Гомеостаз: как организм поддерживает постоянство внутренней среды

В январе 1774 года английский врач Ч. Благден, впоследствии секретарь Лондонского королевского общества, вместе с несколькими коллегами вошёл в комнату, воздух в которой нагрели печью выше 100 °C. Они провели там по нескольку минут, и за это время яйца, положенные на жестяную подставку, сварились вкрутую, а кусок говядины прожарился. Термометр под языком у Благдена показывал почти обычную температуру тела, хотя прикоснуться к часовой цепочке на нём было невозможно — металл обжигал. Позже в той же комнате продержали собаку — и она тоже не перегрелась. Благден заметил, что все они обильно потели, и предположил, что живое тело обладает способностью «уничтожать тепло» [1]. Сегодня понятно, что он наблюдал работу одной из систем, поддерживающих постоянство внутренней среды организма, — то, что через полтора века назовут гомеостазом.

Это завершающая статья серии о тканях, органах и организме как целом. Ниже разобрано, что такое гомеостаз, как устроена регуляция с обратной связью, как организм поддерживает постоянную температуру, концентрацию глюкозы, воды и солей, кислотность крови, давление и газовый состав, что происходит при нарушениях гомеостаза и что из этого нужно знать на ЕГЭ. Предыдущая статья — «Многоклеточный организм как целое» — рассказывает о нервной и гуморальной регуляции, на которых гомеостаз основан.

• 1. Что такое гомеостаз
• 2. Что именно поддерживается постоянным
• 3. Как устроена регуляция
• 4. Отрицательная и положительная обратная связь
• 5. Постоянство подвижно
• 6. Гомеостаз клетки
• 7. Терморегуляция
• 8. Лихорадка: смещение установочной точки
• 9. Теплокровные и холоднокровные
• 10. Регуляция глюкозы крови
• 11. Энергетический гомеостаз: голод и аппетит
• 12. Вода и соли
• 13. Тканевая жидкость и отёки
• 14. Кислотность крови
• 15. Газы крови и регуляция дыхания
• 16. Как клетки чувствуют нехватку кислорода
• 17. Кальций и кость
• 18. Давление крови
• 19. Стресс: ответ на угрозу гомеостазу
• 20. Иммунитет и постоянство «своего»
• 21. Гомеостаз у разных животных
• 22. Нарушения гомеостаза
• 23. История идеи
• 24. Итог серии: от клетки к гомеостазу
• 25. Частые ошибки
• 26. Интересные факты
• 27. Частые вопросы
• 28. Что пока не решено
• 29. ЕГЭ
• 30. Для олимпиад
• 31. Задания с разбором
• Литература

1. Что такое гомеостаз

Мысль о постоянстве внутренней среды впервые ясно высказал французский физиолог К. Бернар. Изучая, как печень выделяет в кровь глюкозу, он пришёл к выводу, что клетки организма живут не во внешнем мире, а во «внутренней среде» — в жидкости, которая их омывает, — и что эта среда удерживается неизменной, несмотря на изменения снаружи. «Постоянство внутренней среды — условие свободной, независимой жизни», — писал Бернар [2]. Животное, способное удерживать внутреннюю среду постоянной, может жить в холоде и в жару, в сухом воздухе и в воде, не завися от каждой перемены погоды.

Слово «гомеостаз» (от греческих «подобный» и «состояние») предложил в 1926 году американский физиолог У. Кеннон. Он подчеркнул, что постоянство не означает неподвижности: «гомео» — не «одинаковый», а «подобный». Внутренняя среда всё время немного колеблется, но эти колебания удерживаются в узких пределах, потому что любое отклонение запускает механизмы, возвращающие систему к норме [3, 4].

Гомеостаз — свойство не одной клетки или органа, а организма в целом. В нём участвуют почти все системы органов: кровеносная разносит вещества и тепло, дыхательная регулирует газовый состав, выделительная — воду, соли и кислотность, пищеварительная и печень — поступление и запасы питательных веществ, кожа — теплоотдачу, а нервная и эндокринная системы управляют всеми этими процессами [5, 6].

2. Что именно поддерживается постоянным

Регулируемых величин десятки. Главные из них у здорового взрослого человека:

Узость этих пределов поразительна. Концентрация ионов водорода в крови меняется в пределах нескольких десятков процентов, тогда как в моче — в тысячи раз. Температура тела человека держится около 37 °C и зимой на улице, и в бане. Объём крови после потери литра восстанавливается за одни-двое суток, а число эритроцитов — за несколько недель [5].

3. Как устроена регуляция

Любой механизм гомеостаза устроен по одной схеме — контуру регуляции. В нём есть рецепторы, регистрирующие величину; центр, который сравнивает её с заданным значением; и эффекторы — органы, меняющие величину [5, 6].

Заданное значение (его называют также установочной точкой) — это величина, к которой стремится регуляция. Для температуры тела оно около 37 °C, для глюкозы крови — около 5 ммоль/л. Центр получает сигнал от рецепторов и, если величина отклонилась, посылает команды эффекторам. Центрами регуляции чаще всего служат отделы головного мозга — гипоталамус, продолговатый мозг, — а также сами эндокринные клетки: β-клетка островка поджелудочной железы одновременно и измеряет концентрацию глюкозы, и отвечает на неё выделением инсулина.

Многие величины регулируются сразу несколькими контурами, работающими в разном масштабе времени. Давление крови за секунды выравнивают нервные рефлексы, за часы — гормоны, меняющие работу почек, за дни — изменение объёма крови. Кислотность крови за доли секунды удерживают буферы, за минуты — дыхание, за часы — почки. Такое дублирование делает гомеостаз надёжным: если один механизм не справляется, работают другие.

4. Отрицательная и положительная обратная связь

Обратная связь — влияние результата процесса на его ход. В регуляции гомеостаза почти всегда работает отрицательная обратная связь: отклонение вызывает ответ, направленный против отклонения. Именно поэтому система возвращается к норме и останавливается, когда норма достигнута [5].

Положительная обратная связь, наоборот, усиливает отклонение. Она не поддерживает постоянство, а позволяет быстро довести до конца отдельное событие. При родах давление головки плода на шейку матки вызывает выделение окситоцина, окситоцин усиливает схватки, схватки ещё сильнее давят на шейку — и так до рождения ребёнка, после которого цикл обрывается. При свёртывании крови активированные факторы активируют новые порции факторов, и тромб образуется за минуты. При возникновении потенциала действия открытие натриевых каналов деполяризует мембрану, что открывает ещё больше каналов. Если же положительная обратная связь включается там, где должна работать отрицательная, развивается «порочный круг»: при сильной кровопотере падает давление, сердце хуже снабжается кровью, слабее сокращается — и давление падает ещё сильнее.

Сам принцип отрицательной обратной связи изобрели инженеры задолго до физиологов: центробежный регулятор паровой машины Дж. Уатта (1788) прикрывал заслонку пара, когда машина разгонялась. В 1948 году американский математик Н. Винер в книге «Кибернетика» показал, что одни и те же принципы управления с обратной связью действуют в машинах и в живых организмах [7].

5. Постоянство подвижно

Гомеостаз — не застывшее состояние. Во-первых, величины всё время колеблются около заданного значения: концентрация глюкозы после еды поднимается до 7–8 ммоль/л и за пару часов возвращается к норме. Во-вторых, само заданное значение может меняться. Температура тела в течение суток колеблется на 0,5–1 °C: она ниже всего под утро и выше всего вечером. У женщин после овуляции она повышается примерно на 0,3–0,5 °C. При лихорадке центр терморегуляции «переставляет» установочную точку выше, и организм активно нагревается до новой температуры [8].

В-третьих, регуляция бывает не только ответной, но и упреждающей. Ещё до того, как глюкоза из пищи попала в кровь, вид и вкус еды вызывают небольшой выброс инсулина. Перед бегом, при одном ожидании нагрузки, учащается сердцебиение. Потоотделение в жару начинается раньше, чем повышается температура в глубине тела: сигналом служат терморецепторы кожи. Организм как бы предупреждает отклонение, а не только исправляет его. Такую регуляцию называют регуляцией по возмущению — в отличие от регуляции по отклонению.

Наконец, гомеостаз подстраивается к условиям жизни. У человека, переселившегося в горы, через несколько недель увеличивается число эритроцитов, у привыкшего к жаре пот начинает выделяться раньше и становится менее солёным. Эти долговременные изменения называют акклиматизацией.

6. Гомеостаз клетки

Постоянство поддерживается не только во внутренней среде, но и в каждой клетке. Концентрация ионов калия внутри клетки примерно в 30 раз выше, чем снаружи, натрия — в 10 раз ниже, а ионов кальция в цитоплазме — в 10 000 раз меньше, чем в межклеточной жидкости. Эти различия поддерживают мембранные насосы, прежде всего натрий-калиевый, на работу которого клетка тратит заметную часть своей энергии [9].

Клетка регулирует и объём: в растворе другой концентрации она сначала набухает или сморщивается, а затем выводит или накапливает ионы и восстанавливает объём. Клетка поддерживает pH цитоплазмы около 7,2, «качество» своих белков — повреждённые белки разрушаются протеасомами, а целые органоиды — путём аутофагии. Гомеостаз организма строится на гомеостазе клеток: внутренняя среда постоянна для того, чтобы клеткам было легче поддерживать постоянство внутри себя.

7. Терморегуляция

Температура тела определяется балансом двух потоков: теплопродукции — тепла, выделяющегося при обмене веществ, — и теплоотдачи во внешнюю среду. В покое больше всего тепла производят внутренние органы — печень, сердце, мозг, почки; при работе главным источником становятся мышцы. Теряет тело тепло четырьмя путями: излучением, проведением (при контакте с холодными предметами), конвекцией (с движущимся воздухом или водой) и испарением воды с кожи и из дыхательных путей. В покое в прохладной комнате больше половины тепла уходит излучением; когда воздух теплее кожи, остаётся только один путь — испарение [5].

Центр терморегуляции — гипоталамус. Он получает сигналы от терморецепторов кожи, которые сообщают о температуре среды, и от собственных нейронов, чувствительных к температуре крови. Сравнив их с заданным значением, он включает механизмы сохранения или отдачи тепла [8].

На холоде первым делом сужаются артериолы кожи. Кожа бледнеет и охлаждается, но разница температур между кожей и воздухом уменьшается, и теплопотери падают. Подкожная жировая клетчатка, в которой мало сосудов, служит теплоизолятором. Если этого мало, начинается дрожь: мышцы сокращаются без внешней работы, и почти вся энергия превращается в тепло — теплопродукция может вырасти в несколько раз. У новорождённых и у многих зверей работает и несократительный термогенез в буром жире: в его митохондриях есть белок, позволяющий протонам возвращаться через внутреннюю мембрану, минуя АТФ-синтазу, и энергия окисления сразу превращается в теплоту. Бурый жир есть и у взрослых людей — на шее и над ключицами [10].

У зверей на холоде шерсть поднимают мышцы-подниматели волос, и слой неподвижного воздуха в ней становится толще. У человека шерсти почти нет, но рефлекс остался — это «гусиная кожа».

В жару артериолы кожи расширяются, и кровь несёт тепло к поверхности; при сильной жаре кровоток в коже может вырасти в десятки раз. Включается потоотделение. Испарение 1 г пота уносит около 2,4 кДж; при интенсивной работе в жару человек может выделять 1–2 л пота в час; литр пота, испарившийся за час, уносит почти 700 Вт тепла. Испарение работает, только если воздух не насыщен влагой: во влажной жаре пот стекает, не испаряясь, и перегрев наступает гораздо быстрее, чем в сухой. Именно это и спасло Благдена: в его комнате воздух был горячим, но сухим.

Поведение — тоже часть терморегуляции, и у многих животных главная. Человек одевается, ищет тень или тепло. Ящерица утром греется на солнце, а в полдень прячется в нору. Собака в жару дышит часто и поверхностно с открытой пастью — вода испаряется с языка и дыхательных путей.

8. Лихорадка: смещение установочной точки

При инфекции иммунные клетки выделяют вещества — эндогенные пирогены, которые действуют на гипоталамус. В его нейронах образуется простагландин E₂, и установочная точка терморегуляции поднимается, например, до 39 °C. Тело, температура которого ещё 37 °C, теперь «воспринимается» центром как переохлаждённое: сосуды кожи сужаются, человек бледнеет и мёрзнет, начинается озноб — дрожь, повышающая теплопродукцию. Когда температура достигает новой установочной точки, озноб прекращается. Когда инфекция отступает и точка опускается, тело оказывается «перегретым»: сосуды кожи расширяются, выступает пот, и температура падает [11].

Лихорадка — не поломка терморегуляции, а её перенастройка. Повышенная температура ускоряет работу иммунных клеток и затрудняет размножение многих бактерий и вирусов. Лихорадка древнее млекопитающих: в 1974 году американские физиологи ввели пустынным игуанам убитые бактерии, и ящерицы выбрали в террариуме более тёплые участки, подняв температуру тела примерно на 2 °C [12]. В последующих опытах заражённые ящерицы, которым не давали согреться, гибли чаще. Жаропонижающие средства — аспирин, парацетамол — подавляют синтез простагландинов и опускают установочную точку.

Лихорадку надо отличать от перегревания (гипертермии). При тепловом ударе установочная точка остаётся прежней, но организм не справляется с отдачей тепла: потоотделение не успевает, теряется много воды. Если температура тела превышает 41–42 °C, повреждаются белки, нарушается работа мозга. Жаропонижающие здесь не помогают — нужно охлаждать тело.

9. Теплокровные и холоднокровные

Постоянную температуру тела поддерживают только птицы и млекопитающие — эндотермные (теплокровные) животные. Их обмен веществ в покое в 5–10 раз интенсивнее, чем у рептилий той же массы, и основная часть энергии пищи идёт на производство тепла. Это дорого, зато мышцы, нервы и ферменты всегда работают при оптимальной температуре, и животное активно в любую погоду [13].

Рыбы, земноводные, рептилии, беспозвоночные — эктотермные: их температура зависит в основном от внешней среды, а регулируют её они главным образом поведением. Им нужно в несколько раз меньше пищи, но в холод они становятся медлительными. Граница не абсолютна: тунцы и некоторые акулы удерживают тёплыми плавательные мышцы, шмели перед полётом разогревают грудные мышцы дрожью до 30–35 °C, а многие мелкие звери и птицы на зиму или на ночь «выключают» терморегуляцию, впадая в спячку или оцепенение — их температура падает почти до температуры среды, и затраты энергии уменьшаются в десятки раз.

10. Регуляция глюкозы крови

Глюкоза — главное топливо мозга: в покое он расходует около 120 г глюкозы в сутки и почти не может использовать жирные кислоты. При этом во всей крови взрослого человека растворено всего около 5 г глюкозы — запаса хватило бы мозгу примерно на час. Поэтому концентрация глюкозы должна постоянно восполняться и удерживаться около 5 ммоль/л [5].

После еды глюкоза поступает из кишечника в кровь. β-клетки островков Лангерганса поглощают её, и в них растёт концентрация АТФ; это закрывает калиевые каналы, мембрана деполяризуется, открываются кальциевые каналы, и клетка выделяет инсулин. Инсулин действует на клетки-мишени: в мембране мышечных и жировых клеток появляются переносчики глюкозы, печень и мышцы запасают глюкозу в виде гликогена, жировая ткань — в виде жира. Концентрация глюкозы снижается, и выделение инсулина затихает — отрицательная обратная связь.

Между приёмами пищи и ночью α-клетки выделяют глюкагон. Он действует в основном на печень: она расщепляет гликоген (его в печени около 100 г) и выпускает глюкозу в кровь. Через сутки голода запасы гликогена заканчиваются, и печень начинает синтезировать глюкозу из аминокислот, молочной кислоты и глицерина — глюконеогенез. При стрессе и нагрузке глюкозу дополнительно повышают адреналин и кортизол. Примечательна асимметрия: повышают концентрацию глюкозы несколько гормонов, а снижает только один — инсулин.

Если инсулина не хватает или клетки перестают на него отвечать, развивается сахарный диабет. При диабете первого типа иммунная система разрушает β-клетки, и инсулина нет. До 1922 года такие больные, чаще всего дети, погибали за несколько лет. В январе 1922 года в Торонто 14-летнему Леонарду Томпсону ввели очищенный экстракт поджелудочной железы, полученный Ф. Бантингом, Ч. Бестом, Дж. Коллипом и Дж. Маклеодом, — концентрация глюкозы в крови снизилась, и мальчик прожил ещё 13 лет [14]. При диабете второго типа, гораздо более частом, инсулин есть, но клетки печени, мышц и жировой ткани отвечают на него слабо. В обоих случаях длительно повышенная концентрация глюкозы повреждает мелкие сосуды и нервы — глаз, почек, ног.

11. Энергетический гомеостаз: голод и аппетит

Регуляция глюкозы — часть более широкой задачи: обеспечить клетки энергией, когда пища поступает порциями, а иногда не поступает вовсе. Запасы энергии у взрослого человека распределены очень неравномерно: гликогена в печени и мышцах — около 0,5 кг, белков — около 10 кг, жиров — 10–15 кг и больше. Жиры запасают больше всего энергии, но мозг не может их использовать напрямую [15].

Голодание поэтому проходит несколько стадий. В первые сутки глюкозу крови поддерживает гликоген печени. Затем печень синтезирует глюкозу из аминокислот — организм начинает расходовать белки мышц. Если бы так продолжалось, через несколько недель человек погиб бы от потери мышц, в том числе сердечной. Но через несколько дней голода печень начинает превращать жирные кислоты в кетоновые тела, и мозг постепенно переходит на них. В 1967 году американские врачи, измерив, что поглощает из крови мозг людей, голодавших несколько недель, обнаружили, что больше половины его энергии давали кетоновые тела, а не глюкоза [16]. Распад белков замедляется, и запасов жира хватает надолго: худой человек может прожить без пищи около двух месяцев, при большом запасе жира — дольше.

Масса тела у взрослого человека держится удивительно постоянной, хотя за год он съедает почти тонну пищи. Ошибка всего в 1 % между поступлением и расходом энергии за десятилетия привела бы к огромным изменениям массы. Одна из причин постоянства — гормон лептин, который выделяют жировые клетки: чем больше жира, тем больше лептина. Лептин действует на гипоталамус и уменьшает аппетит. Его открыли в 1994 году, изучая мышей с мутацией в гене ob: они не вырабатывают лептин, всё время едят и становятся втрое тяжелее обычных [17]. Но у большинства людей с ожирением лептина много, а мозг на него отвечает слабо, так что регуляция массы тела устроена сложнее, чем один контур с обратной связью.

12. Вода и соли

Взрослый человек на 55–60 % состоит из воды. Две трети её находятся внутри клеток, треть — во внеклеточной жидкости: в плазме и тканевой жидкости. За сутки человек теряет около 2,5 л воды — с мочой, потом, выдыхаемым воздухом и калом — и столько же получает с питьём, пищей и при окислении питательных веществ. Объём внеклеточной жидкости и её осмотическое давление поддерживаются двумя связанными контурами [5].

Первый контур следит за концентрацией. Если человек потерял воду, концентрация солей в плазме растёт, и осморецепторы гипоталамуса — нейроны, которые сморщиваются, когда окружающая жидкость становится концентрированнее, — посылают сигналы двум эффекторам. Нейроны гипоталамуса выделяют через заднюю долю гипофиза вазопрессин (антидиуретический гормон): в клетках собирательных трубочек почек он встраивает в мембрану водные каналы — аквапорины, вода возвращается в кровь, моча становится концентрированной. Одновременно возникает жажда. Достаточно изменения осмотического давления на 1–2 %, чтобы выделение вазопрессина заметно изменилось.

Второй контур следит за объёмом и количеством натрия. При падении объёма крови и давления клетки почек выделяют фермент ренин, запускающий образование ангиотензина; тот сужает сосуды и заставляет кору надпочечников выделять альдостерон, а альдостерон усиливает обратное всасывание натрия в почках, и вслед за натрием задерживается вода. При избытке объёма растянутые предсердия выделяют натрийуретический гормон, который, наоборот, усиливает выведение натрия.

Животные решают задачу водного баланса очень по-разному. Кенгуровая крыса в пустынях Северной Америки может вообще не пить: ей хватает воды, образующейся при окислении сухих семян, а её почки делают мочу в несколько раз концентрированнее, чем почки человека. Морские игуаны и морские птицы выводят избыток соли через носовые солевые железы. Подробнее — в статьях о водно-солевом балансе млекопитающих и об осморегуляции.

13. Тканевая жидкость и отёки

Объём жидкости распределяется не только между организмом и внешней средой, но и между отделами внутренней среды — плазмой и тканевой жидкостью. Через стенки капилляров жидкость движется под действием двух сил. Кровяное давление выталкивает воду с растворёнными веществами из капилляра в ткань. Белки плазмы, прежде всего альбумин, через стенку почти не проходят и создают онкотическое давление, удерживающее воду в капилляре. В большинстве тканей фильтрация немного преобладает, и избыток жидкости — несколько литров в сутки — уносят лимфатические сосуды и возвращают в кровь [18].

Если равновесие нарушено, жидкость скапливается в тканях — возникает отёк. Причины соответствуют звеньям этого механизма. При сердечной недостаточности давление в венах и капиллярах растёт, и жидкость выталкивается в ткани — отекают ноги, а при застое в малом круге — лёгкие. При голодании с нехваткой белка, болезнях печени (она синтезирует альбумин) и почек (через повреждённый фильтр альбумин теряется с мочой) падает онкотическое давление — отёки появляются по всему телу; вздутый живот у детей при тяжёлом белковом голодании отчасти связан с этим. При закупорке лимфатических сосудов, например паразитическими червями в тропиках, жидкость не уносится, и конечность отекает до огромных размеров. При воспалении стенка капилляров становится проницаемой для белков — отекает воспалённый участок.

14. Кислотность крови

При обмене веществ постоянно образуются кислоты: углекислый газ (в покое за сутки — около 13 000 ммоль; с водой он даёт угольную кислоту), молочная кислота при работе мышц, серная и фосфорная кислоты при окислении белков. Тем не менее pH артериальной крови держится в пределах 7,35–7,45. Это обеспечивают три линии защиты [5].

Буферные системы — смеси слабой кислоты и её соли — связывают лишние ионы водорода или гидроксид-ионы мгновенно. Главная буферная система внеклеточной жидкости — гидрокарбонатная: CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃ ⇄ H⁺ + HCO₃⁻. Если в кровь поступает кислота, гидрокарбонат связывает ионы водорода, образуя угольную кислоту, которая распадается на воду и CO₂. Внутри клеток и в эритроцитах важны фосфатная система и белки, прежде всего гемоглобин.

Буфер не уничтожает кислоту, а лишь «прячет» её. Окончательно избыток устраняют органы. Лёгкие выводят CO₂: накопление кислоты возбуждает хеморецепторы дыхательного центра, дыхание усиливается, CO₂ выдыхается быстрее — и равновесие гидрокарбонатной системы сдвигается так, что ионов водорода становится меньше. Это происходит за минуты. Почки выделяют ионы водорода с мочой (связанными с фосфатом и аммиаком) и возвращают в кровь гидрокарбонат; этот путь медленный — часы и сутки, — но только он выводит из организма нелетучие кислоты.

Сдвиг pH в кислую сторону называют ацидозом, в щелочную — алкалозом. При тяжёлом сахарном диабете в крови накапливаются кетоновые тела — развивается ацидоз, и больной дышит глубоко и шумно: лёгкие пытаются выдохнуть больше CO₂. При волнении человек иногда дышит слишком часто, выдыхает лишний CO₂, и кровь подщелачивается — появляются головокружение и покалывание в пальцах.

15. Газы крови и регуляция дыхания

Дышать нас заставляет прежде всего углекислый газ, а не нехватка кислорода. В 1905 году английские физиологи Дж. Холдейн и Дж. Пристли измеряли состав воздуха в конце выдоха — он близок к составу альвеолярного воздуха — и показали, что лёгочная вентиляция точно подстраивается так, чтобы содержание CO₂ в альвеолах оставалось постоянным: повышение его всего на 0,2 % удваивало вентиляцию [19].

Сейчас известно, что главные датчики — центральные хеморецепторы продолговатого мозга, реагирующие на концентрацию ионов водорода в спинномозговой жидкости, которая зависит от CO₂ крови. Периферические хеморецепторы — каротидные тельца у развилки сонных артерий — реагируют прежде всего на падение кислорода, но включаются лишь при его заметной нехватке, например в горах. Поэтому человек, задерживая дыхание, не выдерживает из-за накопления CO₂, а не из-за нехватки кислорода. И поэтому опасна гипервентиляция перед нырянием: она снижает CO₂, позыв вдохнуть запаздывает, и ныряльщик может потерять сознание от нехватки кислорода раньше, чем захочет дышать.

На высоте давление кислорода во вдыхаемом воздухе падает. Человек сначала дышит чаще, затем за дни и недели в крови становится больше эритроцитов. У народов, тысячи лет живущих в горах, есть и наследственные приспособления. У тибетцев распространены варианты гена белка HIF-2α — одного из датчиков нехватки кислорода, о которых речь пойдёт ниже; с ними концентрация гемоглобина на высоте почти не растёт, и кровь не становится слишком вязкой [20].

16. Как клетки чувствуют нехватку кислорода

Число эритроцитов тоже регулируется по принципу обратной связи. При нехватке кислорода клетки почек выделяют гормон эритропоэтин, он стимулирует образование эритроцитов в красном костном мозге, кислорода в крови становится больше — и выделение эритропоэтина снижается.

Молекулярный датчик этого контура нашли в 1990-х годах. В клетках постоянно синтезируется белок HIF, включающий гены эритропоэтина, сосудистых факторов роста, ферментов гликолиза. При нормальном содержании кислорода ферменты-гидроксилазы, используя молекулярный кислород, присоединяют к HIF гидроксильные группы, и белок тут же разрушается. При нехватке кислорода гидроксилазы не работают, HIF накапливается и включает гены, помогающие клетке и организму выжить [21]. За это открытие У. Келин, П. Ратклифф и Г. Семенза получили Нобелевскую премию 2019 года. Это пример того, как гомеостаз организма опирается на датчики внутри отдельных клеток.

17. Кальций и кость

Ионы кальция нужны для сокращения мышц, выделения медиаторов, свёртывания крови, и их концентрация в плазме поддерживается очень точно. Хранилище кальция — скелет, в котором его около килограмма, а в плазме — меньше грамма [5].

Когда кальция в крови становится мало, околощитовидные железы выделяют паратгормон. Он усиливает работу остеокластов, освобождающих кальций из кости, уменьшает выведение кальция почками и стимулирует образование в почках активной формы витамина D, которая усиливает всасывание кальция в кишечнике. При избытке кальция выделение паратгормона снижается. Этот пример показывает, что орган, который мы считаем опорой, — кость — одновременно служит резервуаром для гомеостаза: при длительной нехватке кальция в пище организм жертвует прочностью скелета ради постоянства крови.

18. Давление крови

Среднее артериальное давление определяется произведением минутного объёма сердца на сопротивление сосудов. Быстрая регуляция — барорефлекс: рецепторы растяжения в дуге аорты и сонных синусах сообщают продолговатому мозгу о давлении, и при его повышении блуждающий нерв замедляет сердце, а симпатические влияния на сосуды ослабевают; при понижении — наоборот [5].

Когда человек встаёт с постели, около полулитра крови стекает в вены ног, давление в верхней части тела падает — и за 1–2 секунды барорефлекс учащает сердцебиение и сужает сосуды. Если рефлекс запаздывает, темнеет в глазах. Медленная регуляция давления — через почки: изменяя выведение натрия и воды, они меняют объём крови. Если давление долго повышено, почки выводят больше соли и воды, и давление снижается. Именно почки определяют, к какому давлению организм будет стремиться в долгосрочной перспективе.

19. Стресс: ответ на угрозу гомеостазу

В 1936 году молодой венгерско-канадский врач Г. Селье заметил, что у крыс, подвергнутых самым разным воздействиям — холоду, ранению, изнурительной нагрузке, отравлению, — развиваются одни и те же изменения: увеличиваются надпочечники, уменьшаются вилочковая железа и лимфатические узлы, в желудке появляются язвы [22]. Он назвал это общим адаптационным синдромом, позже — стрессом. Стресс — неспецифический ответ организма на любую угрозу гомеостазу.

Селье выделил три стадии. В стадии тревоги симпатическая нервная система и адреналин мобилизуют силы, кора надпочечников выделяет кортизол, повышающий глюкозу крови. В стадии сопротивления организм приспосабливается и работает с повышенной нагрузкой. Если воздействие длится слишком долго, наступает стадия истощения: защитные механизмы перестают справляться. Кратковременный стресс полезен — он помогает пережить опасность. Длительный вреден: постоянно высокий кортизол подавляет иммунитет, разрушает белки мышц, повышает давление и глюкозу крови. Поэтому механизмы, мобилизующие организм на короткое время, сами становятся угрозой гомеостазу, если работают непрерывно.

20. Иммунитет и постоянство «своего»

В отечественных учебниках к гомеостазу относят и постоянство генетического состава внутренней среды: организм удаляет всё генетически чужеродное — бактерии, вирусы, пересаженные ткани — и собственные клетки, ставшие опасными, прежде всего опухолевые и заражённые вирусом. Эту функцию выполняет иммунная система [9].

Иммунная регуляция тоже построена на обратных связях. Когда инфекция подавлена, активированные лимфоциты по большей части гибнут, а особые регуляторные Т-лимфоциты гасят воспаление, чтобы оно не повредило собственные ткани. Нарушение этого торможения приводит к аутоиммунным болезням, а чрезмерный, неостановимый ответ на инфекцию — к повреждению сосудов и органов всего тела. Иммунная система, таким образом, сама нуждается в гомеостазе. Подробнее — в статье «Иммунитет и иммунная система человека».

21. Гомеостаз у разных животных

Не все животные поддерживают постоянство внутренней среды одинаково строго. По отношению к солёности воды различают осмоконформеров и осморегуляторов [13]. У большинства морских беспозвоночных — медуз, моллюсков, иглокожих — концентрация солей в жидкостях тела почти равна концентрации в морской воде и меняется вместе с ней. Костистые рыбы, наоборот, — и морские, и пресноводные — поддерживают концентрацию солей в крови примерно на одном уровне, около трети морской: морские рыбы пьют воду и выводят соли через жабры, пресноводные почти не пьют, выделяют много разбавленной мочи и поглощают соли жабрами. Акулы и скаты удерживают в крови мочевину, так что их кровь по осмотическому давлению почти равна морской воде.

Так же и с температурой: есть животные, у которых температура тела следует за средой, и есть регулирующие её. Строгий гомеостаз требует энергии, поэтому он выгоден не всегда. Но чем постояннее внутренняя среда, тем шире круг условий, в которых животное может быть активным, — именно это и имел в виду Бернар, говоря о «свободной жизни».

22. Нарушения гомеостаза

Болезнь можно рассматривать как нарушение гомеостаза, а многие симптомы — как работу механизмов, пытающихся его восстановить. Кашель, рвота, лихорадка, жажда, одышка — ответы организма на отклонение [5, 6].

• Обезвоживание при поносе, рвоте, сильном потоотделении: падает объём крови и давление, растёт осмотическое давление плазмы. Потеря 10–15 % воды тела опасна для жизни.
• Тепловой удар — отказ терморегуляции при перегреве; переохлаждение — при температуре тела ниже 35 °C, ниже 30 °C возникают нарушения ритма сердца.
• Сахарный диабет — нарушение регуляции глюкозы; гипогликемия — опасное падение глюкозы, например при избытке введённого инсулина.
• Ацидоз и алкалоз — при болезнях лёгких, почек, тяжёлом диабете.
• Гипертония — длительно повышенное давление, при котором установочная точка регуляции смещена вверх.

С возрастом способность поддерживать гомеостаз снижается: у пожилых людей слабее жажда, хуже работает потоотделение, медленнее восстанавливается давление при вставании. В покое показатели остаются в норме, но запас прочности уменьшается, и любая нагрузка — жара, болезнь, потеря крови — переносится тяжелее.

23. История идеи

В 1775 году Ч. Благден описал, как человек выдерживает воздух горячее кипящей воды, не нагреваясь [1]. В 1865 году К. Бернар сформулировал идею постоянства внутренней среды [2]. В 1905 году Дж. Холдейн показал, что дыхание удерживает постоянной концентрацию CO₂ [19]. В 1922 году инсулин впервые спас больного диабетом [14]. В 1926 году У. Кеннон ввёл слово «гомеостаз», а в 1929 и 1932 годах описал его механизмы — нервную и гормональную регуляцию, работу симпатической нервной системы и надпочечников [3, 4]. В 1948 году Н. Винер связал регуляцию в организме с управлением в технике [7]. Во второй половине XX века открыли рецепторы гормонов и молекулярные датчики — в том числе датчик кислорода, за который в 2019 году присудили Нобелевскую премию [21].

24. Итог серии: от клетки к гомеостазу

Эта статья завершает серию по элементу 4.4 кодификатора ЕГЭ. Её логика повторяет уровни организации организма. Клетки, сходные по строению и происхождению, вместе с межклеточным веществом образуют ткани четырёх типов — эпителиальные, соединительные (в том числе кровь и лимфа), мышечные и нервную; общий обзор — в статье «Ткани животных и человека». Ткани по закономерному плану складываются в органы — «Ткани в органах». Органы объединяются в системы, а нервная и гуморальная регуляция связывают их в единый организм. Высшее проявление этой целостности — гомеостаз: благодаря согласованной работе всех систем каждая клетка живёт в постоянной среде, какой бы изменчивой ни была среда вокруг организма.

25. Частые ошибки

26. Интересные факты

• В 1774 году Ч. Благден провёл несколько минут в комнате с воздухом горячее 100 °C, где варились яйца, а температура его тела почти не изменилась [1].
• Повышение содержания CO₂ в альвеолярном воздухе всего на 0,2 % удваивает вентиляцию лёгких [19].
• Во всей крови человека растворено лишь около 5 г глюкозы — мозгу этого хватило бы примерно на час.
• Ящерицы при инфекции «устраивают» себе лихорадку, выбирая более тёплые места [12].
• Первый больной диабетом, получивший инсулин, — 14-летний Леонард Томпсон — прожил после этого ещё 13 лет [14].
• Бурый жир, производящий тепло без дрожи, есть не только у младенцев, но и у взрослых людей [10].

27. Частые вопросы

Чем гомеостаз отличается от просто постоянства?

Постоянство неживого предмета пассивно: оно не требует затрат энергии. Постоянство внутренней среды активно: оно поддерживается непрерывной работой органов и затратами энергии. Если регуляция прекращается — например, после смерти, — температура тела и состав жидкостей быстро сравниваются с внешней средой.

Почему температура тела человека около 37 °C, а не 25 или 45?

При более высокой температуре быстрее идут реакции и проведение импульсов, но белки ближе к денатурации, а затраты энергии растут. При более низкой — медленнее работают мышцы и нервы. Около 37 °C — компромисс; у птиц температура выше, около 40–42 °C. Есть и гипотеза, что теплокровность затрудняет размножение многих грибов, которым трудно расти при 37 °C.

Зачем при жаре нужно пить больше, если почки задерживают воду?

Почки только уменьшают потерю воды с мочой, но не могут создать воду. Потери с потом могут достигать литров в час, и восполнить их можно только питьём; жажда — часть того же контура регуляции.

Почему при сахарном диабете мучает жажда?

Когда концентрация глюкозы в крови выше порога, почки не успевают вернуть её в кровь, и глюкоза выводится с мочой, увлекая за собой воду. Организм теряет воду, осмотическое давление плазмы растёт, осморецепторы гипоталамуса вызывают жажду.

Есть ли гомеостаз у растений?

Есть, хотя и без нервной системы: растения регулируют содержание воды, открывая и закрывая устьица, поддерживают концентрацию ионов в клетках, тургор, pH цитоплазмы. Но внутренней среды, омывающей все клетки, как у животных, у них нет, и температуру тела они почти не регулируют.

28. Что пока не решено

• Как мозг «знает» заданное значение температуры, массы тела, давления: это свойство сети нейронов или результат баланса противоположных сигналов [8].
• Почему у людей установочная точка давления смещается вверх — почему развивается гипертония у миллионов людей.
• Насколько полезна лихорадка и когда её стоит снижать, а когда нет [11].
• Почему с возрастом ослабевают механизмы гомеостаза и можно ли их поддержать.

29. ЕГЭ

В кодификаторе ЕГЭ-2027 гомеостаз входит в элемент 4.4 [23]. Механизмы гомеостаза — терморегуляция, регуляция глюкозы, водно-солевой обмен, регуляция дыхания — проверяются и в разделе о человеке, в заданиях с развёрнутым ответом.

Типичные формулировки ответов:

• «Гомеостаз — относительное динамическое постоянство внутренней среды организма; поддерживается нервной и гуморальной регуляцией по принципу отрицательной обратной связи».
• «При повышении глюкозы β-клетки поджелудочной железы выделяют инсулин; глюкоза поглощается клетками и запасается в печени и мышцах в виде гликогена».
• «При перегревании сосуды кожи расширяются, усиливается потоотделение; при охлаждении сосуды сужаются, возникает дрожь».
• «При недостатке воды осмотическое давление крови растёт, гипоталамус вызывает выделение вазопрессина, почки задерживают воду, возникает жажда».
• «Дыхательный центр продолговатого мозга возбуждается при повышении концентрации CO₂ в крови».

30. Для олимпиад

pH крови по уравнению Гендерсона — Хассельбаха

pH = 6,1 + lg([HCO₃⁻] / (0,03 · pCO₂)). В норме: 24 / (0,03 · 40) = 20, pH = 6,1 + 1,30 = 7,40. Если при болезни лёгких pCO₂ вырос до 60 мм рт. ст.: 24 / 1,8 = 13,3, lg 13,3 = 1,12, pH = 7,22 — дыхательный ацидоз. Почки за несколько суток повышают гидрокарбонат до 36 ммоль/л: 36 / 1,8 = 20, и pH возвращается к 7,40 — компенсация.

Сколько тепла уносит пот

Испарение 1 г воды при температуре кожи требует около 2,4 кДж. 1 л пота в час уносит 2400 кДж / 3600 с ≈ 670 Вт. Бегун, производящий около 1000 Вт тепла, должен испарять около 1,5 л пота в час — и столько же выпивать, чтобы не обезвоживаться.

Запас глюкозы

В 5 л крови при концентрации 5 ммоль/л — 25 ммоль глюкозы, то есть 25 · 0,18 = 4,5 г. Мозг потребляет около 120 г в сутки, или 5 г в час. Запаса в крови хватило бы примерно на 54 минуты, гликогена печени (около 100 г) — примерно на 20 часов.

Сколько энергии нужно для лихорадки

Удельная теплоёмкость тела около 3,5 кДж/(кг · °C). Чтобы нагреть тело массой 70 кг на 2 °C, нужно 70 · 3,5 · 2 = 490 кДж. При теплопродукции покоя 80 Вт это заняло бы почти два часа даже без потерь тепла; поэтому организм одновременно уменьшает теплоотдачу (сужает сосуды кожи) и увеличивает теплопродукцию дрожью — озноб.

31. Задания с разбором

Задание 1

Выберите три верных утверждения о гомеостазе: 1) это относительное постоянство внутренней среды; 2) поддерживается преимущественно положительной обратной связью; 3) обеспечивается нервной и гуморальной регуляцией; 4) показатели внутренней среды абсолютно неизменны; 5) в его поддержании участвуют почки, лёгкие, печень, кожа; 6) свойственен только человеку.

Задание 2

Установите последовательность событий при повышении температуры тела: 1) расширение сосудов кожи и потоотделение; 2) возбуждение терморецепторов; 3) снижение температуры тела; 4) передача сигнала в гипоталамус; 5) повышение температуры тела.

Задание 3

Установите соответствие между процессом и гормоном, который его вызывает: А) превращение глюкозы в гликоген; Б) расщепление гликогена в печени при голоде; В) задержка воды почками; Г) задержка натрия почками; Д) выход кальция из костей. Гормоны: 1) инсулин; 2) глюкагон; 3) вазопрессин; 4) альдостерон; 5) паратгормон.

Задание 4

Найдите ошибки в тексте и исправьте их. (1) Центр терморегуляции находится в гипоталамусе. (2) При охлаждении сосуды кожи расширяются. (3) Инсулин повышает концентрацию глюкозы в крови. (4) Вазопрессин уменьшает выделение воды почками. (5) Дыхательный центр возбуждается при повышении концентрации углекислого газа в крови.

Задание 5

Объясните, почему регуляцию концентрации глюкозы называют регуляцией по принципу отрицательной обратной связи.

Задание 6

Какие процессы в организме человека направлены на сохранение тепла при охлаждении? Назовите не менее трёх.

Задание 7

Установите соответствие между признаком и видом обратной связи: А) ответ направлен против отклонения; Б) процесс сам себя усиливает; В) поддерживает температуру тела; Г) обеспечивает нарастание схваток при родах; Д) регулирует концентрацию глюкозы; Е) ускоряет свёртывание крови. Обратная связь: 1) отрицательная; 2) положительная.

Задание 8

Почему при длительной задержке дыхания возникает непреодолимый позыв вдохнуть?

Задание 9

Выберите три фактора, приводящих к выделению вазопрессина: 1) потеря воды с потом; 2) повышение осмотического давления плазмы; 3) избыточное питьё воды; 4) значительная кровопотеря; 5) понижение осмотического давления плазмы; 6) переедание сладкого при нормальном питьевом режиме.

Задание 10

Почему лихорадку считают не нарушением, а перенастройкой терморегуляции?

Задание 11

Установите соответствие между органом и его ролью в гомеостазе: А) почки; Б) лёгкие; В) печень; Г) кожа; Д) гипоталамус. Роль: 1) выведение воды, солей, ионов водорода; 2) выведение CO₂; 3) запас гликогена и синтез глюкозы; 4) теплоотдача через потоотделение; 5) центр терморегуляции и водного баланса.

Задание 12

Как организм поддерживает постоянство pH крови?

Задание 13

Почему при сахарном диабете первого типа больные нуждаются во введении инсулина, а не глюкагона?

Задание 14

Чем эндотермные животные отличаются от эктотермных по способу поддержания температуры? Приведите примеры.

Задание 15

Почему при длительной нехватке кальция в пище кости становятся хрупкими, а концентрация кальция в крови остаётся почти нормальной?

Задание 16

Почему у человека, быстро вставшего с постели, иногда темнеет в глазах? Какой механизм это исправляет?

Задание 17

Сравните морских беспозвоночных и морских рыб по способу поддержания солевого состава жидкостей тела.

Задание 18 (олимпиадное)

pH = 6,1 + lg([HCO₃⁻] / (0,03 · pCO₂)). При гипервентиляции pCO₂ снизился до 20 мм рт. ст., гидрокарбонат пока прежний (24 ммоль/л). Каков pH? До какой концентрации почки должны снизить гидрокарбонат, чтобы вернуть pH к 7,4?

Задание 19 (олимпиадное)

Человек работает в жару, производя 900 Вт тепла. Вся теплоотдача идёт испарением пота (2,4 кДж/г). Сколько пота должно испаряться за час? Сколько воды он потеряет за 4 часа?

Задание 20 (олимпиадное)

В крови 5 л при концентрации глюкозы 5 ммоль/л (молярная масса 180 г/моль). Мозг расходует 120 г глюкозы в сутки. Насколько хватит глюкозы крови, если её не восполнять? Почему концентрация глюкозы тем не менее держится постоянной ночью?

Литература

1. Blagden C. Experiments and observations in an heated room // Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 1775. Vol. 65. P. 111–123.
2. Bernard C. Introduction à l’étude de la médecine expérimentale. Paris: J.-B. Baillière, 1865.
3. Cannon W. B. Organization for physiological homeostasis // Physiological Reviews. 1929. Vol. 9. P. 399–431.
4. Cannon W. B. The Wisdom of the Body. New York: W. W. Norton, 1932.
5. Hall J. E., Hall M. E. Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology. 14th ed. Philadelphia: Elsevier, 2021.
6. Modell H., Cliff W., Michael J. et al. A physiologist’s view of homeostasis // Advances in Physiology Education. 2015. Vol. 39. P. 259–266.
7. Wiener N. Cybernetics: or Control and Communication in the Animal and the Machine. Cambridge (MA): MIT Press, 1948.
8. Romanovsky A. A. Thermoregulation: some concepts have changed. Functional architecture of the thermoregulatory system // American Journal of Physiology — Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 2007. Vol. 292. P. R37–R46.
9. Alberts B., Heald R., Johnson A. et al. Molecular Biology of the Cell. 7th ed. New York: W. W. Norton, 2022.
10. Cypess A. M., Lehman S., Williams G. et al. Identification and importance of brown adipose tissue in adult humans // New England Journal of Medicine. 2009. Vol. 360. P. 1509–1517.
11. Evans S. S., Repasky E. A., Fisher D. T. Fever and the thermal regulation of immunity: the immune system feels the heat // Nature Reviews Immunology. 2015. Vol. 15. P. 335–349.
12. Vaughn L. K., Bernheim H. A., Kluger M. J. Fever in the lizard Dipsosaurus dorsalis // Nature. 1974. Vol. 252. P. 473–474.
13. Urry L. A., Cain M. L., Wasserman S. A., Minorsky P. V., Orr R. B. Campbell Biology. 12th ed. Pearson, 2020.
14. Banting F. G., Best C. H., Collip J. B. et al. Pancreatic extracts in the treatment of diabetes mellitus // Canadian Medical Association Journal. 1922. Vol. 12. P. 141–146.
15. Cahill G. F. Fuel metabolism in starvation // Annual Review of Nutrition. 2006. Vol. 26. P. 1–22.
16. Owen O. E., Morgan A. P., Kemp H. G. et al. Brain metabolism during fasting // Journal of Clinical Investigation. 1967. Vol. 46. P. 1589–1595.
17. Zhang Y., Proenca R., Maffei M. et al. Positional cloning of the mouse obese gene and its human homologue // Nature. 1994. Vol. 372. P. 425–432.
18. Levick J. R., Michel C. C. Microvascular fluid exchange and the revised Starling principle // Cardiovascular Research. 2010. Vol. 87. P. 198–210.
19. Haldane J. S., Priestley J. G. The regulation of the lung-ventilation // Journal of Physiology. 1905. Vol. 32. P. 225–266.
20. Beall C. M., Cavalleri G. L., Deng L. et al. Natural selection on EPAS1 (HIF2α) associated with low hemoglobin concentration in Tibetan highlanders // PNAS. 2010. Vol. 107. P. 11459–11464.
21. Kaelin W. G., Ratcliffe P. J. Oxygen sensing by metazoans: the central role of the HIF hydroxylase pathway // Molecular Cell. 2008. Vol. 30. P. 393–402.
22. Selye H. A syndrome produced by diverse nocuous agents // Nature. 1936. Vol. 138. P. 32.
23. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы и элементов содержания для проведения ЕГЭ по биологии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.