает отёки510. Такие порочные круги — одна из главных тем патофизиологии.

ВАЖНО:

Нормальные анализы не всегда означают, что резервы организма в порядке: на ранних стадиях многих болезней показатели держатся за счёт усиленной работы регуляторов. Поэтому важны регулярные профилактические осмотры, особенно после 40 лет, при лишнем весе, повышенном давлении и наследственной предрасположенности к диабету и болезням сердца.

Часть 6. Как помочь своему гомеостазу

6.1. Что зависит от нас

Регулирующие системы работают автоматически, но условия для них создаём мы сами. Наибольшее значение имеют сон, питьевой режим, питание, движение и отказ от курения и избытка алкоголя1215.

Особенно внимательными стоит быть пожилым людям, людям с хроническими болезнями сердца и почек, а также тем, кто принимает мочегонные и препараты для снижения давления. В жару и при кишечных инфекциях у них быстрее развиваются обезвоживание и нарушения солевого состава крови15.

Миф

Чем больше воды выпить, тем лучше для организма.

Факт

Почки здорового человека хорошо справляются с обычными колебаниями питья, а ориентиром служит жажда и светлый цвет мочи. Выпивание очень больших объёмов воды за короткое время, например во время марафона, может снизить уровень натрия в крови и вызвать опасное состояние — гипонатриемию.

6.2. Пошаговый план поддержки гомеостаза

01

Спите 7–9 часов и ложитесь в одно и то же время.

02

Пейте по жажде, а в жару и при нагрузке заранее увеличивайте объём жидкости.

03

Питайтесь регулярно, с достаточным количеством овощей, цельных злаков и белка.

04

Двигайтесь не меньше 150 минут в неделю в умеренном темпе.

05

Постепенно привыкайте к жаре, холоду и высоте, не начинайте с максимальной нагрузки.

06

Откажитесь от курения и ограничьте алкоголь.

07

Обсудите с врачом, как корректировать мочегонные и другие препараты в жару и при болезни.

08

Проходите профилактические осмотры и контролируйте давление, сахар и вес.

Когда срочно нужно к врачу

Вызывайте скорую помощь, если у вас или у близкого появились:

Температура выше 40 °C, спутанность сознания или прекращение потоотделения в жару
Сильная дрожь, вялость, бледность и холодная кожа после переохлаждения
Сильная жажда, сухость во рту, редкое мочеиспускание и головокружение при вставании
Потливость, дрожь, спутанность сознания у человека с сахарным диабетом
Частое глубокое дыхание, запах ацетона изо рта, рвота
Судороги, резкая слабость в мышцах или перебои в работе сердца

Краткое резюме

Гомеостаз — это способность организма поддерживать постоянство внутренней среды: температуры, кислотности крови, концентрации солей, уровня глюкозы, газового состава и объёма крови. Идею постоянства внутренней среды высказал Клод Бернар, термин «гомеостаз» ввёл Уолтер Кэннон, а Пётр Анохин описал функциональные системы, которые объединяют органы ради нужного результата.

Основной механизм гомеостаза — отрицательная обратная связь: датчик замечает отклонение, центр сравнивает его с нормой, а исполнители возвращают показатель назад. Положительная обратная связь используется для быстрых событий — родов, свёртывания крови, овуляции, — а в болезни превращается в порочный круг. Организм умеет и упреждать сдвиги, перестраиваясь заранее.

Управляют гомеостазом гипоталамус и вегетативная нервная система, гормоны — инсулин, глюкагон, альдостерон, антидиуретический гормон, паратгормон, кортизол, — а также почки, лёгкие, печень, кожа и буферы крови. Нервная система вносит быстрые поправки за секунды, гормоны действуют медленнее, но дольше, а кислотность крови защищают сразу три эшелона — буферы, дыхание и почки.

Нормы — это диапазоны, которые меняются в течение суток, при еде, нагрузке, беременности и с возрастом. У младенцев и пожилых резервы гомеостаза меньше, поэтому они легче перегреваются и обезвоживаются. Во время беременности объём крови и многие константы меняются, а сон — это время активной настройки гормонов и обмена веществ.

Болезнь начинается, когда повреждение превышает возможности компенсации. Помочь своему гомеостазу можно регулярным сном, питьём по жажде, правильным питанием, движением, отказом от курения и профилактическими осмотрами. Высокая температура со спутанностью сознания, сильное обезвоживание, судороги и перебои сердца требуют срочной помощи.

Реклама

Источники

  1. Hall J. E., Hall M. E. Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology. 14th edition. Elsevier. США, 2020.
  2. Barrett K. E., Barman S. M., Brooks H. L., Yuan J. X.-J. Ganong’s Review of Medical Physiology. 26th edition. McGraw-Hill Education. США, 2019.
  3. Ткаченко Б. И. (ред.) Нормальная физиология человека. 2-е издание. Медицина. Россия, 2005.
  4. Boron W. F., Boulpaep E. L. Medical Physiology. 3rd edition. Elsevier. США, 2017.
  5. Литвицкий П. Ф. Патофизиология: учебник в 2 томах. 5-е издание. ГЭОТАР-Медиа. Россия, 2016.
  6. Cannon W. B. Organization for physiological homeostasis. Physiological Reviews. США, 1929.
  7. Billman G. E. Homeostasis: the underappreciated and far too often ignored central organizing principle of physiology. Frontiers in Physiology. Швейцария, 2020.
  8. Анохин П. К. Очерки по физиологии функциональных систем. Медицина. СССР, 1975.
  9. Дедов И. И., Шестакова М. В., Майоров А. Ю. (ред.) Алгоритмы специализированной медицинской помощи больным сахарным диабетом. 11-й выпуск. Сахарный диабет. Россия, 2023.
  10. Vincent J.-L., De Backer D. Circulatory shock. New England Journal of Medicine. США, 2013.
  11. Sterling P. Allostasis: a model of predictive regulation. Physiology and Behavior. США, 2012.
  12. McEwen B. S. Protective and damaging effects of stress mediators. New England Journal of Medicine. США, 1998.
  13. Судаков К. В. (ред.) Нормальная физиология: учебник. ГЭОТАР-Медиа. Россия, 2015.
  14. Obermeyer Z., Samra J. K., Mullainathan S. Individual differences in normal body temperature: longitudinal big data analysis of patient records. BMJ. Великобритания, 2017.
  15. Орлов Р. С., Ноздрачёв А. Д. Нормальная физиология: учебник. 2-е издание. ГЭОТАР-Медиа. Россия, 2010.
  16. Kotas M. E., Medzhitov R. Homeostasis, inflammation, and disease susceptibility. Cell. США, 2015.

Материал носит информационно-просветительский характер и не заменяет очной консультации врача. Диагноз и лечение определяет только врач.

Loading

Мы используем cookies для корректной работы сайта и анализа посещаемости. Продолжая пользоваться сайтом, вы соглашаетесь с их использованием.