Физиология и экспериментальная медицина

Физиология (греч. physiologia; от physis — природа и logos — учение) — одна из древнейших естественных наук. Она изучает жизнедеятельность целого организма, его частей, систем, органов и клеток в тесной взаимосвязи с окружающей природой. История физиологии включает в себя два периода: эмпирический и экспериментальный, который можно подразделить на два этапа — до Павлова и после него.

Эмпирический период.

Первые представления о работе отдельных органов человеческого тела начали складываться в глубокой древности, и изложены в дошедших до нас сочинениях философов древнего Востока, древней Греции и древнего Рима. В период классического средневековья, когда господствовала церковная схоластика, и преследовались попытки опытного познания природы, в развитии естествознания наблюдался застой.

В эпоху Возрождения анатомо-физиологические и естественнонаучные исследования, произведенные А. Везалием, М. Серветом, Р. Коломбо, И. Фабрицием, Г. Фаллопием, Г. Галилеем, С. Санторио и другими, подготовили почву для будущих открытий в области физиологии.

Экспериментальный период.

Физиология как самостоятельная наука, основанная на экспериментальном методе исследования, ведет свое начало от работ Уильяма Гарвея (Harvey, William, 1578-1657), который математически рассчитал и экспериментально обосновал теорию кровообращения.

Бурное развитие естественных наук в тот период было связано с потребностями молодого класса буржуазии, заинтересованного в развитии промышленного производства. Установленные в эксперименте законы механики, с помощью которых тогда пытались объяснить все явления материального мира, переносились на живые существа (ятромеханика и ятрофизика). Таким образом, физиология XVII-XVIII столетий носила механистический, метафизический характер, для того этапа развития науки лось явлением прогрессивным. С позиций законов механики ученые пытались объяснить работу двигательного аппарата, механизм вентиляции легких, функции почек и т.д. Большой популярностью пользовалась концепция животных-автоматов, развивавшаяся с Декартом (Descartes, Rene, 1596), который распространил принцип механистического движения и на нерв-систему животных. Он выдвинул идею о рефлексе как отражении от мозга 'животных духов", переходящих с одного нерва на другой, и таким образом разработал в простейшем виде рефлекторную дугу. (Термин reflexus, т.е. отраженный, ввел в физиологию чешский ученый И.Прохаска, 1749-1820.) Используя законы оптики, Декарт пытался объяснить работу глаза человека. Механистические взгляды Декарта для того времени были прогрессивными и оказали положительное влияние на дальнейшее развитие естествознания. В то же время Декарт полагал, что мышление является способностью души и не имеет ничего общего с материей, единственным свойством которой он считал протяженность. Его дуализм отразился на мировоззрении многих естествоиспытателей последующих поколений.

Большую роль в развитии физиологии сыграл швейцарский естествоиспытатель, врач и поэт Альбрехт Галлер (Haller, Albrecht von, 1708-1777). Он пытался уяснить сущность процесса дыхания в легких, установил три свойства мышечных волокон (упругость, сократимость и раздражимость), определил зависимость силы сокращения от величины стимула и тем самым развил представления Декарта о рефлексе. Галлер первым заметил, что сердце сокращается непроизвольно под действием силы, которая находится в самом сердце. Выдающимся достижением XVIII в. явилось открытие биоэлектрических явлений ("животного электричества") в 1791 г. итальянским анатомом и физиологом Луиджи Гальвани (Galvani, Luigi Aloisio, 1737-1798), что положило начало электрофизиологии.

К XIX в. было накоплено достаточно много физиологических знаний. Однако в науке продолжало господствовать метафизическое мышление, которое, исчерпав свою прогрессивную роль, на данном этапе развития науки приводило к разработке идеалистических, например, виталистических (от лат. vitalis — жизненный) концепций.

Против представлений об особой "жизненной силе" активно выступал один из основоположников экспериментальной медицины — французский физиолог Франсуа Мажанди (Magendie, Francois, 1783-1855). Продолжая исследования И. Прохаски, он доказал раздельное существование чувствительных (задние корешки) и двигательных (передние корешки спинного мозга) нервных волокон (1822), что утверждало соответствие между структурой и функцией (закон Бэлла-Мажанди).

Среди основоположников физиологии и экспериментальной медицины выдающееся место занимает немецкий естествоиспытатель Иоганнес Мюллер (Muller, Johannes Peter, 1801-1858), член Прусской (1834) и иностранный член-корреспондент Петербургской академии наук. Ему принадлежат фундаментальные исследования и открытия в области физиологии, патологической анатомии, эмбриологии. В 1833 г. он сформулировал основные положения рефлекторной теории, которые нашли дальнейшее развитие в трудах И.М.Сеченова и И.П.Павлова.

И.Мюллер внес большой вклад в материалистическое познание природы. Он создал уникальную по количеству последователей и их вкладу в науку научную школу. К ней принадлежат Р. Вирхов, Г. Гельмгольц, Ф. Генле, Э. Дюбуа-Реймон, Э. Пфлюгер, Т. Шванн. В его лаборатории работали многие ученые России: А.М. Филомафитский, И.М. Сеченов и другие.

В России создание основ материалистического направления в физиологии, прежде всего связано с деятельностью Алексея Матвеевича Фшюмафитского (1807-1849) — основоположника московской физиологической школы. В 1833 г. он защитил докторскую диссертацию "О дыхании птиц", затем в течение двух лет работал в Германии в лаборатории И.Мюллера. В 1835 г. А.М.Филомафитский стал профессором Московского университета, а в 1836 г. создал учебник "Физиология, изданная для руководства своих слушателей" (1836) —первый отечественный учебник физиологии.

А.М.Филомафитский был одним из первых пропагандистов экспериментального метода в российской физиологии медицине. Вместе с Н.И.Пироговым ад разработал метод внутривенного наркоза, изучал вопросы физиологии дыхания, пищеварения, переливания крови ("Трактат о переливании крови", 1848); создал аппараты для переливания крови, маску для эфирного наркоза и другие физиологические приборы.

В середине XIX в. развитие физиологии было тесно связано с важнейшими открытиями и обобщениями в области физики, химии, биологии. На их основе были разработаны новые методы и приемы физиологического эксперимента.

В лаборатории выдающегося физиолога Карла Людвига (Ludwig, Karl F.W., 1816-1895) — создателя одной из крупнейших школ в истории физиологии — были сконструированы кимографы (1847) и ртутный манометр для записи кровяного давления, "кровяные часы" для измерения скорости кровотока, плетизмограф, определяющий кровенаполнение конечностей и другие приборы для физиологических экспериментов.

Основоположник нервно-мышечной физиологии немецкий физиолог Эмиль Дюбуа-Реймон (Du Bois-Reymond, Emile, 1818-1896), продолжая исследования, начатые Гальвани и Вольта, разработал новые методы электрофизиологического эксперимента и открыл законы раздражения и явления электрона (1848). Им сформулирована также молекулярная теория биопотенциалов.

Немецкий физик, математик и физиолог Герман Гельмгольц (Helmholltz Herman,1821-1894), заложивший основы физиологии возбудимых тканей крупные открытия в области физиологической акустики и физиологии зрения, изучал процессы сокращения мышц явление тетануса, 1854 и впервые измерил скорость проведения возбуждения. По нерву лягушки (1850).

Выдающийся французский физиолог Бернар (Bernard, Claude, 1813-1878) детально изучил физиологические механизмы сокоотделения и значение Переваривающих свойств слюны, желудочного сока и секрета поджелудочной железы для здорового и больного организма, заложив, таким образом, основы Экспериментальной патологии. Он создал теорию сахарного мочеизнурения (высшая премия Французской Академии наук, 1853), занимался исследованием нервной регуляции кровообращения, выдвинул концепцию о значении постоянства внутренней среды организма (основы учения о гомеостазе).

Таким образом, во второй половине XIX в. были сделаны большие успехи в изучении функций отдельных органов и систем, в исследовании некоторых наиболее простых механизмов регуляции деятельности сердца (Э. Вебер, И.Ф. Цион, И.П. Павлов), сосудов (А.П.Вальтер, К.Бернар, К.Людвиг, И.Ф.Цион, Ф.В. Овсянников), дыхания (Н.А. Миславский), скелетных мышц (Ф. Мажанди, И.М. Сеченов, Н.Е. Введенский) и других органов и систем. Но все эти знания остались разрозненными, они небыли объединены теоретическими обобщениями о взаимной связи различных функций организма между собой. Это был период Накопления информации, и потому превалировал анализ явлений (аналитическая физиология). Однако уже намечаюсь и тенденция к синтезу, которая продлялась в стремлении к изучению функций центральной нервной системы в первую очередь рефлексов.

Выдающийся вклад в развитие рефлекторной теории, которая является научной из основных теоретических концепций физиологии и медицины, внес великий русский ученый, выдающийся представитель российской физиологической школы и основоположник научной психологии Иван Михайлович Сеченов (1829-1905).

В 1856 г. он закончил медицинский факультет Московского университета и был направлен за границу, где проходил подготовку к профессорскому званию в лабораториях И.Мюллера, Э.Дюбуа-Реймона, К.Людвига, К.Бернара. По возвращении в Россию в 1860 г. И.М.Сеченов защитил докторскую диссертацию "Материалы для будущей физиологии алкогольного опьянения". Его работы по физиологии дыхания и крови, газообмену, растворению газов в жидкостях и обмену энергии заложили основы будущей авиационной и космической физиологии. Однако особое значение имеют его труды в области физиологии центральной нервной системы и нервно-мышечной физиологии.

Во времена И.М.Сеченова представления о работе мозга были весьма ограниченными. В середине XIX в. еще не было учения о нейроне как структурной единице нервной системы. Оно было создано лишь в 1884 г. испанским гистологом, лауреатом Нобелевской премии (1906) С. Рамон-и-Кахалем (Ramon-y-Cajal, Santjago, 1852-1934). Не существовало и понятия о синапсе, которое было введено в 1897 г. английским физиологом Ч.Шеррингтоном (Sherrington, Charles Scott, 1857-1952), сформулировавшим принципы нейронной организации рефлекторной дуги. Ученые того времени не распространяли рефлекторные принципы на деятельность головного мозга.

И.М.Сеченов первым выдвинул идею о рефлекторной основе психической деятельности и убедительно доказал, что "все акты сознательной и бессознательной жизни по способу происхождения суть рефлексы". Открытое им центральное (сеченовское) торможение (1863) впервые продемонстрировало, что наряду с процессом возбуждения существует другой активный процесс — торможение, без которого немыслима интегративная деятельность центральной нервной системы.

Классическим обобщением исследований И.М.Сеченова явился его труд "Рефлексы головного мозга" (1863), который И.П.Павлов назвал "гениальным взмахом русской научной мысли". Суть его лаконично выражена в первоначальных названиях, измененных по требованию цензуры: "Попытка свести способ происхождения психических явлений на физиологические основы" и "Попытка ввести физиологические основы в психические процессы". Эта научная работа была написана И.М.Сеченовым по заказу редактора журнала "Современник" поэта Н.А.Некрасова. Перед И.М.Сеченовым была поставлена задача: дать анализ современного состояния естествознания. Прогрессивные естественнонаучные взгляды автора, подтвержденные описанием физиологических опытов, заставили цензуру признать это сочинение опасным: его публикация в журнале "Современник" была запрещена. Однако в этом же, 1863году работа И.М.Сеченова была опубликована в "Медицинском вестнике", затем вышла отдельным изданием и получила огромный резонанс в общественной и научной жизни России.

Отстаивая принципы материалистического естествознания, И. М.Сеченов утверждал, что "среда, в которой существует животное, оказывается фактором, определяющим организацию... Организм без внешней среды... "невозможен, поэтому в научное определение организма должна входить и среда, влияющая на него". И.П.Павлов писал, поэтому поводу: "...вместе с Иваном Михайловичем и «ужом моих дорогих сотрудников мы приобрели для могучей власти физиологического исследования вместо половинчатого весь нераздельно животный организм. И это — целиком наша русская неоспоримая заслуга в мировой науке, в общечеловеческой мысли". И.М.Сеченов создал крупную физиологическую школу в России. Его учениками были Б.Ф.Вериго, Н.Е.Введенский, В.В.Пашутин, Г.В.Хлопин, М.Н.Шатерников и многие другие.

Николай Евгеньевич Введенский (1852-1922) — преемник И.М.Сеченова по кафедре физиологии Петербургского университета — внес значительный клад в развитие физиологии возбудимых тканей и нервной системы в целом. В1887 г. он защитил докторскую диссертацию "О соотношении между раздражением возбуждением при тетанусе". Используя телефонный аппарат, он впервые прослушал ритмическое возбуждение в нерве (1884) Изучая явление тетануса, показал способность мионеврального синапса трансформировать импульсы и на этой основе открыл явления оптимума и пессимума (Wedensky in-hibitor) раздражения (1886). Введенский ввел понятие лабильности и создал учение о парабиозе, которое изложено в его монографии "Возбуждение, торможение и наркоз" (1901). Дальнейшее развитие физиологии возбудимых тканей связано с работами А.А.Ухтомского, Б.Ф. Вериго, В.Ю.Чаговца, Д.Н.Насонова и других ученых. Аналитический характер физиологической науки во второй половине XIX в. к разделению явлений, протекающих в живом организме, на две категории 1) "внутренние", вегетативные процессы (обмен веществ, дыхание, кровообращение и т. п.) и 2) "животные" (анимальные), определяющие поведение животных, которое физиология того времени еще не могла объяснить. Это вело либо к вульгарному материализму (Ф.К. Брюхнер, Я.Молешотт, К.Фогт), либо к агностицизму, т. е. утверждению о непознаваемости поведения и сознания (Э.Дюбуа-Реймон и другие).

Для того чтобы вывести физиологию из тупика аналитического метода, был необходим принципиально новый подход к познанию деятельности живых организмов. Впервые его элементы формируются в работах И.М.Сеченова, который первым сумел применить эволюционный метод к изучению психических функций. Переломный момент связан с деятельностью Ивана Петровича Павлова (1849-1936)— создателя учения о высшей нервной деятельности, основателя крупнейшей физиологической школы современности, новатора методов исследования в физиологии.

В 1879 г. И.П.Павлов окончил Медико-хирургическую академию и был приглашен С.П.Боткиным в физиологическую лабораторию при его клинике, где руководил фармакологическими и физиологическими исследованиями. В лаборатории С.П.Боткина И.П.Павлов выполнил свою докторскую диссертацию "Центробежные нервы сердца" (1883), а затем начал исследования по физиологии пищеварения. В течении двух лет (1884-1886) он работал в лабораториях Р.Гейденгайна и К.Людвига в Германии, после чего снова вернулся в лабораторию Боткина.

В 1890 г. И.П.Павлов был избран профессором фармакологии (а в 1895 г. — профессором физиологии) Военно-медицинской академии (где работал до 1925 г.) и почти одновременно— заведующим физиологическим отделом в Институте экспериментальной медицины в Петербурге. Исследования Павлова в области физиологии сердечно-сосудистой и пищеварительной систем и высших отделов центральной нервной системы являются классическими. В 1897 г. вышли в свет его "Лекции о работе главных пищеварительных желез", явившиеся обобщением научных исследований в области пищеварения — практически заново созданного им раздела физиологии. Несмотря на языковый барьер, работы И.П.Павлова и его сотрудников по Институту экспериментальной медицины стали известны во всем мире. В Каролинском институте (Швеция), который с 1901 г. получил право присуждения Нобелевских премий по физиологии и медицине, имя И.П.Павлова часто называлось в списках кандидатов в лауреаты. Однако вызывало вопрос одно обстоятельство: сам И.П.Павлов редко фигурировал в качестве соавтора в работах своих сотрудников, и Каролинский институт направил в Петербург своего представителя профессора Карла Тигерштеда для того, чтобы выяснить, кто же возглавляет столь плодотворную научную деятельность этого коллектива. В результате в 1904 г.' И.П.Павлов был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине "в знак признания его работ по физиологии пищеварения, которые позволили изменить и расширить наши знания в этой области".

Исходя из тезиса "для естествоиспытателя — все в методе", И.П.Павлов ввел в практику физиологических исследований метод хронического эксперимента, благодаря которому стало возможным изучение целостного, практически здорового животного.

Опыты на "хронически оперированных" животных проводились физиологами и до Павлова. Однако они не были полноценными либо по замыслу, либо по методике выполнения. Так, метод изолированного "малого желудочка", предложенный Р.Гейденгайном (Heidenhain, Rudolf Peter Heinrich, 1834-1897), лишал изолированный участок иннервации. Метод хронического эксперимента, разработанный И.П.Павловым, позволил ему экспериментально обосновать принцип нервизма — идею о решающей роли нервной системы в регуляции функционального состояния и деятельности всех органов и систем организма.

Методологической основой его концепции явились три основных принципа: единство структуры и функции, детерминизм, анализ и синтез. Изучая поведение животных, И.П.Павлов выявил рефлексы нового типа, которые формируются и закрепляются при определенных условиях окружающей среды. Павлов назвал их условными, в отличие от уже известных прирожденных рефлексов, которые имеются от рождения у всех животных данного вида (их Павлов назвал безусловными). Было показано также, что условные рефлексы вырабатываются в коре больших полушарий головного мозга, что сделало возможным экспериментальное изучение деятельности 'коры больших полушарий в норме и патологии. Результатом этих исследований явилось создание учения о высшей нервной деятельности — одного из величайших достижений естествознания XX в.

Деятельность И.П.Павлова и созданной им научной школы составила эпоху в развитии физиологии.

Философия патологии

Общая теория саморегулирующихся систем возникла сравнительно недавно и в настоящее время еще находится в начальной стадии развития. Однако отдельные стороны этой теории уже имеют достаточно обширную и глубокую теоретическую базу. Значительное место в создании теории саморегулирующих систем принадлежит биологии, физиологии и патологии.

В биологии, физиологии и патологии процесс, который ныне назван управлением с обратной связью, был осознан как процесс саморегуляции (ауторегуляции) задолго до возникновения кибернетики как науки. Свойство организма поддерживать на определенном уровне основные жизненные константы, было отмечено уже давно. Когда К. Бернар (1878) писал, что «все жизненные процессы имеют только одну цель: поддержание постоянства условий жизни во внутренней среде», то он имел в виду именно это. В сентябре 1889 г. И. М. Сеченов указывал на то, что живой организм представляет собой «своеобразно устроенную машину, все работы которой направлены, в конце концов, к тому, чтобы поддерживать индивидуальную жизнь, т. е. сохранять, наперекор разрушающим влияниям, анатомическую и физиологическую целость тела в течение более или менее долгого времени». В работе «Физиология нервных центров» он развивает эту мысль: «В животном, как самодействующей машине, регуляторы, очевидно, могут быть только автоматическими, т. е. приводятся и действие измененными условиями в состоянии или ходе машины, и развивать деятельности, которыми эти неправильности устраняются... В отношении мышц и многих желез как рабочих органов нервная система представляет собрание разнообразных. регуляторов их деятельности; притом действие регуляторов должно быть согласовано с интересами организма, в смысле обеспечения анатомической и физиологической сохранности тела... Устройство регуляторов должно отвечать следующим основным условиям: снаряд должен быть чувствителен ко всяким нарушениям правильности в состоянии или ходе машины и направлять деятельность рабочих органов к устранению вытекающих отсюда неудобств для организма. Нервные регуляторы так и устроены.

Патологический процесс — сложная динамическая саморегулирующаяся система, процесс «аварийного регулирования в живом организме». Поэтому необходимо рассмотреть и сравнить с точки зрения единства и качественного различия физиологическую и патологическую саморегуляцию, или «нормальные программы человека (физиология)» и «программы болезни (патология)».

По определению В. Д. Моисеева, всякая сложная динамическая система характеризуется способностью изменять свое общее состояние (под влиянием внешних и внутренних факторов) и тем самым обеспечивать выполнение свойственной ей функции. Он формулирует основной закон саморегулирующейся системы: «Каждая самоуправляющаяся система, независимо от ее принципа действия, конструкции и материального субстрата, при своем функционировании способна одинаково активно реагировать на внешние воздействия, т. е. одинаково с количественной стороны принимать, накапливать и перерабатывать поступающую к ней информацию и путем автоматического целенаправленного изменения состояния соответствующим образом организованных составных элементов обеспечивать свое существование или выполнение свойственных ей функций». По А. Я. Лернеру, динамическая система характеризуется переходом из одного состояния в другое, причем этот переход совершается не мгновенно, а через переходные состояния; поэтому основными режимами динамических систем являются: равновесный, переходный и периодический. На аналогичные черты динамических саморегулирующихся систем указывают и другие авторы. Многие авторы подчеркивают, что сложно динамические системы с их саморегуляцией подчиняются особым закономерностям. По мнению П. К. Анохина, «саморегуляция как всеобщий закон деятельности организма должна стать предметом самостоятельного исследования». X. Дрипель пишет: «Циклические замкнутые цепи действий подчиняются особым динамическим закономерностям, которые можно причинно вывести из свойств составных элементов, но не следует сводить только к этим свойствам. Цикл регулирования есть новое функциональное образование с новыми свойствами, которые являются чем-то большим, чем сумма свойств первичных элементов. Замкнутость действия обусловливает наличие колебаний, которые могут иметь периодический или апериодический характер в зависимости от параметров системы и прежде всего от ее устойчивости. Для математической обработки таких процессов техника регулирования предоставляет в наше распоряжение законченную теорию, аппарат представлений и понятий которой можно постичь и научиться использовать, затратив сравнительно небольшие математические усилия». Представляется, что ранее нами сформулированный закон реактивности живых систем и может объяснить основную сущность динамической саморегуляции, закон реактивности ограничивает процессы самодвижения биологической системы определенными рамками, пределами, в которых реакции на внешние и внутренние раздражения (воздействия) направлены на самосохранение анатомофизиологической природы живого и механизмом которых является прямая и обратная связь.