Глава I. Внутренняя среда
Трудно поверить, но представление о внутренней среде таит для многих исследователей элементы неясности и неопределенности. И хотя уже не менее 130 лет термин «внутренняя среда» не сходит со страниц научных монографий, журналов, диссертаций и ученых трактатов, споры о том, что понимать под ним, продолжаются до наших дней. Понятие это прочно вошло в медицинскую литературу и на первый взгляд как будто не требует разъяснения. Внешняя среда — окружающий нас мир, все, что находится вне нашего тела, внутренняя — то, что находится внутри него. Границы между средами пролегают по кожному покрову и слизистым оболочкам. На самом же деле это примитивное суждение. Является ли внутренняя среда анатомической единицей, совокупностью отдельных клеток, физиологической системой, философским или психологическим понятием? Существует ли определение, одинаково приемлемое для морфологов, физиологов, философов и психологов?
Поэтому книгу эту мы начинаем с классической физиологической дефиниции, сформулированной нашими учителями — крупнейшими естествоиспытателями XIX и XX столетий. В разных вариантах ее можно найти во всех справочниках, в общих и специальных энциклопедиях мира.
Внутренняя среда организма — комплекс жидкостей (крови, лимфы, тканевой жидкости), омывающих в высокодифференцированном животном организме клеточные элементы и принимающих то или иное участие в питании и обмене органов и тканей. От химического состава, физико-химических и биологических свойств внутренней среды зависят реактивность и возбудимость органов, их чувствительность к различным воздействиям, трофика, а также в значительной степени состояние и жизнедеятельность организма в целом.
Общей внутренней средой организма является кровь, но поскольку клетки органов с кровью не соприкасаются, в процессе эволюционного развития роль непосредственной питательной среды (микросреды) тканевых элементов приобрела тканевая (интерстициальная, межклеточная, внеклеточная) жидкость, состав и свойства которой специфичны для отдельных органов и соответствуют их структурным и физиологическим особенностям.
Термин «внутренняя среда» в отличие от «внешней» впервые употребил французский гистолог Шарль Робен, но теорию ее создал Клод Бернар — один из самых блестящих умов Франции XIX века. Обычно началом эры «внутренней среды» считают 1878 г., когда была окончательно сформулирована концепция Кл. Бернара о постоянстве ее состава и свойств, но фактически уже в 1854 г. во второй лекции на только что созданной кафедре физиологии Парижского университета он сказал: «... но когда речь идет об отдельном организме, состоящем из множества молекул, невозможно, чтобы они все соприкасались с внешней средой, им необходима особая среда... этой средой является кровь...».
В лекции по экспериментальной патологии (1865 г.) Кл. Бернара[1] можно найти несколько суженное определение понятия о внутренней среде: «Внутренняя среда не что иное как та среда, в которой живут элементарные части организма... смешивать внутреннюю среду с кровью — это значит давать ей слишком широкую формулировку... внутренняя среда — это лишь кровяная плазма и, следовательно, в свойствах этой жидкости нужно искать условие существования элементарных органов...» Быть может, поэтому возникло неправильное мнение о взглядах Кл. Бернара на проблему внутренней среды.
В 1867 г. в высказываниях Кл. Бернара[2] можно найти более точное определение внутренней среды: «Эта идея, высказанная в первый раз нами, принята уже многими физиологами, и вы сами можете судить, насколько она облегчает и уясняет анализ элементарных явлений жизни. Внутренняя среда формируется у высших животных в виде „циркулирующей жидкости“, приводящей беспрерывно органические элементы в соотношение друг с другом и наружной средой. Жидкость эта есть кровь. Под внутренними средами мы подразумеваем здесь не только кровь, но все плазматические и бластоматические жидкости, которые из нее происходят... Внутренняя среда есть, следовательно, произведение организма; она образуется из всех составных частей крови — азотистых и безазотистых, белковины, фибрины, сахара, жира и прочее... за исключением кровяных шариков, которые есть уже самостоятельные органические элементы». Но только в 1878 г. Кл. Бернар[3] четко определил свое представление, сохранившее значение до наших дней: «...Я первый стал настаивать на той идее, что для животного есть собственно две среды: одна среда внешняя, в которой помещен организм, а другая среда внутренняя, в которой живут элементы тканей. Существование животного происходит не во внешней среде... но в жидкой внутренней среде, которую составляют органическая жидкость, окружающая и питающая все анатомические элементы тканей; это лимфа или плазма, жидкая составная часть крови, которая у высших животных проникает в ткани и составляет совокупность всех промежуточных жидкостей, выражение всех местных питаний, источник и слияние всех элементарных обменов... „Постоянство внутренней среды есть условие свободной, независимой жизни“ (курсив наш. — Г. К.). Это достигается посредством процесса, который поддерживает во внутренней среде все условия, необходимые для жизни элементов». И дальше: «Постоянство среды предполагает такое совершенство организма, чтобы внешние перемены в каждое мгновение компенсировались и уравновешивались. Следовательно, высшее животное относится к внешнему миру вовсе не индифферентно; напротив, оно находится в тесном и строгом отношении к нему, так что его равновесие вытекает из постоянной и тонкой компенсации, устанавливаемой как бы самими чувствительными весами».
Знаменитая фраза Кл. Бернара о «независимой жизни» вызвала немало возражений, нареканий, критических замечаний как со стороны биологов, так и философов. Чаще всего это было вызвано недопониманием или неправильным толкованием заложенной в ней идеи. «Наличие такой внутренней среды, — писала Л. С. Штерн[4], — создает для данного организма более или менее широкую независимость от общей окружающей среды, обмен с которой является необходимым условием его существования. Эта относительная независимость создает для него возможность свободного передвижения, свободного перехода из данного окружения в другое без существенного нарушения его нормальной жизни, его развития и деятельности».
Кл. Бернар считает, что в природе встречаются три формы жизни: 1) латентная, при которой обмен полностью подавлен и жизнь не проявляется вовсе, 2) осциллирующая, периодически зависящая от условий внешней среды, 3) постоянная или свободная, при которой жизнь не прекращается даже при резких сдвигах и колебаниях в окружающей среде. И в то же время Кл. Бернар неоднократно подчеркивал, что в механизмах свободной, независимой жизни взаимоотношения между внешней и внутренней средами являются чрезвычайно тесными и выявляются на всех этапах существования живой системы.
Ш. Робен утверждал впоследствии, что идею «внутренней среды» К. Бернар заимствовал у него. Возможно, что был использован термин, но концепция полностью создана К. Бернаром.
Американский физиолог Уолтер Брейдфорд Кеннон продолжил, развил и дополнил уже в нашем столетии эту концепцию. Его учение о гомеостазе (гомеостазисе) основано на представлениях Кл. Бернара о постоянстве внутренней среды: «...обычно, — писал он[5], — мы говорим о себе, как о животных, обитающих в воздухе. Небольшое размышление, однако, откроет интересный факт, что мы отделены от окружающего нас воздуха слоем инертного материала». Понадобилось более полувека, чтобы семена, посеянные К. Бернаром, дали первые всходы.
Правы М. Г. Ярошевский и С. А. Чеснокова[6], утверждая, что Бернаровская идея долгое время оставалась вые поля зрения физиологов, пока не созрело время для ее восприятия. У. Кеннон, пишут они, «оказался подготовленным к ассимиляции и развитию того, что оставил Бернар. Концепция внутренней среды начала работать», и (добавим мы) безупречно работает до наших дней.
У. Кеннон ввел в науку понятие о «флюидной матрице», состоящей из «инертного материала». По существу, это та же идея К. Бернара о внутренней среде, состоящей из крови, лимфы и тканевой жидкости. Еще более точно — флюидная матрица это водная среда, которая содержит соли, белковые, жировые, углеводные и другие материалы, необходимые для жизнедеятельности клеток.
Как указывает Кеннон, организм отличается необычайной стабильностью, несмотря на то что состоит из крайне неустойчивых, чувствительных к различным воздействиям элементов. Вся его жизнедеятельность протекает на определенном практически неизменном уровне. Отдельные части нашего тела устойчивы потому, что постоянна окружающая их питательная среда (fluid matrix). Это постоянство регулируется автоматически. Поскольку состав и свойства внутренней среды организма однородны и противостоят более или менее значительным колебаниям, отпадает необходимость в бесчисленных специальных приспособлениях, поддерживающих устойчивую деятельность отдельных органов и физиологических систем. Поэтому постоянство внутренней среды следует рассматривать как чрезвычайно экономичное устройство. Оно составило один из важнейших разделов учения Кеннона о гомеостазе. Представления Кл. Бернара были расширены, его концепция сделала новый виток, получила прочное теоретическое и экспериментальное обоснование.
Почти одновременно с Кенноном свое представление о внутренней среде сформулировала Л. С. Штерн. «В отличие от простейших, у более сложных многоклеточных организмов обмен с окружающей средой совершается при посредстве так называемой внутренней среды, из которой отдельные ткани и органы черпают необходимый им материал и в которую они выделяют продукты своего метаболизма»[7]. И дальше: «... по мере дифференциации и развития отдельных частей организма (органов и тканей) должна создаваться и развиваться для каждого органа, для каждой ткани своя непосредственная питательная среда, состав и свойства которой должны соответствовать структурным и функциональным особенностям данного органа. Эта непосредственная питательная или интимная среда каждого органа должна обладать определенным постоянством, обеспечивающим нормальную жизнедеятельность омываемого ею органа... Непосредственной питательной средой отдельных органов и тканей является межклеточная или тканевая жидкость».
И это определение вытекает из концепции Кл. Бернара, но в нем звучит новая, впоследствии полностью подтвердившаяся мысль — выделена специфика состава и свойств непосредственной питательной среды каждого органа, каждой ткани. Не универсальная тканевая жидкость, всюду одинаковая, не различимая по своему составу и свойствам во всех частях организма, а тканевая жидкость дифференцированная, приспособленная к функциям отдельных органов или физиологических систем. Это принципиально новая добавка к учению о внутренней среде — фундаментальное обоснование созданной Л. С. Штерн теории барьерных механизмов. Через несколько лет в литературе появился термин «микросреда» органов и тканей, по существу не внесший что-либо нового в представление о непосредственной питательной среде.
Все это относится не только к наиболее совершенному и наиболее сложно устроенному человеческому организму, но и к любому простейшему существу растительного или животного мира.
Для бактерии, инфузории или амебы, соприкасающейся своей поверхностью с каплей воды, в которой она живет, эта капля олицетворяет весь мир, всю внешнюю среду. Состав и свойства воды, наличие в ней питательных веществ, способность пропускать солнечные лучи, ее температура определяют всю жизнедеятельность клетки, реакцию ее на внешние раздражения, размножение.
Но у животных, организм которых состоит из различных по своему строению и деятельности бесчисленных клеток, жидкость, омывающая поверхность тела, не является средой обитания для внутренних органов, например печени, легких, мозга, сердца. Пресная вода реки или соленая вода моря — это внешняя среда для обитающего в ней организма, но не для отдельных клеток, из которых состоят его органы и ткани.
Воздушный океан, окружающий наше тело, не приходит в соприкосновение с внутренними органами. Но ни одна клетка не может существовать, если не получает в достаточном количестве кислород и не удаляет отработанные продукты обмена веществ. Вот почему у сложных многоклеточных организмов в процессе эволюционного развития возникла особая «внутренняя среда», в известной мере отгороженная от окружающего мира.
Внутренняя среда понятие интегративное, единое и неделимое. И кровь, и лимфа, и тканевая жидкость составляют физиологическое целое, разбивать которое на две отдельные внутренние среды (кровь и тканевая жидкость), как это пытаются сделать некоторые авторы, не только невозможно, но и недопустимо.
* * *
Общая внутренняя среда, быть может, вернее, ее общий отдел — кровь, это удивительнейшая по своему составу и свойствам жидкость, жидкая ткань, заполняющая многочисленные сосуды нашего тела, магистральная система, питающая его клетки, несущая им кислород, белки, углеводы, жиры, витамины, соли, т. е. все то, без чего невозможно их существование. Состав и свойства ее отличаются относительным, динамическим, но достаточно устойчивым постоянством, что позволяет организму сохранять свободу существования в изменчивых условиях окружающего его мира. «Кровь, надо знать, совсем особый сок», — говорит Мефистофель Фаусту.
Во тьме веков, быть может три-четыре миллиарда лет назад, в глубинах океана зародилась первая живая клетка. Морская вода омывала и берегла ее. Море стало ее питательной средой. Из него черпала клетка необходимые ей питательные вещества и соли, ему отдавала продукты своего обмена. Живой организм, из которого на вершине эволюции произошел человек, усвоил и заключил в себе частицу моря. И до сих пор в наших артериях и венах течет жидкость, близкая по своему составу и свойствам к соленой воде моря. «Море издавна влекло человека, — говорит Жан Пикар[8]. — Биологи усматривают в этом влечении инстинктивное желание познать тайну происхождения жизни. В самом деле ведь наша кровь по составу схожа с морской водой, а утробное развитие повторяет эволюцию жизни на нашей планете. И кто знает, быть может подводный вулкан, извергая пламя, высек в море искру жизни, а колоссальное давление глубин послужило катализатором великому процессу». И, действительно, кто может знать?
Кровь переносит огромное количество химических соединений, совершенно необходимых для жизненных процессов организма. Помимо питательных веществ, кислорода и отходов жизнедеятельности клеток, она содержит самые разнообразные элементы, без которых жизнь вообще немыслима. Для того чтобы жить и существовать, каждая клетка должна не только получать продукты питания, но и освобождаться от постепенно накопляющихся в ней шлаков и отбросов. И здесь возникает проблема о возможных границах жизненного процесса, о той узкой полосе в сложном многообразии природы, в которой возможна жизнь.
Мы не знаем, каковы условия существования на других планетах. Формы бытия разнообразны. Но на земле жизнь возможна в очень ограниченных пределах и выдерживает едва заметные по сравнению с космическими масштабами колебания и сдвиги.
Если бактерия, вирус или амеба в определенных условиях еще способны вынести глубокое замораживание или сравнительно высокое нагревание, то человек неизбежно погибает, не защитив себя от них специальными, естественными или искусственными приспособлениями. Живой организм, особенно организм высших животных и человека, обладает поистине удивительными свойствами сохранять свою жизнеспособность в самых неблагоприятных условиях. Он сопротивляется натиску бушующей стихии, продолжает жить при стремительных перепадах температуры воздуха и атмосферного давления, под обжигающими лучами солнца, в условиях ледяного дыхания межпланетного пространства, при бомбардировке космическими лучами. Он живет и может жить, потому что сохраняет постоянство своей внутренней среды. Но человек погибает, если температура его тела повышается на 6—7°, если состав крови, ее осмотическое давление, кислотность или щелочность выходят за пределы какой-то очень стабильной, неизменной величины. Зона комфорта, наибольшего благоприятствования для клеток органов и тканей ограничивается столь сжатыми пределами, что в некоторых случаях переход от нормы к нарушению почти незаметен.
Мы уже знаем, что понятие о внутренней среде не исчерпывается одной кровью. В сложных организмах клетки органов не соприкасаются ни с атмосферным воздухом, ни с кровью. В нормальных условиях эта жидкая ткань не покидает пределы сосудистой системы, не выливается из капилляров в межклеточные пространства. Клетки окружены тканевой (межклеточной или интерстициальной) жидкостью.
Несмотря на совершенную, четко организованную систему регуляции состава крови, в ней могут возникнуть и неизбежно возникают то кратковременные, то затяжные колебания, способные нарушить нормальное существование клеток. Постоянство состава крови оказалось недостаточным для клеток внутренних органов, особенно для нервных клеток мозга, которые могут существовать лишь при очень устойчивом режиме. Любой орган, будь то мозг, печень или почки, имеет свою непосредственную питательную среду, микросреду, нечто вроде микрорайона со своим микроклиматом. В крошечном мирке, который окружает клетку, недопустимы бури и катастрофы, неожиданные изменения, непредвиденные сдвиги. Здесь царят относительный покой, адекватные, оптимальные условия для жизни и деятельности клеток.
Пусть меняются условия окружающего мира, пусть повышается и падает температура воздуха, колеблется атмосферное давление, нарастает влажность, усиливается радиация — в микросреде органов и тканей физиологические часы отбивают свой запрограммированный ритм.
Предложен ряд методов экспериментального и клинического исследования тканей или межклеточной жидкости, а также определения ее объема у животных и человека. Однако получить тканевую жидкость в достаточном для химического анализа количестве практически невозможно. Поэтому приходится прибегать к гистологическим и гистохимическим методам определения в ней биологически активных веществ, например катехоламинов, ферментов (холинэстеразы) и т. д. Применение электронной микроскопии значительно расширило наши представления о строении межклеточных пространств и тем самым о свойствах тканевой жидкости. Наиболее точные результаты получены при помощи радиоактивных индикаторов. Установлено, что объем тканевой жидкости равен у кролика 23—25% веса тела, у крысы 23—29%, у человека 23—29% (в среднем 26,5%). Наиболее удобным объектом для изучения является жидкость, скопляющаяся в больших межклеточных полостях, например в передней камере глаза, плевре, внутреннем ухе и т. д. В течение многих лет цереброспинальная жидкость приравнивалась к межклеточной жидкости мозга. Однако работы последних лет поколебали эту установку.
Но, формулируя представление о внутренней среде, нельзя забывать, что существует третий ее компонент, как бы связывающий воедино два первых — кровь и тканевую жидкость. Речь идет о лимфе, заполняющей специальный лимфатический аппарат с его капиллярами, протоками, сосудистой сетью и магистральными путями, впадающими в кровеносную систему. Лимфатические пути, так же как и кровеносные, подробно изучены, описаны, сфотографированы и зарисованы. В любом учебнике анатомии, в каждом анатомическом атласе можно найти рисунки, изображающие сеть лимфатических узлов и сосудов, собирающихся воедино в два больших протока — грудной и правый лимфатический.
Анатомы и гистологи выполнили свою задачу. Они изучили и описали строение лимфатической системы. Но физиологи еще до сих пор спорят о происхождении лимфы, о ее значении, о нейрогуморально-гормональных механизмах регуляции лимфообразования. Одна теория сменяет другую, одно предположение отвергается другим. Имена К. Людвига, Р. Гейденгайна, Э. Старлинга, Л. Ашера вошли в историю учения о лимфообразовании. История эта длинная, богатая открытиями, удачами и просчетами, спорами и примирениями различных точек зрения. Советский физиолог А. П. Полосухин и его сотрудники считают, что лимфа вступает в самую тесную, непосредственную связь с каждой клеткой органов и тканей, благодаря чему служит им постоянной внутренней средой, обеспечивая все необходимые жизненные процессы в клетках организма. В настоящее время, утверждают видный советский анатом Д. Жданов и А. Полосухин, «установлено, что свободной тканевой жидкости не существует, обмен веществ между кровью и клетками паренхимы происходит через основное вещество соединительной ткани». Но вот перед нами капитальный труд выдающегося венгерского ученого И. Русньяка[9] с соавторами. Почти в каждой главе он подчеркивает, что лимфа не идентична ни фильтрату капилляров, ни тканевой жидкости. Жидкость, заполняющая лимфатические сосуды, отличается от внеклеточной, интерстициальной жидкой массы, от «тканевого сока». Не лимфа, а именно тканевая жидкость является непосредственной внутренней средой органов и тканей. Между ними расположены мембраны, проницаемость которых может быть различной в разных органах и тканях (см. гл. 6). Но в то же время состав тканевой жидкости, лимфы и жидкостей, заполняющих серозные и синовиальные полости организма, в значительной степени один и тот же и приближается к составу плазмы крови. Однако содержание химических и биологически активных веществ в лимфе, полученной из различных участков тела, меняется в зависимости от питания, интенсивности обмена веществ, поступления в лимфатические сосуды тех или других метаболитов (белков, жиров, углеводов, витаминов, солей). От плазмы крови лимфа отличается более низким содержанием альбуминов и глобулинов, остаточного азота, общего холестерина, но более высоким количеством глюкозы. К сожалению, пет возможности сравнить состав лимфы и тканевой жидкости; по мнению большинства авторов, различия между ними, вероятно, не столь уж велики.
Лимфатические капилляры заканчиваются в органах слепыми мешками и составные элементы тканевой жидкости поступают в ток лимфы через эндотелиальную стенку капилляра. Проницаемость лимфатического капилляра однонаправленная. Вещество легко проходит из тканей в лимфу, но задерживается при переходе из лимфы в ткань.
* * *
Наш организм может жить и развиваться лишь в том случае, если между ним и средой обитания происходит постоянный обмен веществ. Из внешней среды он получает необходимые питательные вещества и энергию. Внешняя среда направляет, регулирует и организует его деятельность, определяет его существование. Внутренняя же среда создает условия для «свободной и независимой» жизни. Организм формирует сам свою внутреннюю среду, но формирование это происходит под постоянным и непрекращающимся воздействием со стороны окружающего мира. В этом плане можно и нужно говорить о диалектическом единстве внешней и внутренней сред. Они взаимозависимы и взаимообусловлены.
Постоянство внутренней среды, конечно, не является абсолютной величиной. Оно не втиснуто в жесткие, нераздвигаемые рамки и отличается достаточной лабильностью, ибо в живом организме нет и не может быть неколеблющегося равновесия. Для живой системы равновесное состояние подобно смерти. Жизнь — это отрицание неподвижной, застывшей несдвигаемости, состав и свойства внутренней среды постоянно меняются, границы их сводятся, расходятся и снова возвращаются к некоей средней оптимальной величине. Колебания эти совершаются в наиболее благоприятных для жизнедеятельности пределах. Благодаря этому человек может переходить из одного внешнего окружения в другое. Он сохраняет устойчивость внутренней среды в Арктике и на экваторе, при погружении на дно океана, в стратосфере, космосе, на полюсе, на вершине Эвереста и даже на Луне. Извне и изнутри на живую систему постоянно действуют разнообразные «возмущающие» факторы. Прием пищи, время дня и ночи, атмосферное давление, магнитное поле, различные внешние раздражители (речь, музыка, свет, звуки, запахи) неизбежно вызывают сдвиги в составе и свойствах крови, лимфы и тканевой жидкости. Но эти сдвиги благодаря мощной системе регулирующих и компенсирующих приспособлений быстро сглаживаются, выравниваются, иногда предупреждаются.
Учение о внутренней среде — одна из вершин современного естествознания. Оно объединяет не только разные области биологии, физиологии и медицины, позволяет связать воедино деятельность отдельных органов и физиологических систем, но дает возможность осмыслить проблему жизни, понять взаимоотношение между организмом и природой, разгадать секрет сохранения живой материи на земле. Чем глубже постигает человеческая мысль таинственный мир внутренней среды, тем яснее становятся законы, управляющие существованием живых тел, тем отчетливее вырисовываются пути сохранения здоровья, молодости, работоспособности, продления жизни.
