Возрастная физиология: (Физиология развития ребенка)

Безруких Марьяна Михайловна

Сонькин Валентин Дмитриевич

Фарбер Дебора А

Раздел II

ОРГАНИЗМ И СРЕДА

 

 

Глава 4. РОСТ И РАЗВИТИЕ

Соотношение процессов роста и развития

Определение понятий . Рост и развитие обычно употребляются как понятия тождественные, неразрывно связанные между собой. Между тем биологическая природа этих процессов различна, различны их механизмы и последствия.

Рост — это количественное увеличение биомассы организма за счет увеличения геометрических размеров и массы отдельных его клеток или увеличения числа клеток благодаря их делению.

Развитие — это качественные преобразования в многоклеточном организме, которые протекают за счет дифференцированных процессов (увеличения разнообразия клеточных структур) и приводят к качественным и количественным изменениям функций организма.

Взаимосвязь роста и развития проявляется, в частности, в том, что определенные стадии развития могут наступать только при достижении определенных размеров тела. Так, половое созревание у девочек может наступить только тогда, когда масса тела достигнет определенной величины (для представителей европейской расы это около 48 кг). Активные ростовые процессы также не могут продолжаться на одной и той же стадии развития бесконечно.

Дифференцировочные процессы, или дифференцировка, — это появление специализированных структур нового качества из мало специализированных клеток-предшественниц.

Смысл дифференцированных процессов . Наименее специализированной можно считать зиготу — зародышевую клетку, образующуюся в результате слияния материнской яйцеклетки с отцовским сперматозоидом. Генетический аппарат зиготы содержит полный двойной набор хромосом, и все дальнейшее развитие представляет собой активацию или репрессию той или иной части генома, который от зародышевой клетки полностью и без изменений передается всем ее потомкам в процессе каждого акта деления. Первые этапы развития зиготы представляют собой простое увеличение числа неотличимых друг от друга клеток — сначала зигота делится на 2, потом каждая из них еще на 2, т. е. образуется 4 клетки, затем — 8, 16, 32 и т. д. Эти эмбриональные клетки называются бластомерами, они похожи, как две капли воды. Однако уже на стадии 32 бластомеров начинают выявляться некоторые особенности отдельных клеток, связанные с их местоположением. По мере увеличения числа бластомеров эти различия все возрастают. Часть из этих клеток, образующих вместе сферу, увеличивается в размере более, чем другие, и, наконец, наступает стадия гаструляции — впячивания более мелких клеток внутрь сферы с образованием внутренней (целомической) и внешней (гастральной) полостей. Организм приобретает совершенно новый вид удлиненной замкнутой с одного конца трубочки, резко отличающийся от недавней сферической формы. Клетки апикального и каудального концов начинают все сильнее различаться не только внешне, но и по своим свойствам: внутренним, метаболическим. Более того, функции клеток наружного (эктодермального), внутреннего (энтодермального) и образовавшегося промежуточного (мезодермального) слоев гаструлы, а также роль этих клеток в дальнейшем развитии организма становятся различными. Так, эктодермальный слой клеток дает начало кожным покровам и нервной ткани. Мезодермальный слой служит прародителем всех мышц организма. Клетки энтодермы формируют в дальнейшем паренхиматозные органы (печень, почки, селезенка, железы внутренней секреции) и эпителий желудочно-кишечного тракта. Все эти сложнейшие преобразования, постепенно приводящие к формированию совершенно не схожих между собой клеточных структур и разных по форме и функции тканей, являются проявлением дифференцировочных процессов. Именно в этом и заключается развитие — от единственной зародышевой клетки до организма, насчитывающего миллионы клеток различной специализации.

Сроки развития и созревания детского организма . Долгое время существовало убеждение, что дифференцировочные процессы в основном заканчиваются во внутриутробном периоде, а дальнейшее развитие связано преимущественно с особенностями роста отдельных органов. В последние десятилетия убедительно показано, что это не так: многие ткани организма продолжают развиваться, в том числе и путем дифференцировочных процессов, вплоть до завершения полового созревания. Особенно длителен период созревания возбудимых тканей — нервной и мышечной.

Количественные и качественные изменения в деятельности физиологических систем . Ростовые процессы неминуемо приводят к изменениям объемных характеристик в деятельности практически всех физиологических систем организма. Так, совершенно очевидно, что, для того чтобы сохранить потребный уровень снабжения тканей растущего организма кислородом и питательными веществами, при двукратном увеличении массы тела необходимо примерно такое же увеличение массы циркулирующей крови, размеров сердца, кроветворных органов и т. д. Те же пропорции складываются и в других функциональных системах. Но все это справедливо лишь в том случае, если принципы организации физиологического процесса не меняются. Если же допустить, что ткани претерпевают такие качественные изменения, которые позволяют им полнее экстрагировать кислород и питательные вещества из крови (что и происходит в действительности в процессе онтогенеза), то потребность в кровообращении в расчете на единицу массы тела с возрастом будет снижаться.

Все физиологические функции так или иначе связаны с размерами тела. Но при этом часть из них меняется в онтогенезе пропорционально изменениям массы тела, тогда как другие меняются пропорционально изменениям площади поверхности тела. Если же в ходе развития та или иная функция демонстрирует непропорциональное массе или площади поверхности изменение, то это свидетельствует о качественном преобразовании механизмов реализации данной функции. Ростовые процессы ведут, как правило, к количественным, пропорциональным изменениям. Дифференцировочные процессы могут приводить к появлению качественных, непропорциональных изменений в деятельности физиологических систем организма. На этом простом соображении основано широкое использование в возрастной физиологии относительных показателей, т. е. выражение активности той или иной физиологической функции по отношению к массе тела или площади его поверхности. Этот прием позволяет наглядно увидеть и различить этапы количественного нарастания возможностей физиологических систем и этапы их качественных преобразований.

Энергетические затраты в процессе роста и развития . Широко распространено мнение о том, что процессы роста требуют больших затрат энергии. С этим некоторые исследователи связывали повышенный уровень метаболизма в тканях детского организма. Однако точные измерения, проведенные в 1970-1980-е годы, показали, что даже в период самого интенсивного роста на это расходуется не более 4–5 % суточного потребления энергии. Таким образом, видимое глазу изменение размеров и пропорций тела на самом деле представляет собой достаточно легко (с точки зрения энергетики организма) реализуемый процесс. Совершенно иначе обстоит дело с дифференцировочными процессами, определяющими динамику качественного развития организма. Количество синтезов, которые протекают в процессе дифференцировок, возможно, не столь велико, но их энергетическая «цена» намного выше. Это связано с тем, что в процессе ростовых синтезов используются уже готовые, отработанные пути метаболизма, тогда как дифференцировочные процессы требуют организации новых метаболических путей и широкого спектра ферментных систем, которые бывают необходимы только на узко очерченных стадиях процесса. Экспериментально показано, что в периоды, когда замедляется рост организма, а значит, активизируются дифференцировочные процессы, существенно повышается интенсивность основного обмена, т. е. тех энергозатрат, которые не связаны с реализацией каких-либо конкретных функций.

Понятие о «скачке роста» . В тех случаях, когда во множестве различных тканей организма одновременно наблюдаются ростовые процессы, отмечаются феномены так называемых «скачков роста». В первую очередь это проявляется в резком увеличении продольных размеров тела за счет увеличения длины туловища и конечностей. В постнатальном онтогенезе человека такие «скачки» наиболее ярко выражены в первый год жизни (1,5-кратное увеличение длины и 3-4-кратное увеличение массы тела за год, рост преимущественно за счет удлинения туловища), в возрасте 5–6 лет (так называемый «полуростовый скачок», в результате которого ребенок достигает примерно 70 % длины тела взрослого, рост преимущественно за счет удлинения конечностей), а также в 13–15 лет (пубертатный скачок роста как за счет удлинения туловища, так и за счет удлинения конечностей).

Впервые о скачке роста стало известно из исследований графа Ф. де Монбейяра, который в 1759–1777 гг. наблюдал за развитием своего сына, взвешивая его каждые полгода. Эти результаты были впервые опубликованы Бюффоном в приложении к его «Естественной истории». На рис. 1 хорошо видно резкое увеличение скорости роста в период от 12 до 16 лет (пубертатный скачок), а также видно замедление снижения скорости ростовых процессов в период от 6 до 8 лет (полуростовой скачок). В дальнейшем многочисленные исследователи подтвердили реальность этих двух узловых моментов в развитии, когда скорость роста увеличивается в противовес возрастной тенденции к ее снижению.

Рис. 1. Изменение темпов роста

В результате каждого скачка роста существенно меняются пропорции тела, все более приближаясь к взрослым. Кроме того, количественные изменения, выражающиеся в увеличении длины тела и изменении его пропорций, обязательно сопровождаются качественными изменениями функционирования важнейших физиологических систем, которые должны «настроиться» на работу в условиях новой морфологической ситуации. Целый ряд качественных возрастных изменений функционирования органов и систем является неизбежным следствием увеличения размеров и изменений пропорций тела в онтогенезе: сложившаяся на предыдущем этапе онтогенеза организация функции не способна обеспечить устойчивый процесс в новых условиях, поэтому требуется ее более или менее существенная перестройка.

Чередование периодов роста и дифференцировки служит естественным биологическим маркером этапов возрастного развития, на каждом из которых организм имеет специфические особенности, никогда не встречающиеся в таком же сочетании на любом из других этапов. Отсюда вытекает необходимость всегда соотносить анализ состояния организма (как по морфологическим признакам, так и по функциональным) с конкретным этапом возрастного развития. Иными словами, этапы онтогенеза — не абстракция, придуманная учеными для облегчения анализа, а совершенно реальная последовательность событий, неизменно повторяющаяся в процессе развития каждого индивидуума.

Темпы полового развития и биологически обусловленная продолжительность жизни

Существует множество научных и псевдонаучных учений о продлении сроков жизни человека. Они исходят из того, что некоторые представители вида Homo sapiens доживают в определенных условиях до 130–140 лет, сохраняя ясность мыслей и относительную трудоспособность. По мнению ряда энтузиастов, человек, если бы не был подвержен каким-то заболеваниям и порокам, мог бы жить до 200 и более лет. Надо признать, что, как ни привлекательны эти концепции, они не основаны на современном научном знании.

Для млекопитающих, к которым относится и человек, характерна такая закономерность: средняя продолжительность жизни примерно в 5 раз больше, чем возраст наступления половой зрелости. По-видимому, это соотношение установилось в процессе естественного отбора как наиболее адекватное задачам популяционной репродукции. Для человека характерна эта же закономерность. При этом человек живет значительно (в 3–4 раза) дольше, чем животные, имеющие примерно такой же размер тела, — свинья, овца, коза, шимпанзе и др. Между тем биологически предопределенный срок жизни самым тесным образом связан с размерами животного: более мелкие, имеющие более интенсивный обмен веществ млекопитающие, живут значительно меньше (но при этом проживают примерно такое же «физиологическое время»). Исключения из этого правила составляют некоторые виды, обладающие относительно более крупным мозгом. Так, белка, имеющая те же размеры, что и крыса, живет в несколько раз дольше, при этом ее мозг в 1,5–2 раза крупнее, чем у крысы. Относительно более долгую жизнь имеют также некоторые кошачьи, ведущие древесный образ жизни.

Мозг человека — выдающийся по своим размерам в животном царстве, намного превышающий по относительной массе и сложности организации мозг любого другого млекопитающего. Возможно, именно в особенностях строения и функции мозга кроется удивительное долголетие человека. Но при этом необходимо отметить, что скорость развития и морфофункционального созревания у человека намного ниже, чем у млекопитающих такого же размера. Копытные животные, хищники и приматы, сходные размером с человеком, достигают половой зрелости через 2–4 года после рождения, тогда как человеку на это требуется 13–17 лет. Отсюда следует, что естественный предел продолжительности жизни человека составляет примерно 16 х 5 = 90 лет. Всякий, кто живет дольше этого срока, с полным основанием считается долгожителем.

По-видимому, темп развития и темп старения тесно связаны между собой. Замедленный темп развития позволяет человеку набрать огромный личный и социальный опыт, заполнить мозг колоссальным объемом информации и выработать социально адекватные формы взаимодействия представителей разных поколений. Даже в сложноорганизованных группах животных (например, приматов) нет ничего подобного. У человека сильно растянуто детство и пропорционально удлинена наиболее активная фаза жизни. Биологическая плата за это — долгое старение, но процесс морфофункционального увядания в какой-то мере компенсирован той социальной ролью, которую мудрость старости играет в развитом обществе.

Следует подчеркнуть, что все приведенные выше рассуждения имеют смысл только на популяционном уровне и никак не относятся к индивидуальным особенностям темпов биологического созревания. Специальные исследования не выявили значимых корреляций между скоростью полового созревания и временем жизни у отдельных людей. Жители южных стран обычно достигают половой зрелости на 1–2 года раньше, чем северяне, но это не значит, что они живут на 5-10 лет меньше. В индивидуальном плане на продолжительность жизни влияет такое количество разнообразных факторов, что подобные прямые толкования общебиологических закономерностей недопустимы.

Рост и развитие костного скелета

Костный скелет и прикрепленные к нему мышцы составляют опорно-двигательный аппарат человека. Как и у всех позвоночных, скелет человека представляет собой структурную основу его тела, определяет его форму, размер и пропорции. Скелет защищает от механических воздействий головной и спинной мозг, а также формирует полости, в которых под надежной защитой находятся внутренние органы. Перемещения звеньев тела осуществляются благодаря тому, что отдельные кости соединены одна с другой при помощи подвижных сочленений, а мышцы, прикрепленные к разным костям, способны перемещать одну кость относительно другой. Все движения человека — это перемещение в пространстве звеньев его тела.

Особенности опорно-двигательного аппарата человека во многом связаны с размерами его тела, а также с прямохождением. Тем не менее, как и у всех млекопитающих, тело человека состоит из головы, туловища и конечностей, причем такое строение приобретает эмбрион уже на 3-м месяце внутриутробной жизни.

Кость . Скелет состоит из костей, которых у взрослого человека более 200. Кость — это сложнейший орган, имеющий, как и все другие органы, клеточное строение. Внутри кости проходят многочисленные полости и каналы, кость обильно снабжается кровью и лимфой, к ней подходят многочисленные нервные окончания, которые воспринимают информацию о состоянии костной ткани и передают управляющие импульсы из нервных центров. Внутри многих костей имеется полость, где расположен костный мозг — важнейший орган кроветворения, в котором образуются все типы клеток крови. Снаружи кость покрыта надкостницей — специальной защитной, очень чувствительной к механическому воздействию оболочкой. Клетки надкостницы растут и размножаются, обеспечивая утолщение кости по мере роста.

Кость — очень прочное и твердое вещество: в 30 раз тверже кирпича, в 2,5 раза тверже гранита; прочность кости в 9 раз выше, чем у свинца, и почти столь же велика, как у чугуна. Бедренная кость человека в вертикальном положении выдерживает давление до 1,5 т, а большеберцовая — до 1,8 т.

Механическая прочность кости зависит от содержания в ней минеральных веществ, особенно солей кальция. В составе кости около 10 % воды, 30 % белка и других органических веществ, а остальное (60 %) — минеральные соли. Важнейшим органическим составляющим костной ткани является белок коллаген, образующий эластичные и вязкие волокна. Именно этот белок придает костям упругость. Хрящевая ткань, выстилающая суставы и находящаяся на периферии костей молодого организма, представляет собой гораздо менее минерализованную структуру, содержащую много коллагена и мало солей кальция.

Рис. 2. Последовательные стадии окостенения

У детей в костной ткани содержание минеральных веществ значительно ниже, поэтому их скелет более гибкий и эластичный, способен легко деформироваться под воздействием внешних причин — тяжелой физической работы, неправильного положения тела и т. п.

Процесс насыщения кости минеральными веществами называется минерализацией. По мере роста и развития человека минерализация его костей увеличивается, достигая оптимальных значений к концу полового созревания. Минерализация кости приводит к тому, что хрящевые участки постепенно превращаются в костные, поэтому этот процесс называется также окостенением (рис. 2). С возрастом кости становятся менее эластичными, но более хрупкими. К старости, когда минеральный обмен нарушается, из кости вымывается значительное количество кальция, в результате кости утрачивают прочность, сохраняя при этом свою хрупкость. Вот почему у стариков так часты переломы костей.

В течение первого года жизни окостенение скелета происходит очень активно во множестве точек. Этому способствует специфическое строение костной ткани ребенка, в частности относительно большее (в 5-10 раз в расчете на единицу площади поперечного сечения) количество каналов, по которым внутри кости проходят мелкие сосуды. Благодаря этому снабжение костей кровью у детей гораздо более интенсивное, чем у взрослых. На развитии костного скелета может отрицательно сказываться нарушение баланса витамина D, который участвует в метаболизме кальция в костной ткани. Недостаток витамина ведет к появлению рахита, который проявляется в замедлении процессов окостенения и, как следствие, — в нарушении пропорций в развитии сочленяемых костей. Признаки рахита особенно часто видны по измененной форме черепа и грудной клетки. Для профилактики рахита принято давать детям первого года жизни рыбий жир или синтетический витамин D. В то же время избыток этого витамина также нежелателен, так как он может приводить к ускорению процессов окостенения и торможению ростовых процессов в костной ткани.

Рис. 3. Возрастные изменения формы и размеров черепа. Цифры 5, 7, 9 означают месяцы внутриутробного развития

Рост и развитие костей заканчиваются к 20–24 годам у мужчин и на 2–3 года раньше — у женщин. К этому времени завершается окостенение всех зон роста, т. е. замена в них хрящевой ткани на костную. Рост кости в толщину может в определенных условиях продолжаться и позднее. На этом, в частности, основано сращивание костей после перелома.

Череп . Вместилищем головного мозга, а также каркасом для мышц, обеспечивающих мимику и первичную обработку пищи в ротовой полости, являются кости черепа (рис. 3).

Череп новорожденного состоит из нескольких отдельных костей, соединенных мягкой соединительной тканью. В тех местах, где сходятся 3–4 кости, эта перепонка особенно велика, такие зоны называют родничками. Благодаря родничкам кости черепа сохраняют подвижность, что имеет важнейшее значение при родах, так как голова плода в процессе родов должна пройти через очень узкие родовые пути женщины. После рождения роднички зарастают в основном к 2–3 месяцам, но самый большой из них — лобный — только к возрасту 1,5 лет.

Мозговая часть черепа детей значительно более развита, чем лицевая. Интенсивное развитие лицевой части происходит в период полуростового скачка, и особенно — в подростковом периоде под воздействием гормона роста. У новорожденного объем мозгового отдела черепа в 6 раз больше объема лицевого, а у взрослого — в 2–2,5 раза.

Голова ребенка относительно очень велика. С возрастом существенно изменяется соотношение между высотой головы и ростом. Это соотношение используется как один из морфологических критериев биологического возраста ребенка.

Позвоночник . Позвоночник новорожденного, как и взрослого, состоит из 32–33 позвонков (7 шейных, 12 грудных, 5 поясничных, 5 тазовых и 3-4-х хвостовых), причем их рост и окостенение заканчиваются только с половым созреванием. Главной отличительной особенностью позвоночника ребенка первого года жизни является практическое отсутствие изгибов. Они формируются постепенно (рис. 4), по мере роста туловища и реализации антигравитационных реакций (сидение, стояние, прямохождение), и призваны обеспечить биомеханически наиболее эффективные режимы как при статической, так и при динамической нагрузке. Первой образуется шейная кривизна (выпуклостью вперед), когда у ребенка появляется возможность удерживать в вертикальном положении голову. К концу первого года жизни формируется поясничная кривизна (также выпуклостью вперед), необходимая для реализации позы стояния и акта прямохождения. Грудная кривизна (выпуклостью назад) формируется позже. Позвоночник ребенка этого возраста еще очень эластичен, и в лежачем положении его изгибы сглаживаются. Недостаток двигательной активности в этом возрасте отрицательно сказывается на развитии нормальной кривизны позвоночного столба.

Рис. 4. Формирование изгибов позвоночника в онтогенезе ребенка

Следует подчеркнуть, что формирование нормальной кривизны позвоночника — важнейший этап в развитии не только костного скелета, но и всех внутренних органов, так как от формы и изгибов позвоночника зависит взаимное расположение органов в грудной клетке и брюшной полости. Кроме того, позвоночник — вместилище спинного мозга, из которого проводящие нервные пути отходят ко всем полостным органам и тканям, а также к каждой скелетной мышце. Нарушения в развитии позвоночника могут иметь самые тяжелые последствия для здоровья. Именно поэтому так важна профилактика, которую следует начинать уже на первом году жизни ребенка, выполняя с ним осторожные и умеренные физические упражнения и массажируя его при соблюдении гигиенических норм и правил обращения с ребенком. Наиболее часто развивается сколиоз — боковые искривления позвоночника в шейном и грудном отделах (рис. 5), причем нередко они возникают в результате неправильного ухода за ребенком. Так, очень важно следить, чтобы ребенок спал на достаточно твердой поверхности с невысокой подушкой, в удобной и естественной позе, а также периодически ее менял — это одно из средств профилактики сколиозов шейного отдела. Сколиозы грудного отдела, а также кифоз (передне-заднее искривление грудного отдела) и лордоз (чрезмерный изгиб в поясничной области вперед) в раннем возрасте развиваются редко.

Рис. 5. Осанка:

а — нормальная; б — выпрямленная; в — кифотическая; г — лордотическая; д — сутуловатая; е — сколиотическая

Рост позвоночника наиболее интенсивно происходит в первые 2 года жизни. При этом сначала все отделы позвоночника растут относительно равномерно, а начиная с 1,5 лет рост верхних отделов — шейного и верхнегрудного — замедляется, и увеличение длины происходит в большей мере за счет поясничного отдела. Таким образом, в динамике роста позвоночного столба также отмечается выраженный градиент темпов развития — «от головы к хвосту». Следующий этап ускорения роста позвоночника — период «полуростового» скачка. Последнее вытягивание позвоночника происходит на начальных этапах полового созревания, после чего рост позвонков замедляется.

Окостенение позвонков продолжается в течение всего детского возраста, причем до 14 лет окостеневают только их средние части. Завершается окостенение позвонков только к 21–23 годам. Изгибы позвоночника, начавшие формироваться на 1 — м году жизни, полностью формируются в возрасте 12–14 лет, т. е. на начальных стадиях полового созревания.

Грудная клетка . Грудной отдел позвоночника, 12 пар ребер и грудина составляют грудную клетку, в которой под этой надежной защитой размещены сердце, легкие и другие жизненно важные органы. Движения ребер под воздействием межреберных мышц обеспечивают акт дыхания. Вот почему форма и размер грудной клетки имеют важнейшее значение для осуществления физиологических процессов.

У новорожденного грудная клетка имеет коническую форму, причем ее размер от грудины до позвоночника больше, чем поперечный. У взрослого человека — наоборот.

По мере роста ребенка форма грудной клетки меняется. Уменьшается угол, под которым ребра соединены с позвоночником. Уже к концу 1-го года жизни это обеспечивает значительное увеличение амплитуды дыхательных движений грудной клетки, что делает дыхание более глубоким и эффективным и позволяет снизить его темп. Коническая форма грудной клетки после 3–4 лет сменяется на цилиндрическую, а к 6 годам пропорции грудной клетки становятся похожими на пропорции взрослого человека. Это в еще большей степени позволяет увеличить эффективность дыхательных движений, особенно при физической нагрузке. К 12–13 годам грудная клетка приобретает ту же форму, что у взрослого.

Форма грудной клетки после 12–13 лет тесно связана с телосложением. Представители долихоморфных (вытянутых в длину) типов имеют удлиненную, цилиндрическую грудную клетку с острым эпигастральным углом (угол между двумя нижними ребрами в точке их сращения с грудиной). У представителей брахиморфных (с преобладанием ширины) типов грудная клетка становится бочкообразной, короткой, с тупым эпигастральным углом. У промежуточного мезоморфного типа эпигастральный угол бывает прямым.

Скелет верхних конечностей . Пояс верхних конечностей состоит из двух лопаток и двух ключиц. Они образуют жесткий каркас, формирующий верхнюю границу туловища. К лопаткам подвижно прикреплены кости свободных конечностей (правой и левой), которые включают плечевую кость, предплечье (лучевая и локтевая кости) и кисть (мелкие кости запястья, 5 длинных пястных костей и кости пальцев).

Окостенение свободных конечностей продолжается до 18–20 лет, причем ранее всего окостеневают ключицы (практически еще внутриутробно), затем — лопатки и последними — кости кисти. Именно эти мелкие кости служат объектом рентгенографического исследования при определении «костного возраста». На рентгенограмме эти мелкие косточки у новорожденного только намечаются и становятся ясно видимыми только к 7 годам. К 10–12 годам выявляются половые различия, которые заключаются в более быстром окостенении у девочек по сравнению с мальчиками (разница составляет примерно 1 год). Окостенение фаланг пальцев завершается в основном к 11 годам, а запястья — в 12 лет, хотя отдельные зоны продолжают оставаться не окостеневшими до 20–24 лет.

Скелет нижних конечностей . Пояс нижних конечностей включает таз и свободные нижние конечности. Таз состоит из крестца (нижний отдел позвоночника) и неподвижно соединенных с ним двух тазовых костей. У детей каждая тазовая кость состоит из трех самостоятельных костей: подвздошной, лобковой и седалищной. Их сращение и окостенение начинается с 5–6 лет, а завершается к 17–18 годам. Крестец у детей также еще состоит из несросшихся позвонков, которые соединяются в единую кость в подростковом возрасте. В этом возрасте важно следить за походкой, качеством и удобством обуви, а также остерегаться резких ударов, способных причинить вред позвоночнику. Неправильное сращение или деформация костей таза может оказать неблагоприятное влияние на здоровье в дальнейшем. В частности, для девочек очень важны форма и размер выхода из малого таза, которая влияет на прохождение плода при родах. Половые различия в строении таза начинают проявляться в возрасте 9 лет.

К тазовым костям прикреплены бедренные кости свободных нижних конечностей. Ниже расположены пары костей голени — большеберцовые и малоберцовые, а затем кости стопы: предплюсна, плюсна, фаланги пальцев. Стопа образует свод, опирающийся на пяточную кость. Свод стопы — исключительная привилегия человека, связанная с прямохождением. Свод действует как рессора, смягчая удары и толчки при ходьбе и беге, а также распределяя тяжесть при переноске грузов. Сводчатость стопы формируется только после 1 года, когда ребенок начинает ходить. Уплощение свода стопы — плоскостопие (рис. 6) — одно из частых нарушений осанки, с которым необходимо бороться.

Рис. 6. Форма стопы:

а — нормальная; б — плоская; в — различные степени плоскостопия

Порядок и сроки окостенения свободных нижних конечностей в целом повторяют закономерности, характерные для верхних.

Физическое развитие

Определение понятия . Под физическим развитием понимают размеры и форму тела, соответствие их возрастной норме. Количественная оценка физического развития может быть выражена как в абсолютных (килограммы, сантиметры), так и в относительных (доля в процентах от возрастной нормы) величинах. С физическим развитием тесно связаны моторное (двигательное) развитие и половое созревание. Выраженные отклонения от нормативов физического развития, как правило, означают нарушения процессов роста и созревания организма. Часто они бывают связаны с теми или иными метаболическими нарушениями, а также с патологией эндокринной и центральной нервной систем. При этом существенное отставание в физическом развитии иногда даже менее опасно, чем значительное опережение, которое почти всегда свидетельствует о наличии гормональных нарушений.

Размеры и общий план строения тела . В возрастной, сравнительной и экологической физиологии большое внимание уделяется закономерностям, связывающим размеры тела и те или иные функциональные свойства организма. Выдающийся современный исследователь К. Шмидт-Ниельсен выпустил даже специальную монографию под названием «Размеры животных: почему они так важны». Одна из центральных мыслей автора состоит в том, что изменение размеров неминуемо ведет к изменению конструкции, так как принципы, пригодные для объекта малого размера, не могут быть приложимы к аналогичному по функции объекту большего размера. Это было им замечательно проиллюстрировано целым рядом примеров как из морфологии и физиологии животных, так и из техники. Действительно, простое увеличение размеров без изменения пропорций выглядит обычно нелепо и очевидно нецелесообразно. Трудно представить себе взрослого человека, имеющего пропорции новорожденного. Такой человек был бы беспомощным инвалидом — с огромными туловищем и головой и коротенькими руками и ногами, совершенно неспособными по самой своей конструкции производить что-либо полезное.

Связь физиологических функций с размерами и формой тела . Физическое развитие, характеризуя геометрические размеры тела и его пропорции, непосредственно влияет на функционирование всех без исключения органов и систем организма (рис. 7). Это связано с тем, что масса и площадь поверхности тела во многом определяют интенсивность обменных процессов в организме. Масса тела при этом выступает как мера продукции энергии (тепла), а его поверхность — как мера теплоотдачи. Иными словами, размеры и пропорции тела во многом определяют соотношение механизмов теплопродукции и теплоотдачи. Маленький ребенок ближе по своим пропорциям к шарику, т. е. к идеальной форме, имеющей минимальное соотношение поверхности и объема (массы). Такая форма наиболее экономична для поддержания энергетического и теплового баланса организма на минимальном уровне, т. е. теплоотдача при такой форме будет наименьшая, что снижает нагрузку на механизмы теплопродукции. В то же время чем больше по размеру шаровидное тело, тем меньше (при неизменных пропорциях) его относительная поверхность и, следовательно, теплоотдача. Это обусловлено простой математической зависимостью, согласно которой объем шарообразного тела пропорционален его радиусу в 3-й степени, а поверхность — радиусу во 2-й степени. Увеличение радиуса (т. е. размеров) тела приводит к существенно более быстрому возрастанию объема, чем увеличение поверхности. То есть относительная поверхность (площадь поверхности, приходящаяся на единицу объема) у маленького тела существенно выше, чем у большого. Поэтому для маленького организма проблемой является дополнительная продукция тепла при охлаждении, а для большого — дополнительный отвод тепла при перегреве.

Рис. 7. Пропорции тела человека в зависимости от возраста

Размеры тела и физические факторы . Человек на протяжении всей своей постнатальной жизни постоянно взаимодействует с двумя основными физическими факторами, к которым организму приходится непрерывно приспосабливаться, — температурой окружающей среды и силой тяжести (гравитацией). Реакция организма на оба эти фактора самым непосредственным образом связана с массой, геометрическими размерами и пропорциями тела, т. е. с физическим развитием. Другие физические факторы, также определяющие особенности экологии человека, воздействуют на организм независимо от его формы и размеров (например, уровень инсоляции, влажность, газовый состав окружающего воздуха и т. п.).

Температура окружающей среды — постоянно действующий фактор переменного значения. В связи с тем, что клетки организма нуждаются для своего нормального функционирования в постоянной температуре около 37 °C, изменения внешней температуры обусловливают необходимость приспособления организма к этому переменному фактору. Размеры и пропорции тела в этом случае очень важны, так как интенсивность производства тепла в организме пропорциональна его массе, а скорость теплоотдачи пропорциональна площади поверхности тела. Любое изменение размеров и пропорций, в том числе происходящее в результате естественных процессов роста и развития, непосредственно сказывается на балансе продукции и отвода тепла и неукоснительно ведет к перестройке деятельности всех вегетативных систем организма, а следовательно — и систем управления (центральной нервной системы и эндокринной системы). Повышенная температура среды требует — во избежание перегрева — активации функций, способствующих теплоотдаче (перераспределение кровотока в сторону усиления кожного кровообращения, активация легочной вентиляции и потоотделения). Пониженная температура, напротив, требует сохранения тепла в организме (за счет обратного перераспределения кровотока, снижения активности внешнего дыхания и потоотделения) и усиления его продукции за счет повышения интенсивности метаболизма (особенно в таких органах, как печень, бурая жировая ткань и скелетные мышцы).

Гравитация (сила тяжести) — другой постоянно действующий фактор, влияние которого сказывается непрерывно и тесно связано с массой и формой тела. Изменение пропорций тела неминуемо ведет к изменению биомеханических свойств и, как следствие, экономичности разнообразных движений, т. е. влияет на энергетический баланс организма.

Таким образом, геометрические размеры, масса и пропорции тела очень существенно влияют на протекание всех важнейших функций организма, воздействуя на их экономичность и ставя пределы адаптивным возможностям.

Влияние размеров тела на метаболизм и вегетативные функции . Размеры тела во многом определяют интенсивность обменных процессов (рис. 8), активность многих физиологических функций (например, частоту сердцебиений и дыхания), а также толерантность к внешней температуре и другим факторам среды. Зависимость показателей функциональной активности от размеров тела в ряду животных «от мыши до слона» широко исследована, и взрослый человек хорошо укладывается в эти общебиологические закономерности. Обычно измеряемые показатели интенсивности обменных процессов (интенсивность потребления кислорода либо его калорический эквивалент) и связанных с ними вегетативных функций (частота пульса, относительная объемная скорость кровотока, частота дыхания и т. п.) снижаются с увеличением размеров тела пропорционально массе тела в степени 2/3. Сходные закономерности могут быть выявлены и в ходе онтогенетического роста, однако здесь имеются факторы, существенно искажающие плавный ход соответствующих кривых. Эти факторы связаны с различной организацией функций организма на разных этапах онтогенеза, о чем говорилось выше. Тем не менее внутри одной возрастной группы размерные закономерности, хотя и не столь явно выраженные, имеют место. Это еще одна из причин, по которой контроль за уровнем физического развития детей и подростков имеет важное значение при оценке их общего морфофункционального состояния.

Рис. 8. Изменение интенсивности обмена покоя и относительных ежегодных приростов массы тела у детей 5-11 лет

Обозначения: по оси ординат — теплопродукция, ккал/кг·ч (слева); величина относительных приростов массы тела (справа); по оси абсцисс — возраст; 1 — изменение обмена покоя у девочек; 2 — то же у мальчиков; черные столбики — ежегодные относительные приросты у девочек; белые столбики — у мальчиков

Масса тела, скорость обменных процессов и «физиологическое время» . Снижение интенсивности обменных процессов с возрастом и увеличением размеров тела означает, что в единицу времени происходит меньшее количество биохимических реакций, составляющих основу метаболизма. В связи с этим возникло представление о «физиологическом времени», т. е. о том, что время для более маленького организма течет быстрее. Было показано, что «физиологическое время» пропорционально массе тела в степени 0,25. Например, у годовалого ребенка массой 12 кг время течет в 1,5 раза быстрее, чем у взрослого массой 70 кг, а у первоклассника массой 30 кг — на 25 % быстрее. Совершенно аналогичные результаты могут быть получены, если подсчитать соотношение частоты сердцебиений, которая также может служить выражением интенсивности обменных процессов в организме. Так, у 7-летнего ребенка в покое пульс составляет примерно 90 уд/мин, а у взрослого — 70, что в 1,28 раза ниже. Таким образом, годовалые дети за сутки проживают как бы 1,5 суток, а 7-летние — 1,25 суток. В этих условиях становится понятна необходимость дневного сна для восстановления сил, запас которых в детском организме также еще невелик.

Рис. 9. Динамика роста разных типов тканей. За 100 % принята масса соответствующей ткани у взрослого

Типы роста тканей организма . Разные ткани организма могут иметь различный тип ростовых процессов (рис. 9). Характер ростовых процессов обычно выражается кривой роста. В биологии развития различают четыре типа роста: А — лимфоидный (тимус, лимфатические узлы, лимфоидная ткань кишечника и т. п.); Б — мозговой (мозг и его части, твердая мозговая оболочка, спинной мозг, глаз, размеры головы); В — общий (тело в целом, внешние размеры, органы дыхания и пищеварения, почки, аорта и легочная артерия, мышечная система, объем крови); Г — репродуктивный (яички, придаток, предстательная железа, семенные пузырьки, яичники, фаллопиевы трубы).

Для типа А характерна очень высокая скорость роста в первые 10 лет жизни и достижение максимальных размеров органа в препубертатный период, а затем — инволюция с наступлением полового созревания. Тип Б характеризуется постепенным замедлением скорости роста от рождения до созревания, причем уже в возрасте 8-10 лет орган практически достигает дефинитивных размеров. Тип В характеризуется быстрым ростом в начале постнатальной жизни, затем происходит торможение ростовых процессов, и вновь они ускоряются с наступлением пубертата. И наконец, тип Г, описывающий рост гонад, характеризуется медленным ростом в первые годы жизни и скачкообразным его ускорением с началом полового созревания.

Совершенно особый тип кривой роста характерен для подкожной жировой ткани. Очень высокая скорость роста жировой прослойки в первые месяцы жизни приводит к тому, что к 1 году у ребенка формируется весьма выраженный подкожный слой жира, который затем начинает уменьшаться, и лишь с преодолением ребенком возрастного рубежа 6–8 лет подкожный жир вновь накапливается. С учетом изменений общих размеров тела надо признать, что содержание подкожного жира в организме годовалого младенца относительно очень велико и в норме никогда в дальнейшем подобное состояние не наблюдается. В динамике роста подкожного жира выявляются довольно четкие различия между мальчиками и девочками: у девочек как скорость роста, так и абсолютные размеры подкожной жировой клетчатки обычно выше.

Показатели физического развития . К показателям физического развития, которые обычно рассматриваются врачами, антропологами и другими специалистами с целью контроля за динамикой процессов роста и развития, относятся:

масса тела;

длина тела;

окружность грудной клетки;

окружность талии.

Наряду с этими могут рассматриваться также и другие показатели (например, размеры кожно-жировых складок, окружности отдельных звеньев тела — бедра, голени, плеча и т. п.). Однако для сопоставления с нормой и заключения о характере и уровне физического развития перечисленных показателей достаточно.

Оценка показателей физического развития . Для оценки показателей физического развития используют нормативные таблицы и шкалы, основанные на сигмальных отклонениях. Обычно оценивают отдельно каждый из показателей физического развития по сигмальной шкале, а также анализируют их соотношение на основании стандартных уравнений линейной регрессии для выявления дисгармоничных вариантов. Сигмальные шкалы позволяют оценивать результаты каждого измерения по 5-балльной шкале, в которой:

< М — 1,33 δ — низкий уровень;

< М — 0,67 δ — нижесредний уровень;

М ± 0,67 δ — средний уровень;

> М + 0,67 δ — вышесредний уровень;

> М + 1,33 δ — высокий уровень.

При проведении оценки физического развития сначала оценивают длину тела, а затем соответствие массы тела и длин окружностей измеренной длине тела. Это делается с помощью стандартных уравнений линейной регрессии. Для количественной оценки используют специально разработанные стандарты физического развития.

Стандарты (нормативы) физического развития представляют собой результаты антропометрического обследования больших групп населения данной местности — не менее 100–150 человек на возрастно-половую группу. Поскольку физическое развитие населения подвержено колебаниям в зависимости от географических, этнических, климатических, социальных, биогенных, экологических и иных факторов, стандарты и нормативы физического развития требуют регулярного (не реже 1 раза в 5-10 лет) обновления. Стандарты физического развития всегда имеют региональный характер, причем внутри регионов, населенных разными этническими группами, должны использоваться стандарты, разработанные на основании обмеров представителей соответствующих этнических групп. Это имеет большое значение в районах Крайнего Севера, Дальнего Востока, а также в Поволжье, на Кавказе и в других регионах России, где вместе проживают представители разных этносов и рас, имеющие существенные генетически предопределенные антропологические различия.

Темпы физического развития. Акселерация и ретардация . Темп физического развития — важная характеристика для оценки состояния здоровья каждого конкретного ребенка. Умеренное ускорение или замедление этого темпа может зависеть от множества факторов, но и то и другое всегда должно учитываться при сборе анамнеза и постановке любого клинического диагноза. Индивидуальное разнообразие темпов физического развития достаточно велико, но если оно укладывается в границы нормы — это свидетельствует об адекватности условий существования ребенка его морфофункциональным возможностям на данном этапе индивидуального развития.

Однако наряду с индивидуальными в отдельные периоды наблюдаются популяционные сдвиги в темпах физического развития. Так, в странах Европы, Северной Америки и некоторых странах Азии и Африки в XX в. стало наблюдаться ускорение темпов физического развития детей на уровне целых популяций. Такое явление получило название «эпохальный сдвиг», или «акселерация» (от лат. accelero — ускорять) физического развития. Оно проявлялось в том, что дети значительно опережали своих родителей в соответствующем возрасте по длине и массе тела, а также раньше достигали уровня половой зрелости. В период с 1960-х по 1990-е годы было проведено огромное число исследований с целью выявить сам факт акселерации роста и развития, а также попытаться дать ему рациональное объяснение. Среди гипотез относительно причин акселерации были такие, которые в разных видах связывали эти процессы с общим повышением уровня жизни и благосостояния населения Земли, которое нарастало более высокими темпами в тех странах, где акселерация началась раньше и была ярче выражена. Другая распространенная точка зрения — информационная гипотеза, согласно которой огромный объем информации, обрушившийся на детей с раннего возраста через печать, радио, телевидение и другие средства коммуникации, стимулирует ростовые процессы и ускоряет созревание организма. И наконец, третья точка зрения сводилась к тому, что акселерация — явление временное, связанное с какими-то экзогенными (например, зависящими от солнечной активности) или эндогенными (причины которых неизвестны) популяционными циклами, неоднократно на протяжении веков приводившими то к ускорению, то к замедлению (ретардации, от лат. retardo — замедлять, тормозить) физического развития человечества.

До настоящего времени ни одна из этих точек зрения не получила всеобщего признания, более того, все большее число исследователей склоняется к признанию совокупного воздействия всех этих факторов, которое и привело к резкому ускорению физического развития во второй половине XX в. Между тем измерения, сделанные в последние 5-10 лет в России, в странах Европы и Америки, показали, что процессы акселерации на популяционном уровне приостановились, отмечена даже некоторая тенденция к ретардации развития подрастающего поколения. Это обстоятельство свидетельствует более всего в пользу циклической теории акселерации-ретардации развития. Подтверждением этой концепции является и тот факт, что, судя по размерам воинских доспехов, средневековые рыцари отличались малыми размерами тела и грацильным телосложением, сходным с телосложением современных подростков. При этом, судя по данным археологических раскопок, жившие еще на 1000 лет раньше европейские жители древнего мира — Рима и Греции — были по своему физическому развитию ближе к современному типу представителя европейской расы.

Акселерация физического развития, проявившаяся в мире в последние 50 лет, практически не затрагивала темпов ментального и духовного развития, и это создавало определенные трудности в сфере обучения и воспитания. В частности, раннее достижение половой зрелости привело к массовому раннему вступлению подростков в половые отношения, что до сих пор представляет собой немалую социокультурную, педагогическую и медицинскую проблему.

Возрастное изменение общего плана строения тела . Общее представление об изменении строения тела с возрастом можно получить, рассмотрев рис. 7. Из него хорошо видно, что относительные размеры головы с возрастом весьма существенно уменьшаются, тогда как относительная длина конечностей значительно возрастает. Новорожденный ребенок относительно очень широк, причем его туловище по всей длине имеет примерно одинаковую ширину. К возрасту достижения половой зрелости появляются половые различия в строении тела: широкие плечи и узкий таз у юношей и четко выраженная талия с последующим расширением к тазу у девушек. Все эти изменения обусловлены различиями в темпах роста отдельных частей тела на разных этапах онтогенеза. В свою очередь они приводят к появлению как морфологических, так и физиологических особенностей, характерных для каждого из этапов индивидуального развития.

Морфологические критерии биологического возраста . Широкий разброс индивидуальных вариантов темпов развития приводит к тому, что календарный (паспортный) возраст и уровень морфофункционального развития (биологический возраст) могут довольно существенно расходиться. Между тем для проведения социальных, педагогических, да и лечебных мероприятий с ребенком гораздо важнее ориентироваться на его индивидуальный уровень морфофункциональной зрелости, чем на календарный возраст. В связи с этим возникает задача оценки биологического возраста. Комплексное антропологическое и физиологическое исследование могло бы дать однозначный ответ на такой вопрос, но широкое проведение подобных исследований практически невозможно, а между тем знание степени биологической зрелости организма необходимо для многих практических целей. Поэтому выработаны простые морфологические критерии, которые с известной долей вероятности могут охарактеризовать биологический возраст ребенка.

Самый простой, но и самый грубый способ оценки биологического возраста — по пропорциям тела — соотношению длины конечностей и туловища. При этом следует подчеркнуть, что отдельно длина или масса тела, а также размер любой части тела не могут быть использованы в качестве критериев биологического возраста. Превышение уровня физического развития над среднепопуляционными значениями, также как и его отставание, само по себе еще не говорит о степени морфофункциональной зрелости организма. Так, например, высокий рост ребенка может означать не только то, что он быстрее других развивается (это как раз нам и предстоит выяснить), но также и то, что он станет высоким взрослым и уже сейчас обгоняет своих сверстников. Различить эти альтернативы по одному измерению невозможно. Другое дело — пропорции тела, учитывающие соотношение степени развития отдельных его частей: головы, туловища, конечностей. Но такая оценка может давать только очень грубый, приближенный результат, так как здесь вмешивается фактор биологического разнообразия, т. е. конституциональной принадлежности индивида. У потенциальных долихоморфов уже в детском возрасте ноги могут быть относительно длиннее, чем у их сверстников-брахиморфов, хотя скорость морфофункционального развития брахиморфов по многим показателям часто оказывается выше. Поэтому, судя по пропорциям тела, можно с уверенностью отнести ребенка только к той или иной возрастной группе, причем достаточно широкой.

Костный возраст. Гораздо более точный результат дает исследование костного (скелетного) возраста. Оссификация каждой кости начинается с первичного центра и проходит через ряд последовательных стадий увеличения и формирования области окостенения. Кроме того, в ряде случаев появляется один или несколько дополнительных центров окостенения в эпифизах. Наконец, эпифизы срастаются с телом кости, и созревание на этом завершается. Все эти этапы легко можно увидеть на рентгенограмме.

По числу имеющихся центров окостенения и степени их развития можно достаточно точно судить о костном возрасте. На практике наиболее часто для этих целей используют кисть и запястье (обычно левой руки). Это связано как с особенностями строения этого звена тела (множество костей и эпифизов), так и с технологическим удобством, сравнительной дешевизной и безопасностью процедуры. Сравнение полученной рентгенограммы со стандартами и балльная оценка степени развития многих костей позволяют количественно (в годах и месяцах) выразить полученный результат. Недостаток этого метода заключается в том, что он довольно трудоемок и требует проведения дорогостоящего и небезопасного для здоровья рентгенологического исследования.

Зубной возраст. Если подсчитать число прорезавшихся (или сменившихся) зубов и сопоставить эту величину со стандартами, можно оценить так называемый зубной возраст. Однако возрастные периоды, когда такое определение возможно, ограничены: молочные зубы появляются в интервале от 6 месяцев до 2 лет, а смена их на постоянные происходит с 6 до 13 лет. В период от 2 до 6 лет и после 13 лет определение зубного возраста теряет смысл. Правда, возможно производить оценку степени окостенения зубов на основании рентгенограмм, как и в случае костного возраста, однако такой метод по понятным причинам не получил практического распространения.

Внешние половые признаки. В период полового созревания биологический возраст можно оценивать по внешним половым признакам. Есть разные — количественные и качественные — методики учета этих признаков, но все они оперируют одним и тем же набором показателей: у юношей это размер мошонки, яичек и полового члена, оволосение на лобке, в подмышечных впадинах, на груди и на животе, появление поллюций, набухание сосков; у девушек это форма и размер грудных желез и сосков, оволосение на лобке и в подмышечных впадинах, время первого появления и установления регулярных менструаций.

Последовательность появления и динамика степени выраженности перечисленных признаков хорошо известны, что дает основания для достаточно точной датировки биологического возраста в период от 11–12 до 15–17 лет.

Компоненты массы тела . При описании физического развития антропологи часто используют понятие «компоненты массы тела». При этом имеются в виду три важнейшие составляющие тела человека: кости, мышцы и жировая ткань. Ясно, что эти компоненты не исчерпывают всего разнообразия тканей организма, но данная концепция исходит из того, что остальные ткани имеют меньше количественных межиндивидуальных различий. Кроме того, каждый из этих компонентов является результатом развития одного из трех эмбриональных зародышевых листков, давших начало всем тканям организма: костный компонент имеет эктодермальное происхождение, мышечный — мезодермальное, жировой — эндодермальное. Таким способом как бы устанавливается онтологическая связь между зиготой, из которой образуются три зародышевых листка, и компонентами тела зрелого организма.

Известно, что ткани организма обладают неодинаковой метаболической активностью. Наиболее интенсивно и постоянно обменные процессы протекают в органах, состоящих из паренхиматозных тканей — таких, как печень, почки, эпителий желудочно-кишечного тракта и т. п. Метаболическая активность мышечной ткани очень сильно зависит от ее состояния: в условиях покоя мышца метаболически малоактивна, тогда как при нагрузке интенсивность метаболизма, например, в скелетной мышце может возрастать в 50-100 раз. Еще менее метаболически активна костная ткань, составляющая наряду с мышцами основу опорно-двигательного аппарата. И наконец, наиболее метаболически инертная ткань — жировая, скорость обменных процессов в которой может снижаться практически до нуля. В связи с этим иногда жировую ткань рассматривают как некий балласт в составе тела, исключительно негативно влияющий на организм, создающий дополнительную нагрузку на мышцы и системы вегетативного обеспечения мышечной деятельности (прежде всего, сердца и сосудов, а также дыхания, выделения и др.) при любом двигательном акте. Поэтому во многих случаях в оздоровительных целях стараются контролировать количество жира в организме.

Наиболее точные способы измерения количества жира связаны с применением ультразвуковых диагностических приборов и компьютерной томографии. Сегодня на практике чаще всего используют измерение кожно-жировых складок с помощью специального прибора калипера, напоминающего по конструкции штангенциркуль. Для практических целей обычно измеряют от 3 до 10 кожно-жировых складок и по формулам или номограммам, разработанным с учетом возрастных и половых особенностей, определяют количество жира в теле, или «жировую массу организма». Разница между массой всего тела и жировой массой составляет «обезжиренную массу». Эта величина очень тесно коррелирует с интенсивностью обменных процессов в организме, причем независимо от телосложения индивидуума. Это и понятно, так как «обезжиренная масса» представляет собой сумму масс всех метаболически активных тканей тела.

Разумеется, контроль количества жировой ткани в организме необходим, причем с самого раннего детского возраста. Переедание, несбалансированное (преимущественно углеводное) питание и другие причины экзогенного характера могут приводить к ожирению, вредному для здоровья. Однако нельзя вовсе отрицать необходимость наличия жира в организме. Не говоря уже о том, что жировая ткань — депо наиболее калорийных питательных веществ (окисление 1 г жира дает почти вдвое больше энергии, необходимой для жизнедеятельности любой клетки тела, чем окисление 1 г углеводов), она выполняет также функцию запасания многих биологически активных веществ, в частности стероидных гормонов. Эти вещества способны растворяться в жировых каплях, наполняющих жировые клетки, и при необходимости могут поступать в кровь и становиться доступными для других тканей организма. Чрезмерное снижение количества жира в организме приводит к нарушениям гормональной сферы. В частности, для нормального полового развития и поддержания половой функции в организме должно быть определенное количество жира (около 10–15 %), причем в женском организме примерно в 2 раза больше, чем в мужском. Недостаток жира (истощение) неминуемо приводит к дисфункции половых желез, расстройству менструального цикла у женщин и импотенции у мужчин.

Имеются данные о том, что количество жировых клеток в организме человека предопределено генетически, а избыточное или недостаточное жироотложение определяется не увеличением или уменьшением числа этих клеток, которое остается неизменным от рождения до старости, а степенью их наполненности запасенным жиром.

Соотношение количества костного, мышечного и жирового компонентов определяет телосложение человека.

Телосложение и конституция . Телосложение — одно из наиболее фундаментальных понятий антропологии, исследованию которого посвящены сотни работ начиная с середины XIX в. На особенности телосложения и связанные с ними особенности нервно-психических процессов и заболеваемости обращали внимание еще древние и средневековые врачи. Все это привело к появлению учения о конституции человека. Под конституцией человека обычно понимают комплекс анатомических, физиологических и психслогических особенностей индивида, закрепленных генетически и определяющих формы и способы его адаптации к самым разным внешнесредовым воздействиям, а также заболеваемость и характер протекания болезней (что тоже, разумеется, отражает адаптивные свойства). Как древние, так и самые современные авторы понимают конституцию комплексно, как некий синтез разных сторон индивидуальности человека. Биологическая сущность человека характеризуется тремя главными составляющими: строением тела, физиологией жизненных функций и метаболизма и психологическими особенностями личности. Они взаимосвязаны и в комплексе составляют конституцию человека — наиболее фундаментальную характеристику целостного организма (табл. 1).

Таблица 1

Морфофункциональные свойства, характерные для людей разных типов телосложения (по Дж. Харрисон, Дж. Уайнер и др.)

Показатель Тип телосложения
дигестивный мышечный торакальный
Внешние признаки:
кости скелета Широкие Широкие Узкие
плечи Не шире бедер Шире бедер Немного шире бедер
конечности Сравнительно короткие Сравнительно средние Сравнительно длинные
угол между нижними ребрами Тупой Прямой Острый
Функциональные свойства:
объем легких Относительно малый Относительно средний Относительно большой
мышечная сила Большая Большая Малая
выносливость Малая Средняя Большая
Наиболее вероятные заболевания Диабет, инсульт Инфаркт миокарда Болезни легких
Некоторые сопряженные психологические свойства Любовь к комфорту Жажда похвалы Тяга к людям в тяжелую минуту Любовь к приключениям Эмоциональная черствость Тяга к действию в тяжелую минуту Необщительность Эмоциональная сдержанность Тяга к одиночеству в тяжелую минуту

Однако в медицинской науке широко распространено и представление о частных конституциях, имеющих порой весьма узкое значение. Телосложение — один из важнейших признаков конституции, в котором она манифестируется и по которому можно с большой долей вероятности прогнозировать многие индивидуальные особенности человека, включая некоторые черты характера (рис. 10).

Рис. 10. Типы телосложения человека:

а — дигестивный или эндоморфный (пикнический); б — мышечный, или мезоморфный (атлетический); в — торакальный, или эктоморфный (лептосомный)

Популяционные исследования позволили установить, что встречаемость разных типов телосложения неодинакова в различных регионах, у представителей разных рас и этнических групп. Для взрослых русских жителей г. Москвы характерно распределение: астено-торакальный тип — 30 %; мышечный тип — 50 %; дигестивный тип — 20 %. У детей соотношения могут быть иными, так как диагностика типа конституции у детей затруднена из-за недостаточной выраженности морфологических конституциональных признаков. Значительное количество (иногда до 50 %) детей в возрасте до 14–15 лет антропологи относят к промежуточным и неопределенным типам. Кроме того, у детей обычно менее развита мускулатура, поэтому представленность мышечного типа в детских популяциях, по оценкам антропологов, существенно ниже.

Для практических целей обычно достаточно приблизительной, грубой оценки конституциональной принадлежности. В этом случае можно использовать простые показатели, легко измеряемые в ходе ежегодного медицинского осмотра детей в дошкольных учреждениях и учебных заведениях.

Типология физического развития . Конституциональная принадлежность ребенка во многом определяет скорость ростовых и дифференцировочных процессов на разных этапах индивидуального развития. Так, например, представители дигестивного типа конституции раньше входят в период полового созревания и, по некоторым данным, в более раннем возрасте достигают половой зрелости. По другим данным, правда, первыми достигают половой зрелости представители мышечного типа. Однако во всех исследованиях было показано, что представители астено-торакального типа достигают половой зрелости позднее других, хотя пубертатный скачок роста они проходят в те же сроки, что и «мышечники». Известно также, что ростовые процессы у людей с мышечным телосложением заканчиваются обычно раньше, чем у людей астенического и торакального типов.

Менее детально изучено достижение уровня полуростового скачка представителями разных типов конституции, но и здесь прослеживаются конституциональные различия в темпах развития.

Физическое развитие и двигательные возможности ребенка . Некоторые двигательные возможности непосредственно связаны с уровнем физического развития. Это относится, например, к проявлению мышечной силы. Дети, обладающие более высоким уровнем физического развития, обычно сильнее своих сверстников, что обусловлено большей абсолютной массой скелетных мышц. В то же время относительная сила мышц (в расчете на единицу массы или на единицу поперечного сечения мышцы) может быть выше у детей с некоторым отставанием в физическом развитии.

Темп физического развития в некоторые периоды онтогенеза может определять биомеханические особенности движений и, как следствие, двигательные возможности ребенка. Дети 1-го года жизни, имеющие вышесредний и высокий уровень физического развития, в среднем на 1–2 мес позже начинают самостоятельно ходить, чем дети с нижесредним и низким уровнем физического развития. Уже упоминалось о том, что до полуростового скачка дети не способны к реализации фазы полета в беге. Пубертатный скачок роста, связанный с резким изменением пропорций тела и удлинением конечностей, приводит обычно к временной дискоординации движений (обычно в возрасте 13–14 лет). Дети и подростки с высоким уровнем физического развития обладают, как правило, более низкой выносливостью, чем их сверстники со средним и нижесредним уровнем физического развития. Особенно негативно на двигательных возможностях сказывается наличие избыточного жироотложения. Таким образом, уровень физического развития не всегда отражает степень функциональной зрелости физиологических систем.

Часто встречающиеся отклонения в физическом развитии . Отставание и опережение в физическом развитии . Физическое развитие является внешним интегральным проявлением адекватности процессов роста и развития условиям существования организма. Любые существенные отклонения от нормы в физическом развитии свидетельствуют об относительном неблагополучии в состоянии здоровья индивидуума.

Следует иметь в виду, что только в случае существенного отклонения от стандартов можно говорить о нарушениях в темпах роста и физического развития. В этом смысле в равной степени должны вызывать озабоченность как низкий, так и высокий уровень физического развития, хотя причины, их вызывающие, обычно существенно разнятся. Кроме того, при оценке уровня физического развития конкретного ребенка следует учитывать также физическое развитие (длину и массу тела) его родителей. Методами близнецового анализа показано, что физическое развитие и телосложение примерно на 70 % определяются наследственностью и лишь на 30 % факторами внешней среды, в которой протекает рост и развитие.

Низкий уровень физического развития может быть следствием недостаточности питания или каких-то его компонентов (витаминов, незаменимых аминокислот, микроэлементов и т. п.), чрезмерной физической нагрузки, а также следствием ряда хронических заболеваний. Если к этому нет генетической предрасположенности, низкий уровень физического развития служит основанием для детального медицинского обследования ребенка с целью выяснения анамнеза и выявления возможных хронических патологий. В первую очередь обращают внимание на состояние эндокринного аппарата, сердца и сосудов, почек и печени.

Высокий уровень физического развития, если он не сопряжен с избыточной массой тела и не имеет генетических корней, требует пристального внимания, в первую очередь к состоянию эндокринных органов. Чаще всего, однако, высокий уровень физического развития сочетается с ожирением, что также свидетельствует о нарушениях эндокринной сферы и является показанием для детального диспансерного обследования ребенка.

Как отставание, так и опережение в темпах физического развития могут быть следствием отклонений в функциях центральной нервной системы.

Дисгармоничность физического развития. Под дисгармоничностью физического развития обычно понимают резкое несоответствие массы тела его длине, а также несоответствие обхватных размеров продольным. Кроме того, дисгармоничным можно считать проявление женских черт строения тела (большой объем бедер и таза при узкой грудной клетке) у мальчиков и мужских (узкий таз в сочетании с широкими плечами, избыточная маскулинизация) — у девочек.

Дисгармоничность может возникнуть в результате некоторых видов спортивной тренировки, особенно в случаях ранней спортивной специализации. Так, нередки случаи проявления дисгармоничного физического развития у девочек, занимающихся спортивной гимнастикой с 5-7-летнего возраста. Подобные формы дисгармоничности, вызванные экзогенными факторами, могут оказывать отрицательное влияние на динамику процессов роста и развития и сказываться в дальнейшем в течение всей жизни, даже если причины, их вызвавшие, уже давно устранены. К развитию дисгармоничности могут вести также травмы, полученные в детском возрасте, особенно если повреждены те или иные отделы позвоночника. Нередко при этом страдают и нервные центры спинного мозга, а также проводящие пути, иннервирующие скелетные мышцы и кости туловища и конечностей.

Чаще всего дисгармоничность физического развития является либо результатом перенесенных в раннем периоде развития болезней, связанных с нарушением роста и развития опорно-двигательного аппарата (например, рахит), либо проявлением отклонений в деятельности желез внутренней секреции, но не указывает однозначно на этиологию процесса. Для таких детей обычно невозможно определить конституциональную принадлежность, так как морфологические и функциональные свойства не согласованы между собой. Дисгармоничность в форме диспластичности является фактором повышенного риска возникновения широкого круга заболеваний — от инфекционных до раковых, причем прогноз течения многих заболеваний в этом случае неблагоприятный.

Во всех случаях выявления детей с признаками дисгармоничности физического развития требуется повышенное внимание к анамнезу, условиям жизни, объему учебной и физической нагрузки и т. п.

Плоскостопие. Наиболее распространенным видом дисгармоничности физического развития является уплощенная стопа, или плоскостопие. Свод стопы, приспособленный для реализации прямохождения, — специфическая особенность человека, отличающая его от всех других приматов. Развитый свод стопы определяет силу отталкивания от поверхности при ходьбе и беге и создает оптимальные условия для деятельности мышц ног, что обеспечивает высокую выносливость. Недостаток или неправильная организация двигательной активности в раннем возрасте, а также избыточная масса тела нередко приводят к уплощению стопы и, как следствие, к повышенной утомляемости при стоянии, ходьбе и беге. В ряде случаев развившееся плоскостопие может препятствовать осуществлению некоторых видов деятельности. Сильно выраженное плоскостопие отражается на характере афферентной импульсации при локомоциях и может негативно сказываться на динамике процессов созревания механизмов моторного контроля. В частности, этот фактор может тормозить развитие координации движений, ограничивая тем самым двигательные возможности ребенка.

Для выявления плоскостопия используется метод плантографии — получения оттиска следа подошвы ноги на бумаге с помощью красящего вещества.

Лечение плоскостопия обычно осуществляют с помощью специальных супинаторов — обувных прокладок, дозирующих нагрузку на разные участки подошвы ноги. Для профилактики плоскостопия наиболее эффективны специальные физические упражнения, укрепляющие мышцы свода стопы, а также массаж. При этом следует иметь в виду, что подошва ноги — одна из самых мощных рефлексогенных зон организма, и ее раздражение является сильным стимулирующим действием, затрагивающим многие органы и системы, особенно — иннервируемые средним и нижним отделами спинного мозга. Возбуждение спинальных ганглиев через массаж подошвенных рефлексогенных зон ведет также к активации тонической мускулатуры, что имеет первостепенное значение для формирования осанки.

Нарушения осанки. Нарушения осанки, как правило, связаны с искривлением позвоночника в том или ином его отделе. Причины возникновения нарушений осанки чаще всего кроются в неправильном подборе мебели для детей, что заставляет их принимать неадекватную позу. В результате происходит неравномерное развитие мышечного каркаса позвоночника, что в конечном счете ведет к его искривлению в боковом направлении. Наиболее эффективным средством профилактики нарушений осанки являются физические упражнения, развивающие тонические мышцы спины и шеи. При хорошо развитом мышечном каркасе осанка сохраняется даже в случае использования неудобной мебели. В возрасте до 5–6 лет есть возможность исправить осанку путем выполнения традиционных физических упражнений. В старшем возрасте, когда особенно часто и начинают проявляться эффекты нарушения осанки из-за повышения объемов статических нагрузок, связанных с длительным неподвижным сидением, необходимо применение специальных упражнений, формирующих мышечный каркас. Определенный эффект может дать также массаж и электростимуляция латеральных мышц. В тяжелых случаях бывает необходимо хирургическое вмешательство.

Вопросы и задания

1. В чем различие понятий «рост» и «развитие»?

2. Что такое «скачок роста»?

3. Как происходит минерализация костей? Какой витамин для этого необходим?

4. Из каких частей состоит скелет человека? В чем особенности их роста и развития?

5. Что такое физическое развитие и как его оценить?

6. Как размеры тела влияют на физиологические функции?

7. Какие бывают типы роста тканей организма?

8. Что такое акселерация и ретардация? Каковы их причины и последствия?

9. Назовите морфологические критерии для определения биологического возраста.

10. Что такое компоненты массы тела?

11. Перечислите основные варианты (типы) телосложения.

12. Как предотвратить наиболее часто встречающиеся отклонения в физическом развитии?

 

Глава 5. ОРГАНИЗМ И СРЕДА ЕГО ОБИТАНИЯ

Организм как биологическая особь . Все живые существа независимо от уровня их организации существуют благодаря тому, что они взаимодействуют с себе подобными, состоящими с ними в генетическом родстве. В этом взаимодействии заключен глубокий смысл, поскольку оно обеспечивает непрерывный обмен генетическим материалом и успешное приспособление каждого биологического вида к требованиям окружающей его среды. Такая общность называется популяцией, и именно популяция является тем материалом, над которым трудится естественный отбор.

Любая популяция живых существ состоит из отдельных организмов, каждый из которых имеет свой собственный уникальный набор генов и способен по крайней мере какое-то время существовать отдельно от других членов популяции, имея свою собственную, особую судьбу. Именно поэтому каждый организм представляет собой биологическую особь, независимо от того, состоит он из одной единственной клетки, как амеба, или его тело сложено из миллиардов разнообразных клеток, как тело человека.

Особь отделена от окружающего ее мира, в том числе и от ей подобных, оболочкой — это может быть клеточная мембрана у одноклеточного, хитиновый покров насекомого или кожный покров человека. Так или иначе, ВСЕ клетки, все органы данного организма находятся внутри этой оболочки. А все, что остается снаружи — это окружающий мир. Такая оболочка служит естественной границей между организмом и окружающей его средой. Для того чтобы успешно жить в этом мире, каждый организм находит пути приспособления к его требованиям. Часть этих приспособлений, общих для всего вида, для целой популяции, выработана в процессе эволюции. Обычно они закрепляются на генетическом уровне, и их функциональный анализ представляет собой задачу экологической физиологии. Другие являются индивидуальными, сформировавшимися в течение индивидуальной жизни данной особи. При этом условия этой жизни на различных этапах онтогенеза могут существенно различаться. Изучение таких приспособлений и их последовательная смена в процессе роста и развития как раз и представляют интерес для физиологии развития.

Взаимоотношения материнского организма и плода во внутриутробном периоде . Индивидуальная история особи начинается в тот момент, когда происходит зачатие — слияние мужской и женской половых клеток и образование зиготы. Зигота у всех живородящих существ, включая человека — это уже организм, но еще не особь, поскольку она не может существовать самостоятельно, вне материнского тела. Питание такое существо получает вначале за счет диффузии из окружающей его жидкости. На этом этапе своего развития существо называется эмбрионом. Вскоре, однако, ему требуется значительное увеличение потоков питательных веществ и кислорода, происходит формирование плаценты — специального сосудистого сплетения, которое обеспечивает тесную связь между организмом матери и ее развивающимся потомком. Живое существо в таком состоянии называется плодом. Плод развивается благодаря тому, что имеет самую тесную гуморальную связь с материнским организмом, получая от него все необходимые питательные вещества, а также многие информационные молекулы, которые существенно влияют на состояние организма плода. Со своей стороны, плод также оказывает влияние на материнский организм, причем иногда между ними даже возникают острые противоречия (например, иммунная несовместимость групп крови), способные повредить как материнскому организму, так и плоду. При этом плод нельзя рассматривать как какой-либо орган или вырост материнского организма: никаких нервных связей между организмом матери и плодом нет. Он имеет вполне самостоятельную, замкнутую кровеносную систему, а взаимодействие (обмен веществ) материнского организма и плода осуществляется через плаценту — специальное образование, в котором кровеносные капилляры матери и плода на большой поверхности разделяются лишь тонким слоем ткани, составляющим плацентарный барьер. Через этот барьер свободно проникают все необходимые плоду питательные вещества, продукты метаболизма, а также разнообразные молекулы биологически активных веществ (БАВ).

Находясь во чреве матери, плод не испытывает нужды самостоятельно поглощать пищу и кислород, защищаться от атмосферных осадков или заботиться о поддержании температуры своего тела. Все это обеспечивает ему материнский организм. Однако благодаря разворачиванию генетической программы в организме плода постепенно созревают все те физиологические механизмы, которые понадобятся ему с первой минуты самостоятельной жизни.

Момент рождения — один из узловых периодов онтогенеза . После того как достигнут предопределенный генетической программой уровень развития плода, он появляется на свет. Акт рождения ребенка представляет собой очень тяжелую работу для матери, поскольку изгнание плода из чрева происходит за счет сокращений ее мышц — гладкой мускулатуры стенок матки и поперечнополосатой мускулатуры стенок брюшной полости. Для того чтобы плод без повреждений прошел через родовые пути, кости таза женщины имеют некоторую подвижность, и раздвигая их, плод, выталкиваемый мощными и болезненными для женщины мышечными сокращениями, покидает место своего первичного обитания. Обычно это происходит через 10 лунных месяцев после зачатия, т. е. в среднем на 280-й день беременности. Отклонение от этого срока на несколько дней в любую сторону не считается патологией. Способны выживать даже дети, родившиеся на 7-м месяце беременности, если в их организме нет органических пороков, а масса тела достигает по меньшей мере 900-1000 г. Большинство здоровых младенцев рождается с массой от 2 до 4 кг. В момент рождения плод все еще связан с организмом матери пуповиной — специальным трубчатым образованием, в котором спрятаны кровеносные сосуды, прикрепленные к плаценте. Именно через эти сосуды плод получает питание в течение всего срока беременности. После рождения пуповину перевязывают и перерезают (самки животных перегрызают пуповину, одновременно дезинфицируя ранку своей слюной, в которой содержится много антибактериальных ферментов). После этого мать рождает еще и плаценту — больше она не нужна и должна быть удалена из организма (это событие проходит почти безболезненно и потому многие женщины о нем даже не помнят в последующем). Пупочная ранка ребенка заживает в течение нескольких дней, а остаток пуповины отваливается, но на животе навсегда остается шрам в том месте, к которому прикреплялась пуповина, — пупок.

У всех новорожденных позвоночных, независимо от их биологического вида, голова особенно крупная — это связано с тем, что заключенный в ней головной мозг должен пройти внутриутробно наиболее важные этапы развития, которые невозможно будет наверстать после рождения. Для того чтобы крупная голова плода могла пройти через родовые пути, череп перед рождением принимает особую вытянутую форму, а сами кости черепа обладают некоторой подвижностью, так как соединения между ними еще сохраняют хрящевые участки, обладающие гибкостью и эластичностью. Срастание костей черепа происходит в течение нескольких месяцев после рождения. Для этой же цели в конце беременности плод располагается в матке головой вниз — таким образом, голова оказывается первым звеном тела, появляющимся из утробы, и раньше других частей тела избавляется от огромного давления, оказываемого на тело плода мышцами матери в процессе родовой деятельности. Бывает неправильное расположение плода в матке (головой вверх), и тогда многое зависит от искусства акушера, который помогает матери разрешиться от бремени. Процесс родов во все времена был для человека очень напряженной ситуацией, поэтому у разных народов выработались специальные правила, традиции, обычаи, помогавшие правильно обращаться с роженицей и новорожденным. В современном мире эту заботу на себя берет профессиональная медицина.

Процесс родов оказывает острое стрессорное воздействие на организм ребенка. Прохождение через родовые пути вызывает мощнейшую механическую стимуляцию всех без исключения органов новорожденного, а соприкосновение с принципиально новыми условиями окружающей среды ведет к напряжению вегетативных систем организма. Ведь до рождения плод находился, как в инкубаторе, в условиях неизменной и самой благоприятной температуры, был защищен от света и шума, не зависел от состояния атмосферы, был изолирован от болезнетворных и сапрофитных (безвредных) микробов и т. п. Теперь ему придется в течение всей жизни сталкиваться с комплексом факторов, составляющих окружающую внешнюю среду.

Факторы внешней среды, воздействующие на организм в процессе его жизнедеятельности, роста и развития

Для рассмотрения того, как окружающая среда воздействует на организм человека в течение всей его жизни от рождения до смерти, удобно разделить факторы среды по природе их воздействия на физические, химические, биологические и социальные.

Физические факторы. Человек на протяжении всей своей постнатальной жизни постоянно взаимодействует с двумя основными физическими факторами, к которым организму приходится непрерывно приспосабливаться, — это температура окружающей среды и сила тяжести (гравитация). Реакция организма на оба эти фактора самым непосредственным образом связана с массой, геометрическими размерами и пропорциями тела, которые меняются по мере возрастного развития. Другие физические факторы, также определяющие особенности среды обитания человека, воздействуют на организм независимо от его формы и размеров (например, влажность, атмосферное давление, газовый состав окружающего воздуха, инсоляция и т. п.).

Температура — постоянно действующий фактор переменного значения. Клетки организма нуждаются для своего нормального функционирования в постоянной температуре около 37 °C, изменение температуры на 10 °C в ту или иную сторону способно в 2–3 раза изменить скорость всех биохимических реакций, причем их согласованность в этом случае будет нарушена. Если температура тела опускается ниже +25 или поднимается выше +42 °C, клетки тела погибают и наступает смерть.

Изменения внешней температуры требуют приспособления организма к этому переменному фактору. В этом случае очень важны размеры и пропорции тела, так как, согласно физическим законам, интенсивность производства тепла в организме пропорциональна его массе, а скорость теплоотдачи пропорциональна площади поверхности тела. Изменение размеров и пропорций, происходящее в результате роста, непосредственно сказывается на балансе продукции и отдачи тепла. Ребенок обладает относительно большой поверхностью тела (т. е. на 1 см2 поверхности у ребенка приходится меньшее количество его массы), поэтому для него задача вывести избыточное тепло решается легче, чем выработать дополнительное количество тепла. В то же время относительно большая поверхность тела ребенка приводит к тому, что при низкой температуре он быстрее охлаждается.

Повышенная температура среды требует — во избежание перегрева — активации функций, способствующих теплоотдаче: усиливаются поверхностный кожный кровоток, а также легочная вентиляция и потоотделение — все это способствует переносу тепла из «ядра» тела к его поверхности и выделению избыточного тепла в окружающее пространство. Пониженная температура, напротив, требует сохранения тепла в организме: сужаются кожные кровеносные сосуды, снижается активность внешнего дыхания, прекращается потоотделение и усиливается теплопродукция за счет повышения интенсивности метаболизма.

В организме взрослого человека дополнительное тепло при охлаждении образуется главным образом в печени и скелетных мышцах (всем известно, когда холодно, мы начинаем дрожать — это и есть проявление терморегуляторной активности мышц: не производя никакой внешней работы, они непрерывно сокращаются, согревая протекающую через них кровь).

У детей есть орган, специально предназначенный для производства дополнительного тепла, — бурая жировая ткань. Это жировые клетки, которые обильно снабжаются кровью и содержат огромное количество митохондрий. Особенностью митохондрий бурого жира является их способность «сжигать» большое количество жира, не производя АТФ. При этом практически вся высвобождающаяся энергия превращается в тепло. Таким образом, бурая жировая ткань выполняет в детском организме роль своеобразной «печки», которая включается каждый раз, когда ребенку становится холодно. Сигналом для такого включения служит воздействие симпатического отдела ЦНС и ее медиатора норадреналина, который может также поступать из надпочечников. Бурый жир расположен у детей под кожей между лопатками, вдоль крупных шейных сосудов, а также около крупных сосудов внутри грудной клетки и брюшной полости. У взрослых бурая жировая ткань встречается редко, это специальный «детский» орган, исчезающий по мере взросления. Так же ведут себя многие лимфатические железы, обеспечивающие иммунитет (зобная железа, гланды и другие). Перенесенные ребенком острые заболевания (воспаление легких, грипп и другие) могут приводить к уменьшению размеров и активности бурого жира. Поэтому так важно соблюдать комфортный температурный режим для больных и выздоравливающих детей.

Детский организм более чувствителен к изменениям внешней температуры, чем взрослый. Температурный диапазон, в котором человек чувствует себя комфортно, составляет для взрослого от +25 до +30 °C, а для ребенка первого года жизни — от +27 до +33 °C. Защиту от колебаний температуры окружающей среды человеку обеспечивает одежда. Она должна быть такой, чтобы внутри (на поверхности кожи под одеждой) температура приближалась к зоне комфорта. При этом важно, чтобы одежда не препятствовала воздухообмену: ведь кожа должна дышать, а испарения потовых желез должны иметь выход, иначе кожные покровы начинают преть, что часто бывает при неправильном уходе за маленькими детьми.

Механизмы терморегуляции у детей начинают интенсивно развиваться в возрасте 4–5 лет, именно в этом возрасте наиболее эффективны различные закаливающие процедуры, благодаря которым сосудистые реакции ребенка приобретают подвижность, необходимую для эффективного поддержания постоянной температуры тела. Закаливание позволяет ребенку защититься от простуд и повышает общий иммунитет организма.

Гравитация (сила тяжести) — другой постоянно действующий фактор, который связан с массой и формой тела. В отличие от температуры уровень гравитационного воздействия не колеблется, и даже различия в силе тяжести, которые можно с помощью точных физических приборов определить на экваторе и на полюсах Земли, либо на уровне моря и высоко в горах, не столь уж существенны, и организм человека на них практически не реагирует. Однако любое перемещение тела или его части в поле земного тяготения требует специальных усилий по преодолению гравитации, а следовательно, дополнительных затрат энергии. Перемена положения тела (лежа, сидя, стоя) весьма существенно изменяет условия, в которых функционируют вегетативные системы — кровообращение, дыхание, выделение и др. При вертикальном положении тела сердцу приходится выполнять значительно (у взрослого человека — на 15–20 %) большую работу по преодолению гидростатического сопротивления столба крови, чтобы обеспечить нормальные условия кровоснабжения тканей, особенно головного мозга. У ребенка, имеющего меньшие размеры тела, изменение его положения в пространстве сказывается в меньшей степени. Именно поэтому кровяное давление у детей в норме существенно ниже, чем у взрослых, меньше также разница между систолическим и диастолическим давлением (правда, кроме геометрических размеров, здесь еще имеет значение эластичность сосудов, которая у детей выше, и их тонус, который у детей ниже, чем у взрослых).

Влажность . Абсолютно сухой, как и 100 % влажный, воздух тяжел для дыхания человека. В пустынях и жарких степях бывает такая сухость воздуха, что дыхание «перехватывает» из-за высыхания слизистых оболочек воздухоносных путей. У детей чувствительность к потере влаги выше, чем у взрослых, что необходимо учитывать, особенно при организации двигательной активности детей в летнюю жару, которая всегда связана с активацией дыхания. В тропических и жарких странах с морским климатом, а также в летние месяцы в районах, где много природных водоемов, наблюдается избыточная влажность, которая также снижает эффективность работы легких. В таких ситуациях умственная и особенно физическая работоспособность снижается, причем у детей в значительно большей степени, чем у взрослых.

Инсоляция и другие формы электромагнитных излучений . Солнечные лучи, попадая на тело человека, вызывают изменение цвета его кожи (загар), который является ответной адаптивной реакцией организма. Темная кожа в меньшей степени пропускает лучистую энергию солнца вглубь тела, защищая клетки от ультрафиолета, способного повредить крупные белковые молекулы. Детская кожа до полового созревания обычно намного менее пигментированная, чем у взрослых, поэтому уровень инсоляции для детей необходимо строго контролировать. Даже взрослый может легко обжечь свои кожные покровы ярким солнцем, особенно вблизи воды (мельчайшие капельки воды действуют как увеличительные стекла, а их испарение на ветру с поверхности тела создает обманчивое ощущение прохлады). Перегрев на солнце (солнечный удар) и солнечный ожог — довольно частые явления, особенно у городских детей, резко меняющих с началом каникул уровень инсоляции своей кожи. Жители сельской местности, как правило, более адаптированы к воздействию солнечных лучей, имеют более смуглую кожу, а смена сезонов и связанное с ней изменение уровня инсоляции для них происходит более плавно и постепенно.

Не только солнце, но и другие источники электромагнитного излучения могут быть опасны, если это излучение превышает гигиенически допустимые нормы. В частности, такими источниками являются телевизионные и радиопередающие устройства, включая сотовые телефоны. Контакт детей с такими источниками должен быть ограничен, так как детский организм более чувствителен к излучению, чем взрослый. По этой же причине детям в ограниченном объеме и только в силу необходимости назначают разного рода медицинские процедуры, связанные с применением рентгеновского излучения.

Особую опасность представляют источники радиоактивного излучения. Последствия катастрофы на Чернобыльской АЭС особенно тяжелы тем, что пострадало большое число детей, у которых под воздействием радиоактивного излучения нарушается, в первую очередь, гормональная регуляция функций. Особенно часто в таких случаях наблюдается поражение щитовидной железы, а также половых желез. Радиоактивные изотопы, длительное время сохраняющиеся в зонах заражения, способны нарушать самые разные биохимические и физиологические процессы, угнетать рост и развитие и вызывать многие крайне тяжелые заболевания вплоть до лучевой болезни, поражающей систему кроветворения. Это заболевание приводит к резкой потере иммунитета и ослаблению кислородтранспортной функции крови, утрате половой функции, а в тяжелых случаях к смерти.

Парциальное давление атмосферных газов . Каждый газ, находящийся в сосуде, стремится заполнить собой весь объем этого сосуда. Если таких газов несколько, как это имеет место в нашей земной атмосфере (которую условно можно рассматривать в качестве такого сосуда — хотя он и не имеет «стенок», но газы удерживаются около Земли силой ее тяготения), то все равно каждый из них заполняет собой все пространство. Находясь в сосуде, газ оказывает на его стенки определенное давление, которое тем больше, чем больше количество данного газа в сосуде. Атмосферный воздух давит на поверхность Земли, и это давление равно весу столба воздуха от поверхности Земли до верхних, разреженных слоев атмосферы. При этом каждый из газов, составляющих смесь, оказывает свою часть давления. Вот эта часть и называется «парциальным давлением». Согласно законам физики, парциальное давление газа пропорционально его количественной (объемной) доле в данной газовой смеси. Кислород, которым мы дышим, составляет 21 % от общего объема атмосферного воздуха.

Плотность воздуха на уровне моря и высоко в горах сильно различается — с увеличением высоты воздух становится все более разреженным: сказывается уменьшение силы земного тяготения. Меняется атмосферное давление также в зависимости от погодных условий — в зонах циклонической активности оно заметно понижено, а в центре антициклона — повышено по сравнению с «нормой», за которую принято давление 760 мм рт. ст. — наиболее типичное давление на уровне моря в спокойную и ясную погоду. Такие колебания атмосферного давления приводят к тому, что меняется парциальное давление кислорода. Учитывая, что именно парциальное давление кислорода является тем физическим фактором, который обеспечивает его проникновение в организм, легко понять, что такие колебания давления атмосферы влияют на снабжение всех тканей организма кислородом. Жители высокогорных регионов, родившиеся и выросшие в этих условиях, хорошо адаптированы к некоторому недостатку кислорода в окружающем их воздухе, причем эта адаптация закреплена на генетическом уровне. Для жителей равнинных районов требуется некоторое время, чтобы приспособиться к условиям высокогорья. Детский организм, в котором процессы окислительного обмена протекают более интенсивно, чем у взрослых, более чувствителен к любым перепадам парциального давления кислорода. Возможно поэтому маленькие дети становятся беспокойными и капризными при приближении грозы (зона пониженного атмосферного давления).

Указанные обстоятельства необходимо учитывать также при организации путешествий и отдыха для детей, если они предполагают пребывание в высокогорных областях: такие путешествия детям не противопоказаны, но требуют соблюдения строгого режима, ограничения спонтанной двигательной активности и профилактики стрессовых состояний. Не рекомендуется маленьких детей, рожденных и проживающих обычно на равнинах, вывозить для отдыха в горы на высоты свыше 2000–2500 м.

Геомагнитные поля . В последние десятилетия многочисленные исследовательские группы пытаются выяснить, насколько и в каком направлении способны повлиять на состояние организма человека изменения, обусловленные нестабильностью земного магнетизма. Сила магнитного поля земли достаточно велика, а его колебания хорошо заметны для физических приборов, что послужило толчком для изучения эмоциональных и функциональных сдвигов, возникающих под влиянием изменений геомагнитной обстановки. Многие СМИ даже сообщают читателям и слушателям о предстоящих всплесках геомагнитной активности, предлагая им принимать в такие дни профилактические меры неспецифического характера. До сих пор неизвестна точка приложения действия геомагнитных полей на человеческий организм, хотя гипотез и недостаточно обоснованных теорий этого воздействия огромное количество. Специальные измерения, проводившиеся на молодых здоровых людях (студентах), не подтверждают предположений о сильном влиянии геомагнитных полей на психику и вегетативные системы человека. В то же время практический опыт показывает, что дети и старики бывают гораздо более чувствительны к слабым воздействиям, чем люди работоспособного возраста. Вполне вероятно, что геомагнитные воздействия относятся как раз к такому разряду. Во всяком случае, опыт практических врачей-педиатров подтверждает, что дни, на которые прогнозируется резкое изменение геомагнитной ситуации, бывают наиболее напряженными в их практике: больше вызовов, более сложные случаи заболеваний и т. п. Защитить ребенка от воздействия геомагнитного поля Земли невозможно, однако помочь ему пережить наиболее неблагоприятные периоды без негативных последствий вполне реально, следует лишь проявлять в такие дни повышенное внимание к ребенку и больше считаться с его неосознанными потребностями: в таких ситуациях часто инстинктивное поведение оказывается более правильным, чем поведение, диктуемое разумом.

Химические факторы. Человек привык жить в условиях взаимодействия с огромным количеством разнообразных веществ, которые в совокупности составляют биогеохимическую среду его обитания. Среди этих веществ есть необходимые человеку (вода, кислород, питательные вещества и многое другое), нейтральные (азот, многие минеральные вещества и т. п.), а также ядовитые, или токсичные. Поскольку для организма далеко не безразлично, с какими веществами ему приходится иметь дело, уже давно существуют гигиенические нормы предельно допустимых концентраций разнообразных веществ, встречающихся в воздухе, воде, пище, земле и других субстанциях, с которыми соприкасается человек в своей жизни и деятельности.

Состав атмосферного воздуха — важный фактор, влияющий на состояние и функциональную активность человека. В норме атмосферный воздух содержит 21 % кислорода, 78 % азота и около 1 % инертных газов и различных примесей, в том числе углекислый газ, выдыхаемый всеми животными. К таким концентрациям газов мы привыкли. Значительные изменения состава воздуха могут происходить при разного рода чрезвычайных ситуациях и катастрофах. Например, если горит лес или торф, на большой площади вокруг этой территории может резко возрасти содержание в воздухе угарного газа (окись углерода СО), который в отличие от углекислого газа (двуокись углерода СО2) не стимулирует дыхание, а выводит из строя молекулы гемоглобина, которые переносят в организме животных и человека молекулы кислорода. Отравление угарным газом — одна из главных причин гибели людей на пожарах, а также при неправильном пользовании печью. К такому же результату может привести длительный прогрев автомобильного двигателя в закрытом гараже. Множество ядовитых веществ попадает в воздух в результате работы миллионов автомобильных двигателей и промышленных предприятий, поэтому воздух в крупных городах никак не может считаться безвредным. В лесной зоне воздух насыщен веществами, выделяемыми деревьями, в частности хвойные деревья вырабатывают летучие фитонциды, помогающие очищать воздух от болезнетворных микробов. Большой целебной силой обладает воздух соляных пещер и соляных пустынь: всем известна удивительная целебная сила окрестностей Мертвого моря, где воздух насыщен микроскопическими кристалликами минеральных солей. Морской воздух всегда имеет примесь йода и других испаряющихся веществ, что также влияет на состояние организма. Следует подчеркнуть, что детский организм значительно более чувствителен к изменениям химического состава воздуха, чем взрослый.

Состав воды — гораздо более изменчивый фактор, чем состав воздуха. Сами по себе молекулы воды, разумеется, всегда одинаковы (хотя, по современным данным, вода может находиться в 8 разных физических состояниях, каждое из которых определяет способность воды растворять другие вещества и влиять на их проницаемость через биологические мембраны), но состав и концентрация растворенных в воде веществ могут меняться в очень широких пределах. Морская вода — соленая, непригодная для питья, причем ее состав в разных морях несколько различается. Речная и озерная вода — пресная, однако и в ней растворено некоторое количество солей. Вода, добываемая из артезианских скважин и колодцев, также весьма различна по своему составу. Все это может сильно влиять на обменные процессы в организме человека. Так, выше мы уже говорили, что в местностях, где в воде содержится мало йода, у людей наступает дисфункция щитовидной железы и развивается базедова болезнь — тяжелое нарушение обмена веществ, которое лечится путем добавления солей йода в пищевой рацион. Наличие в воде фтора положительно влияет на твердость зубной эмали, а если организм получает недостаточное количество фтора, зубы начинают крошиться и выпадать в очень раннем возрасте. Чтобы избежать этого, во многих странах теперь воду специально фторируют, одновременно дезинфицируя ее (в России воду, употребляемую в городах для приготовления пищи, для дезинфекции обычно хлорируют или озонируют). Вода — прекрасная среда для размножения множества разнообразных микроорганизмов, в том числе патогенных, т. е. способных вызвать у человека различные заболевания. Поэтому дезинфекция воды, которая используется человеком, — важнейшая забота санитарных служб. Дети бывают особенно чувствительны к болезнетворным микробам, поэтому для приготовления пищи и напитков для детей нужно использовать только кипяченую воду, особенно весной и летом, когда условия для размножения микробов благоприятны. Забота о качестве воды — непременное условие оздоровительного эффекта летнего отдыха детей в сельской местности (в летних лагерях, в походах и экспедициях, просто в деревне).

Состав и качество пищи во многом определяются составом воды и почвы окружающей местности. Химический состав пищи важен также для того, чтобы обеспечить организм всеми необходимыми питательными веществами: белками, жирами, углеводами, витаминами, микроэлементами и т. п. Микроэлементный состав почвы, на которой выращены растения, предназначенью для питания человека и домашних животных, — очень важный фактор, влияющий на гармоничность обменных процессов и нормальное протекание роста и развития ребенка. Более детально проблема качества и количества пищи для детей разного возраста будет обсуждена ниже.

Наличие токсичных веществ может сделать неприемлемым использование любого продукта. Токсичные (ядовитые) вещества могут при определенных условиях накапливаться в воздухе (испарения в зоне разломов земной коры, выхлопы автотранспорта, выбросы промышленных предприятий и т. п.) и воде (химические загрязнения вследствие технологических процессов, разложение органических веществ в стоячей воде и т. п.). При попадании в организм растений и животных этих токсичных веществ возникает вероятность их попадания и в пищу человека, что может привести к сильному отравлению и даже к смерти. Большую осторожность следует проявлять при покупке ранних овощей и фруктов: многие из них выращены с использованием чрезмерных количеств удобрений, а избыток нитратных солей отрицательно сказывается на работе печени, желудочно-кишечного тракта и почек человека. Токсины оказываются в воде также благодаря деятельности некоторых микроорганизмов.

Биологические факторы. Будучи биологическим объектом, человек вольно или невольно непрерывно взаимодействует с огромным количеством живых существ, которые его окружают.

Внутривидовое и межвидовое взаимодействие . С одной стороны, человеку необходимо общаться с себе подобными, и такое общение обязательно влияет на состояние его организма, поскольку это общение вызывает изменения в работе нервной и гормональной систем регуляции. В данном случае речь не идет о социально-психологических аспектах (об этом будет сказано позже), здесь имеются в виду те инстинктивные, неосознаваемые человеком сугубо биологические реакции его организма, которые возникают под влиянием других людей либо сами влияют на окружающих. Так, каждый человек выделяет в окружающее его пространство целый букет разнообразных ароматических веществ, служащих для индивидуальной и половой идентификации. Слабость нашего обоняния (по сравнению с обонянием диких животных) не означает, что мы не улавливаем на подсознательном уровне подобных сигналов и что наша ЦНС не реагирует на них. Внешний вид и неосознаваемый ароматический портрет человека — основа так называемого «первого впечатления», которое, как известно, часто бывает наиболее интегральным и наиболее точным и определяет в дальнейшем характер взаимоотношений с данным человеком. Другой пример внутривидового взаимодействия — известное многим состояние напряжения при попадании в толпу. Даже если нет прямой угрозы жизни и здоровью, человек в толпе часто чувствует себя неуютно, его пугает обилие других человеческих тел, окружающих его, необходимость следовать непредсказуемой воле этого конгломерата. И в то же время быть членом такой группы, которая становится в некий момент «суперорганизмом», — один из самых притягательных соблазнов, инстинктивно переживаемых человеком. Именно по этой причине столь чувственным является, скажем, хоровое пение: каждый, кто участвует в хоре, в какой-то момент начинает ощущать себя частичкой этого суперорганизма, ощущает его власть над собой, и это ощущение вселяет ужас, но и доставляет сладость. Все это на грани физиологии и психологии, но нам важно подчеркнуть, что каждое подобное событие в жизни человека — глубокий стресс, развивающийся по всем законам физиологии, с резкой активацией секреции эндокринных желез и вегетативных реакций.

С другой стороны, человек непрерывно взаимодействует с представителями других видов живых существ. Даже если с человеком не живут никакие домашние животные, помогающие ему снимать стресс и расслабляться, либо, напротив, обладающие стрессогенным эффектом (например, ежедневная дойка коровы представляет собой неизбежный и утомительный вид работы), контактов с представителями животного и растительного мира избежать невозможно.

Паразитная и сапрофитная микрофлора . В теле человека, на поверхности его кожи, а также на многочисленных предметах быта живет разнообразная микрофлора — мельчайшие одноклеточные микроорганизмы, бактерии и водоросли, грибы и лишайники. Те из них, которые питаются клетками тела человека и способны вызвать какие-либо заболевания, называются паразитами. Другие, которые питаются продуктами распада органических веществ, не нужных человеку, либо даже помогают человеческому организму в осуществлении некоторых физиологических процессов, называются сапрофитами.

К паразитическим микроорганизмам относятся все патогенные (вызывающие заболевания) бактерии, поселяющиеся на поверхности или внутри тела человека. Примеров таких бацилл огромное количество, мы непрерывно носим в себе миллионы их, но они не обязательно вызывают развитие болезней, поскольку система самозащиты (иммунитета) позволяет человеку противостоять подобной угрозе. Например, кожные покровы человека обладают антимикробным действием, поскольку кожные железы вырабатывают и выделяют на поверхность кожи ферменты, которые способствуют уничтожению многих бацилл. Именно благодаря этому человек заболевает не каждый раз после того, как поест, не помыв руки. Более того, слишком частое употребление сильных моющих средств нарушает структуру кожи и ее бактерицидное действие. Паразитические микроорганизмы могут быть не только бактериями, среди них встречается немало одноклеточных водорослей и особенно грибов. В отличие от бактерий, которые могут поселяться во многих внутренних органах, грибы чаще всего поражают кожу и ногти. Грибковые заболевания редко представляют смертельную опасность для человека, но иногда крайне трудно поддаются лечению. У грудных детей весьма обычным грибковым заболеванием полости рта является молочница, образующая белый налет на деснах и языке. С этим грибком справиться удается легко: он уничтожается после трех-четырехкратной обработки десен раствором соды. Аналогичные грибки нередко поселяются в половых органах взрослого человека, но в этих условиях борьба с ними бывает более длительной.

Если собственных иммунных сил организма для борьбы с патогенными микробами не хватает, приходится прибегать к помощи лекарственных препаратов. Наиболее сильные из них — антибиотики, которые первоначально были выделены из плесневых грибов, а теперь обычно синтезируются на фармацевтических фабриках. Употребление большого количества антибиотиков может приводить к развитию грибковой микрофлоры в кишечнике, что является тяжелым осложнением после инфекционных заболеваний. Для профилактики такого развития событий необходимо вместе с антибиотиками принимать противогрибковые препараты (например, нистатин).

Паразитические животные организмы . Не только бактерии и одноклеточные водоросли, но и некоторые одноклеточные животные (простейшие) могут стать причиной тяжелых заболеваний. Такие инфекции называются протозойными (от лат. protozoa — простейшие животные). Например, поселяясь в печени, амебы лямблии вызывают тяжелую болезнь лямблиоз, которая по многим симптомам похожа на эпидемическую желтуху (болезнь Боткина), но еще труднее поддается лечению. Другие простейшие способны поселяться на слизистых, в том числе во влагалище и на пенисе, доставляя немало неприятностей.

Нам постоянно приходится иметь дело не только с одноклеточными, но и со множеством многоклеточных паразитических животных, использующих ткани человеческого организма в качестве своего дома и (или) своей пищи. Особенно много среди таких паразитов членистоногих — начиная от всем известных кровососущих насекомых (мух-жигалок, комаров, слепней, блох, вшей, клопов) и кончая клещами самых разных размеров. Все они питаются либо кровью, либо межклеточной жидкостью, которую высасывают из проколов в коже. О существовании некоторых из них на нашем теле мы даже не догадываемся, поскольку есть такие микроскопические клещи, которые поселяются в коже и совершенно безболезненно для человека проникают в ее глубокие слои, где и находят для себя кров и пищу. Такие клещи, в частности, способны вызвать чесотку.

Еще одна группа паразитов, часто вызывающих неприятные и опасные заболевания у человека, — глисты, т. е. плоские и круглые черви, паразитирующие в желудочно-кишечном тракте или других тканях человека. Глистные заболевания у детей — обычное явление; современные химические препараты позволяют быстро избавиться от аскарид и остриц — наиболее часто встречающихся видов глистов. Более опасны, но и реже встречаются поражения свиным или бычьим цепнем. Для профилактики этого заболевания необходимо тщательно готовить мясные блюда, хорошо проваривая или прожаривая мясо свиней и коров. Есть также глистные заболевания, передающиеся человеку через мясо рыбы и птицы.

Соблюдение гигиенических правил при приготовлении и употреблении пищи — важнейшая мера профилактики инвазий (поражений глистами).

Переносчики инфекционных болезней . Особая опасность некоторых кровососущих насекомых состоит в том, что они способны переносить на своих хоботках возбудителей самых тяжелых, порой смертельных инфекционных болезней. Так, вши передают возбудителей брюшного тифа, комары рода Anopheles — малярийного плазмодия (одноклеточное животное, паразитирующее в крови человека), а комары некоторых других родов — вирусы желтой лихорадки, японского энцефалита и других опасных болезней. Самым безобидным в этом ряду является постельный клоп: он не причастен к циркулированию возбудителей ни одной из инфекций. Есть паразиты, которые переносят одну-единственную конкретную инфекцию, причем возбудители этой инфекции проходят часть своего жизненного цикла в теле этих насекомых. Это относится, например, к возбудителю вирусного энцефалита, передаваемого клещами. То же самое можно сказать о малярийном комаре, о блохах, передающих возбудителей чумы и туляремии, а также об африканской мухе це-це, которая передает вирус смертельной сонной болезни.

Природные очаги инфекций и инвазий . Есть инфекционные заболевания, характерные только для человека. А есть такие, которыми болеют и животные, живущие в дикой природе, и человек. Вот эти инфекции могут существовать в некоторых природных условиях независимо от того, живет ли там человек, зато если человек попадает в такую область, то почти неминуемо заболевает. Такие зоны называются природными очагами инфекций, и погасить подобный очаг часто бывает невозможно. Например, чумой болеют многие степные и пустынные грызуны — песчанки, тушканчики, суслики, сурки и другие. В тех местах, где они живут, нередко сотни и тысячи лет существуют природные очаги чумы. Если поблизости поселяется человек, то он может даже незаметно для себя вступить в контакт с этими грызунами либо получить возбудителя чумы через блоху, которая сначала укусила чумного зверька, а потом попала на тело человека. К природно-очаговым инфекциям относятся также сибирский (клещевой) энцефалит, желтая лихорадка, туляремия, сибирская язва, малярия, геморрагические лихорадки и другие особо опасные инфекции.

Для профилактики таких инфекций необходимо делать прививки, которые предотвращают возможность развития патогенных микробов в теле человека, даже если он был укушен паразитирующим насекомым или клещом. Особенно опасны подобные болезни для пришлого населения — местные жители часто имеют уже стойкий иммунитет ко многим таким инфекциям, поскольку сталкиваются с ними на протяжении жизни многих поколений.

Детские болезни — форма адаптации организма . Следует подчеркнуть, что дети страдают от инфекций гораздо чаще, чем взрослые. Это связано с тем, что большое число инфекционных заболеваний вызывает стойкий пожизненный иммунитет, т. е. повторная встреча с патогенным микроорганизмом уже не способна привести к заболеванию, так как в организме выработаны соответствующие меры защиты. Однако исключить столкновение ребенка с микробами невозможно, да и не нужно. Так называемые детские инфекционные болезни (корь, скарлатина, ветряная оспа, свинка, краснуха и т. п.) — естественная форма адаптации детского организма к жизни в мире, где возбудители этих инфекций постоянно циркулируют. Это своего рода тренировка для иммунной системы ребенка. Разумеется, эти болезни необходимо правильно лечить и по возможности исключать развитие осложнений, которые, собственно, представляют наибольшую опасность. С возрастом вероятность заболевания многими инфекциями уменьшается, однако к старости иммунитет вновь снижается, и старики часто заболевают, заражаясь от детей.

Социальные факторы. К социальным факторам среды, влияющим на протекание физиологических процессов в организме, относится прежде всего образ жизни человека, сложившийся в результате взаимодействия некоторых психологических, биологических и социальных условий его жизни. В частности, на физическое и функциональное состояние как взрослых, так и (особенно) детей влияет уровень материального достатка, поскольку от него зависит качество и количество потребляемой пищи, доступность разнообразных гигиенических процедур, степень комфортабельности жилища и мест отдыха, способ и качество проведения свободного времени, уровень оздоровительной двигательной активности и т. д. В этом отношении первейшую роль играют семья и ближайшее окружение, причем это особенно важно для детей и подростков, которым порой приходится активно включаться в производственные дела, особенно в сельской местности. Множество обстоятельств семейной жизни составляют тот фон, на котором разворачиваются все физиологические процессы в организме. Режим дня, питания, соблюдение гигиенических правил, условия быта, место проживания и многое другое оказывают самое прямое влияние на каждого человека независимо от его возраста и рода занятий.

Явления мировой культуры, в частности мировые религии, музыка и другие виды искусства, — все это так или иначе влияет на современного человека, формируя его вкусы и пристрастия и тем самым определяя образ его жизни. В конечном счете мировая культура также является одним из факторов окружающей человека среды, в которой он должен чувствовать себя комфортно, если этого нет, то, значит, адаптация не совершилась, и это обстоятельство уже само по себе способно привести к самым неприятным для здоровья последствиям.

Вопросы и задания

1. Как получает плод питательные вещества и кислород в процессе внутриутробного развития?

2. Что испытывает новорожденный?

3. Какие физические факторы воздействуют на человека?

4. Каковы химические факторы, воздействующие на человека?

5. Расскажите, с какими биологическими объектами сталкивается человек в своей жизни.

6. Какие социальные факторы оказывают сильное влияние на ребенка?

 

Глава 6. ВНУТРЕННЯЯ СРЕДА ОРГАНИЗМА

Внутренняя среда организма — это кровь, лимфа и жидкость, заполняющая промежутки между клетками и тканями. Кровеносные и лимфатические сосуды, пронизывающие все органы человека, имеют в своих стенках мельчайшие поры, через которые могут проникать даже некоторые клетки крови. Вода, составляющая основу всех жидкостей в организме, вместе с растворенными в ней органическими и неорганическими веществами легко проходит через стенки сосудов. Вследствие этого химический состав плазмы крови (то есть жидкой части крови, не содержащей клеток), лимфы и тканевой жидкости во многом одинаков. С возрастом существенных изменений химического состава этих жидкостей не происходит. В то же время различия в составе указанных жидкостей могут быть связаны с деятельностью тех органов, в которых эти жидкости находятся.

Кровь

Состав крови . Кровь — это красная непрозрачная жидкость, состоящая из двух фракций — жидкой, или плазмы, и твердой, или клеток — форменных элементов крови. Разделить кровь на эти две фракции довольно легко с помощью центрифуги: клетки тяжелее плазмы и в центрифужной пробирке они собираются на дне в виде красного сгустка, а над ним остается слой прозрачной и почти бесцветной жидкости. Это и есть плазма.

Плазма . В организме взрослого человека содержится около 3 л плазмы. У взрослого здорового человека плазма составляет свыше половины (55 %) объема крови, у детей — несколько меньше.

Более 90 % состава плазмы — вода, остальное — растворенные в ней неорганические соли, а также органические вещества: углеводы, карбоновые, жирные кислоты и аминокислоты, глицерин, растворимые белки и полипептиды, мочевина и т. п. Все вместе они определяют осмотическое давление крови, которое в организме поддерживается на постоянном уровне, чтобы не причинить вреда клеткам самой крови, а также всем остальным клеткам организма: увеличенное осмотическое давление приводит к съеживанию клеток, а при пониженном осмотическом давлении они разбухают. В обоих случаях клетки могут погибнуть. Поэтому для введения разнообразных лекарств в организм и для переливания замещающих кровь жидкостей в случае большой кровопотери, используют специальные растворы, имеющие точно такое же осмотическое давление, как и кровь (изотонические). Такие растворы называются физиологическими. Простейшим по составу физиологическим раствором является 0,1 % раствор поваренной соли NaCl (1 г соли на литр воды). Плазма участвует в осуществлении транспортной функции крови (переносит растворенные в ней вещества), а также защитной функции, поскольку некоторые белки, растворенные в плазме, обладают противомикробным действием.

Клетки крови . В крови встречаются клетки трех основных типов: красные кровяные клетки, или эритроциты, белые кровяные клетки, или лейкоциты; кровяные пластинки, или тромбоциты. Клетки каждого из этих типов выполняют определенные физиологические функции, а все вместе они определяют физиологические свойства крови. Все клетки крови — короткоживущие (средний срок жизни 2 — 3 нед), поэтому в течение всей жизни специальные кроветворные органы занимаются производством все новых и новых клеток крови. Кроветворение происходит в печени, селезенке и костном мозге, а также в лимфатических железах.

Эритроциты (рис. 11) — это безъядерные дисковидные клетки, лишенные митохондрий и некоторых других органелл и приспособленные для одной главной функции — быть переносчиками кислорода. Красный цвет эритроцитов определяется тем. что они несут в себе белок гемоглобин (рис. 12), в котором функциональный центр, так называемый гем, содержит атом железа в форме двухвалентного иона. Гем способен химически соединяться с молекулой кислорода (образующееся вещество называется оксигемоглобином) в том случае, если парциальное давление кислорода велико. Эта связь непрочная и легко разрушается, если парциальное давление кислорода падает. Именно на этом свойстве и основана способность эритроцитов переносить кислород. Попадая в легкие, кровь в легочных пузырьках оказывается в условиях повышенного напряжения кислорода, и гемоглобин активно захватывает атомы этого плохо растворимого в воде газа. Но как только кровь попадает в работающие ткани, которые активно используют кислород, оксигемоглобин легко отдает его, подчиняясь «кислородному запросу» тканей. Во время активного функционирования ткани вырабатывают углекислый газ и другие кислые продукты, которые выходят через клеточные стенки в кровь. Это в еще большей степени стимулирует оксигемоглобин отдавать кислород, поскольку химическая связь гема и кислорода очень чувствительна к кислотности среды. Взамен гем присоединяет к себе молекулу СО2, унося ее к легким, где эта химическая связь также разрушается, СО2 выносится с током выдыхаемого воздуха наружу, а гемоглобин освобождается и вновь готов присоединять к себе кислород.

Рис. 11. Эритроциты:

а — нормальные эритроциты в форме двояковогнутого диска; б — сморщенные эритроциты в гипертоническом солевом растворе

Если во вдыхаемом воздухе оказывается угарный газ СО, то он вступает с гемоглобином крови в химическое взаимодействие, в результате которого образуется прочное вещество метоксигемоглобин, не распадающееся в легких. Тем самым гемоглобин крови выводится из процесса переноса кислорода, ткани не получают нужного количества кислорода, и человек ощущает удушье. В этом заключается механизм отравления человека на пожаре. Сходное действие оказывают некоторые другие мгновенные яды, которые также выводят из строя молекулы гемоглобина, например синильная кислота и ее соли (цианиды).

Рис. 12. Пространственная модель молекулы гемоглобина

В каждых 100 мл крови содержится около 12 г гемоглобина. Каждая молекула гемоглобина способна «тащить» на себе 4 атома кислорода. В крови взрослого человека содержится огромное количество эритроцитов — до 5 миллионов в одном миллилитре. У новорожденных детей их еще больше — до 7 миллионов, соответственно больше и гемоглобина. Если человек долгое время живет в условиях недостатка кислорода (например, высоко в горах), то количество эритроцитов в его крови еще более увеличивается. По мере взросления организма количество эритроцитов волнообразно изменяется, но в целом у детей их несколько больше, чем у взрослых. Снижение количества эритроцитов и гемоглобина в крови ниже нормы свидетельствует о тяжелом заболевании — анемии (малокровии). Одной из причин анемии может быть недостаток железа в пище. Железом богаты такие продукты, как говяжья печень, яблоки и некоторые другие. В случаях длительной анемии необходимо принимать лекарственные препараты, содержащие соли железа.

Наряду с определением уровня гемоглобина в крови к наиболее распространенным клиническим анализам крови относится измерение скорости оседания эритроцитов (СОЭ), или реакции оседания эритроцитов (РОЭ), — это два равноправных названия одного и того же теста. Если предотвратить свертывание крови и оставить ее в пробирке или капилляре на несколько часов, то без механического встряхивания тяжелые эритроциты начнут осаждаться. Скорость этого процесса у взрослых составляет от 1 до 15 мм/ч. Если этот показатель существенно выше нормы, это свидетельствует о наличии заболевания, чаще всего воспалительного. У новорожденных СОЭ составляет 1–2 мм/ч. К 3-летнему возрасту СОЭ начинает колебаться — от 2 до 17 мм/ч. В период от 7 до 12 лет СОЭ обычно не превышает 12 мм/ч.

Лейкоциты — белые кровяные клетки. Они не содержат гемоглобина, поэтому не имеют красной окраски. Главная функция лейкоцитов — защита организма от проникших внутрь него болезнетворных микроорганизмов и ядовитых веществ. Лейкоциты способны передвигаться с помощью псевдоподий, как амебы. Так они могут выходить из кровеносных капилляров и лимфатических сосудов, в которых их также очень много, и передвигаться в сторону скопления патогенных микробов. Там они пожирают микробы, осуществляя так называемый фагоцитоз.

Существует множество типов лейкоцитов, но наиболее типичными являются лимфоциты, моноциты и нейтрофилы. Более всего активны в процессах фагоцитоза нейтрофилы, которые образуются, как и эритроциты, в красном костном мозге. Каждый нейтрофил может поглотить 20–30 микробов. Если в организм вторгается крупное инородное тело (например, заноза), то множество нейтрофилов облепляют его, формируя своеобразный барьер. Моноциты — клетки, образующиеся в селезенке и печени, также участвуют в процессах фагоцитоза. Лимфоциты, которые образуются главным образом в лимфатических узлах, не способны к фагоцитозу, но активно участвуют в других иммунных реакциях.

В 1 мл крови содержится в норме от 4 до 9 миллионов лейкоцитов. Соотношение между числом лимфоцитов, моноцитов и нейтрофилов называется формулой крови. Если человек заболевает, то общее число лейкоцитов резко увеличивается, меняется также и формула крови. По ее изменению врачи могут определить, с каким видом микроба борется организм.

У новорожденного ребенка количество белых клеток крови значительно (в 2–5 раз) больше, чем у взрослого, но уже через несколько дней оно снижается до уровня 10–12 миллионов на 1 мл. Начиная со 2-го года жизни эта величина продолжает снижаться и достигает типичных для взрослого величин после полового созревания. У детей очень активно идут процессы образования новых клеток крови, поэтому среди лейкоцитов крови у детей значительно больше молодых клеток, чем у взрослых. Молодые клетки отличаются по своему строению и функциональной активности от зрелых. После 15–16 лет формула крови приобретает свойственные взрослым параметры.

Содержание и активность лейкоцитов определяют возможности клеточного иммунитета. Более подробно это описано на с. 100–103.

Тромбоциты — самые мелкие форменные элементы крови, количество которых достигает 200–400 миллионов в 1 мл. Мышечная работа и другие виды стресса способны в несколько раз увеличить число тромбоцитов в крови (в этом, в частности, заключена опасность стрессов для пожилых людей: ведь именно от тромбоцитов зависит свертываемость крови, в том числе образование тромбов и закупорка мелких сосудов головного мозга и сердечной мышцы). Место образования тромбоцитов — красный костный мозг и селезенка. Основная их функция — обеспечение свертывания крови. Без этой функции организм становится уязвимым при малейшем ранении, причем опасность заключается не только в том, что теряется значительное количество крови, но и в том, что любая открытая рана — это ворота для инфекции.

Если человек поранился, даже неглубоко, то при этом повредились капилляры, и тромбоциты вместе с кровью оказались на поверхности. Здесь на них действуют два важнейших фактора — низкая температура (гораздо ниже, чем 37 °C внутри тела) и обилие кислорода. Оба эти фактора приводят к разрушению тромбоцитов, и из них выделяются в плазму вещества, которые необходимы для формирования кровяного сгустка — тромба. Для того чтобы образовался тромб, кровь надо остановить, пережав крупный сосуд, если из него сильно льется кровь, поскольку даже начавшийся процесс образования тромба не пройдет до конца, если в ранку будут все время поступать новые и новые порции крови с высокой температурой и еще не разрушившимися тромбоцитами.

Чтобы кровь не свертывалась внутри сосудов, в ней присутствуют специальные противосвертывающие вещества — гепарин и др. Пока сосуды не повреждены, между веществами, стимулирующими и тормозящими свертывание, наблюдается баланс. Повреждение сосудов ведет к нарушению этого баланса. В старости и с увеличением заболеваний этот баланс у человека также нарушается, что увеличивает риск свертывания крови в мелких сосудах и образования опасного для жизни тромба.

Возрастные изменения функции тромбоцитов и свертывания крови были детально изучены А.А. Маркосяном, одним из основоположников возрастной физиологии в России. Было установлено, что у детей свертывание протекает медленнее, чем у взрослых, а образующийся сгусток имеет более рыхлую структуру. Эти исследования привели к формированию концепции биологической надежности и ее повышения в онтогенезе.

Тканевая жидкость и лимфа

Проходя через мельчайшие артериальные капилляры внутри тканей под значительным давлением, кровь фильтруется стенками капилляров, и ее жидкая фракция выходит в межклеточное пространство. Так образуется тканевая жидкость. Если давление в кровеносных сосудах какого-либо органа оказывается избыточным, то там могут образовываться скопления тканевой жидкости (отеки). Венозные капилляры, давление крови в которых незначительно, наоборот, всасывают жидкость из окружающего межклеточного пространства. Между кровью, находящейся в капиллярах, тканевой жидкостью и лимфой происходит непрерывный обмен жидкостями и растворенными в ней веществами, а также устанавливается динамическое равновесие.

Лимфа образуется из тканевой жидкости, за сутки ее вырабатывается у взрослого человека около 2 л. В лимфе содержится белок в количестве 20 г/л, что примерно в 10 раз меньше, чем в крови. Лимфа циркулирует по специальным лимфатическим сосудам. Для ее циркуляции в стенках некоторых лимфатических сосудов есть гладкомышечные клетки, которые ритмически сокращаются и толкают лимфу в определенном направлении. Важнейшим движителем для лимфы являются сокращения скелетных мышц, при этом скорость движения лимфы при физической работе может в 15 раз превышать аналогичный показатель у находящегося в покое человека. В целом скорость движения лимфы сравнительно мала.

Лимфатическая система , не имеющая в отличие от кровеносной центрального «насоса» — сердца, устроена по другому принципу: лимфатические сосуды не представляют собой замкнутой системы, а в некоторых зонах сходятся в большом количестве и образуют лимфатические узлы. Воспалительные процессы в организме часто ведут к увеличению близлежащих к очагу воспаления лимфатических узлов, так как именно там проходит последняя стадия созревания Т-лимфоцитов, необходимых для борьбы с микробами.

Основная функция лимфатической системы — удаление из тканей избытка воды и тех веществ, которые там не используются клетками. Кроме того, лимфа транспортирует всосавшиеся в кишечнике питательные вещества, в частности жиры. Еще одна функция лимфы связана с активностью белых клеток крови (лимфоцитов), которые по лимфатическим сосудам разносятся ко всем клеткам тела и к местам проникновения в организм болезнетворных микробов.

Важную роль в иммунных реакциях, особенно в детском возрасте, играют так называемые лимфатические железы, разбросанные по всему организму. К ним относятся тимус (вилочковая железа), миндалины (гланды), аденоиды, аппендикс и целый ряд других. Большинство лимфатических желез, как и лимфоидная ткань в целом, по мере взросления и формирования специфического иммунитета утрачивают свое значение и уменьшаются в размерах, частично заменяясь соединительной тканью.

Реакция системы крови на учебную и физическую нагрузку

Физическое и психическое напряжение организма приводит к существенным изменениям состава крови и некоторых ее функциональных свойств. Все эти изменения носят адаптивный характер, однако в случаях перенапряжения они могут отражать патологические процессы, являющиеся следствием срыва адаптации.

Учебная нагрузка. Белая кровь. Под влиянием обычной для школы учебной нагрузки у детей наблюдается относительный лейкоцитоз, то есть увеличение числа лейкоцитов в среднем на 24 %. При этом степень их зрелости практически не меняется. По-видимому, это характеризует готовность организма столкнуться с микробной агрессией извне и с накоплением в крови продуктов распада клеток собственного тела под влиянием утомления.

Вязкость крови и скорость оседания эритроцитов. Вязкость крови после учебной нагрузки обычно становится выше, чем до нее.

В то же время она может и снизиться, если исходные величины были высоки. Величина СОЭ сразу после уроков у большинства детей младших классов увеличивается, хотя около 30 % детей не проявляют подобной реакции. Если же исходная величина СОЭ была повышена, то под влиянием учебной нагрузки она может снизиться.

Свертывание крови. Учебная нагрузка стимулирует заметное ускорение свертывания крови, по крайней мере у детей младшего школьного возраста (до 11 лет). С наступлением полового созревания разброс индивидуальных характеристик становится столь велик, что оценить влияние учебной нагрузки достаточно сложно.

Физическая нагрузка. Белая кровь. Реакция белой крови на физическую нагрузку зависит от ее мощности (интенсивности) и продолжительности. В целом она характеризуется увеличением числа лейкоцитов в крови, однако степень зрелости клеток и преобладающая их разновидность при этом зависят от параметров нагрузки и возраста ребенка. Чем дольше выполняется нагрузка, тем сильнее выражен лейкоцитоз. Нормализация состава крови наблюдается только через сутки после напряженной и длительной мышечной работы (бег на длинную дистанцию, велосипедные гонки и т. п.). Одновременно активируются процессы разрушения лейкоцитов, которые остаются повышенными в течение 3 ч после нагрузки.

Красная кровь. После нагрузки количество эритроцитов в крови всегда изменяется, но характер этих изменений опять же зависит от интенсивности и продолжительности нагрузки. Если нагрузка кратковременная — отмечается небольшое увеличение (8-10 %) числа эритроцитов, которые в этом случае выходят из депо (селезенка). Если нагрузка длительная и напряженная — число эритроцитов может снизиться, т. е. часть эритроцитов подвергается разрушению, причем после прекращения нагрузки этот процесс продолжается. Одновременно активируются процессы образования эритроцитов в костном мозге, и в крови появляется большое количество молодых форм. Таким образом, после значительной физической нагрузки кровь как бы «обновляется». Кратковременная нагрузка такого эффекта не дает. У детей эти изменения в крови выражены намного более отчетливо, чем у взрослых.

Вязкость крови и скорость оседания эритроцитов. Непродолжительная или неинтенсивная нагрузка не влияет на вязкость крови, тогда как длительная напряженная работа приводит к ее увеличению, которое длится до 2 сут. У взрослых аналогичная работа может и не приводить к увеличению вязкости.

Под влиянием кратковременной нагрузки СОЭ может у одних детей ускоряться, у других замедляться. Однако длительная нагрузка высокой мощности всегда приводит к увеличению СОЭ, которая может оставаться повышенной в течение 24 ч после нагрузки. У взрослых величина СОЭ возвращается к исходному уровню быстрее, чем у юношей и девушек.

Свертывание крови. Мышечная работа вызывает четко выраженный тромбоцитоз, который в этом случае называют миогенным. Эта реакция организма протекает в две фазы: сначала увеличивается число тромбоцитов в крови, а затем изменяется их состав. У взрослых обычно мышечная нагрузка не приводит к проявлению второй фазы, тогда как организм детей и подростков реагирует на нагрузку более бурно и миогенный тромбоцитоз быстро проходит первую, а затем и вторую фазу. Это обусловливает существенное увеличение скорости свертывания крови. Адаптивный смысл такой реакции вполне очевиден: организм как бы подготавливает себя к возможному повреждению покровных тканей и сосудов в процессе напряженной мышечной деятельности, заранее активируя разнообразные системы защиты.

Гомеостаз

Гомеостаз, гомеорез, гомеоморфоз — характеристики состояния организма. Системная сущность организма проявляется в первую очередь в его способности к саморегуляции в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды. Поскольку все органы и ткани организма состоят из клеток, каждая из которых является относительно самостоятельным организмом, состояние внутренней среды человеческого организма имеет огромное значение для его нормального функционирования. Для организма человека — сухопутного существа — окружающую среду составляют атмосфера и биосфера, при этом он в определенной мере взаимодействует с литосферой, гидросферой и ноосферой. В то же время большинство клеток человеческого тела погружено в жидкую среду, которая представлена кровью, лимфой и межклеточной жидкостью. Лишь покровные ткани непосредственно взаимодействуют с окружающей человека средой, все остальные клетки изолированы от внешнего мира, что позволяет организму в значительной мере стандартизировать условия их существования. В частности, способность поддерживать постоянную температуру тела около 37 °C обеспечивает стабильность метаболических процессов, поскольку все биохимические реакции, которые составляют сущность метаболизма, очень сильно зависят от температуры. Не менее важно поддерживать в жидких средах организма неизменное напряжение кислорода, углекислого газа, концентрацию разнообразных ионов и т. п. В обычных условиях существования, в том числе при адаптации и деятельности, возникают небольшие отклонения такого рода параметров, но они быстро устраняются, внутренняя среда организма возвращается к стабильной норме. Великий французский физиолог XIX в. Клод Бернар утверждал: «Постоянство внутренней среды является обязательным условием свободной жизни». Физиологические механизмы, обеспечивающие поддержание постоянства внутренней среды, называются гомеостатическими, а само явление, отражающее способность организма к саморегуляции внутренней среды, называется гомеостазом . Этот термин был введен в 1932 г. У. Кэнноном — одним из тех физиологов XX в., который наряду с Н.А. Бернштейном, П.К. Анохиным и Н. Винером стоял у истоков науки об управлении — кибернетики. Термин «гомеостаз» используется не только в физиологических, но и в кибернетических исследованиях, поскольку именно поддержание постоянства каких-либо характеристик сложноорганизованной системы и является главной целью любого управления.

Другой замечательный исследователь, К. Уоддинггон, обратил внимание на то, что организм способен сохранять не только стабильность своего внутреннего состояния, но и относительное постоянство динамических характеристик, т. е. протекания процессов во времени. Это явление по аналогии с гомеостазом было названо гомеорезом . Оно имеет особое значение для растущего и развивающегося организма и состоит в том, что организм способен сохранять (в определенных пределах, разумеется) «канал развития» в ходе своих динамических преобразований. В частности, если ребенок из-за болезни или резкого ухудшения условий жизни, вызванных социальными причинами (война, землетрясение и т. п.), существенно отстает от своих нормально развивающихся сверстников, то это еще не означает, что такое отставание фатально и необратимо. Если период неблагоприятных событий заканчивается и ребенок получает адекватные для развития условия, то как по росту, так и по уровню функционального развития он вскоре догоняет сверстников и в дальнейшем ничем существенно от них не отличается. Этим объясняется то обстоятельство, что перенесшие в раннем возрасте тяжелую болезнь дети нередко вырастают в здоровых и пропорционально сложенных взрослых. Гомеорез играет важнейшую роль как в управлении онтогенетическим развитием, так и в процессах адаптации. Между тем физиологические механизмы гомеореза пока недостаточно изучены.

Третьей формой саморегуляции постоянства организма является гомеоморфоз — способность поддерживать неизменность формы. Эта характеристика в большей мере присуща взрослому организму, поскольку рост и развитие несовместимы с неизменностью формы. Тем не менее если рассматривать короткие отрезки времени, особенно в периоды торможения роста, то и у детей можно обнаружить способность к гомеоморфозу. Речь идет о том, что в организме непрерывно происходит смена поколений составляющих его клеток. Клетки долго не живут (исключение составляют только нервные клетки): обычный срок жизни клеток тела составляет недели или месяцы. Тем не менее каждое новое поколение клеток почти в точности повторяет форму, размеры, расположение и соответственно функциональные свойства предыдущего поколения. Специальные физиологические механизмы препятствуют значительным изменениям массы тела в условиях голодания или переедания. В частности, при голодании резко повышается усвояемость пищевых веществ, а при переедании, напротив, большая часть поступающих с пищей белков, жиров и углеводов «сжигается» без всякой пользы для организма. Доказано (Н.А. Смирнова), что у взрослого человека резкие и значительные изменения массы тела (главным образом за счет количества жира) в любую сторону являются верными признаками срыва адаптации, перенапряжения и свидетельствуют о функциональном неблагополучии организма. Детский организм становится особенно чувствителен к внешним воздействиям в периоды наиболее бурного роста. Нарушение гомеоморфоза — такой же неблагоприятный признак, как нарушения гомеостаза и гомеореза.

Понятие о биологических константах . Организм представляет собой комплекс огромного количества самых разнообразных веществ. В процессе жизнедеятельности клеток организма концентрация этих веществ может существенно меняться, что означает изменение внутренней среды. Было бы немыслимо, если бы управляющие системы организма вынуждены были следить за концентрацией всех этих веществ, т. е. иметь множество датчиков (рецепторов), непрерывно анализировать текущее состояние, принимать управляющие решения и контролировать их эффективность. Ни информационных, ни энергетических ресурсов организма не хватило бы на такой режим управления всеми параметрами. Поэтому организм ограничивается слежением за сравнительно небольшим числом наиболее значимых показателей, которые необходимо поддерживать на относительно постоянном уровне ради благополучия абсолютного большинства клеток тела. Эти наиболее жестко гомеостазируемые параметры тем самым превращаются в «биологические константы», а их неизменность обеспечивается за счет иногда достаточно значительных колебаний других параметров, не относящихся к разряду гомеостазируемых. Так, уровни гормонов, участвующих в регуляции гомеостаза, могут меняться в крови в десятки раз в зависимости от состояния внутренней среды и воздействия внешних факторов. В это же время гомеостазируемые параметры изменяются лишь на 10–20 %.

Важнейшие биологические константы . Среди наиболее важных биологических констант, за поддержание которых на сравнительно неизменном уровне ответственны различные физиологические системы организма, следует назвать температуру тела, уровень глюкозы в крови, содержание ионов H + в жидких средах организма, парциальное напряжение кислорода и углекислоты в тканях .

Болезнь как признак или следствие нарушений гомеостаза . Практически все болезни человека связаны с нарушением гомеостаза. Так, например, при многих инфекционных заболеваниях, а также в случае воспалительных процессов, в организме резко нарушается температурный гомеостаз: возникает лихорадка (повышение температуры), иногда опасная для жизни. Причина такого нарушения гомеостаза может заключаться как в особенностях нейроэндокринной реакции, так и в нарушениях деятельности периферических тканей. В этом случае проявление болезни — повышенная температура — представляет собой следствие нарушения гомеостаза.

Обычно лихорадочные состояния сопровождаются ацидозом — нарушением кислотно-щелочного равновесия и сдвигом реакции жидких сред организма в кислую сторону. Ацидоз характерен также для всех заболеваний, связанных с ухудшением работы сердечно-сосудистой и дыхательной систем (заболевания сердца и сосудов, воспалительные и аллергические поражения бронхолегочной системы и т. п.). Нередко ацидоз сопровождает первые часы жизни новорожденного, особенно если у него не сразу после появления на свет началось нормальное дыхание. Для устранения этого состояния новорожденного помещают в специальную камеру с повышенным содержанием кислорода. Метаболический ацидоз при тяжелой мышечной нагрузке может наблюдаться у людей любого возраста и проявляется в одышке и повышенном потоотделении, а также болезненных ощущениях в мышцах. После завершения работы состояние ацидоза может сохраняться от нескольких минут до 2–3 сут, в зависимости от степени утомления:, тренированности и эффективности работы гомеостатических механизмов.

Весьма опасны болезни, приводящие к нарушению водно-солевого гомеостаза, например холера, при которой из организма удаляется огромное количество воды и ткани утрачивают свои функциональные свойства. К нарушению водно-солевого гомеостаза ведут также многие заболевания почек. В результате некоторых из этих заболеваний может развиваться алкалоз — чрезмерное повышение концентрации щелочных веществ в крови и увеличение рН (сдвиг в щелочную сторону).

В некоторых случаях незначительные, но длительные нарушения гомеостаза могут стать причиной развития тех или иных заболеваний. Так, есть данные, что неумеренное употребление в пищу сахара и других источников углеводов, нарушающих гомеостаз глюкозы, ведет к поражению поджелудочной железы, в результате человек заболевает диабетом. Также опасно чрезмерное употребление поваренной и других минеральных солей, острых приправ и т. п., увеличивающих нагрузку на выделительную систему. Почки могут не справиться с обилием веществ, которые необходимо удалить из организма, в результате чего наступит нарушение водно-солевого гомеостаза. Одним из его проявлений являются отеки — скопление жидкости в мягких тканях организма. Причина отеков обычно лежит либо в недостаточности сердечно-сосудистой системы, либо в нарушениях работы почек и, как следствие, минерального обмена.

Иммунная система организма

Еще одним важнейшим свойством внутренней среды многоклеточного организма является его способность защищаться от проникновения чужеродных клеток, частиц и молекул. Эта способность называется иммунитетом (от лат. слова immunis — свободный).

В организме человека параллельно работают три иммунные системы, различающиеся своими возможностями и механизмом действия.

Наиболее мощной и эффективной является специфическая иммунная система. Если в организм проникает чужеродная клетка или молекула (антиген), то клетки, относящиеся к специфической иммунной системе, начинают вырабатывать специальные вещества (антитела), которые соединяются с антигенами, образуя химический комплекс, и нейтрализуют их вредное влияние на организм. Особенностью этой иммунной системы является то, что она не единая для всех видов возбудителей болезней, а для каждого своя (специфическая), и для ее возникновения необходимо первоначальное взаимодействие организма с чужеродным фактором. Таким образом, формирование специфической иммунной системы представляет собой приобретенный иммунитет. Приобрести иммунитет человек может в двух случаях: естественным путем, столкнувшись с новым для него возбудителем болезни и переболев ею, а также искусственным путем — в результате прививки. Поэтому специфический, или приобретенный, иммунитет подразделяют на естественный и искусственный. Перенесенные в детстве болезни, такие как корь, свинка, скарлатина, ветрянка и другие «детские инфекции», не повторяются в дальнейшем именно благодаря действию этой иммунной системы.

Кроме того, организм человека обладает двумя формами врожденного, или неспецифического иммунитета — гуморальной и клеточной.

Специфические защитные механизмы . Основную роль в специфическом иммунном ответе организма выполняют белые кровяные клетки — лимфоциты, которые подразделяются на 2 типа: В-лимфоциты, которые приобретают свои иммунные свойства в костном мозге, и Т-лимфоциты, превращающиеся в активные иммунные тела в тимусе (вилочковой железе). Лимфоциты обоих типов способны сохранять иммунную память, что и обусловливает их эффективность в борьбе с новым вторжением уже известного организму патогенного агента.

В-лимфоциты ответственны за гуморальный иммунный ответ. Они составляют примерно 15 % от общего числа лимфоцитов крови. На поверхностной мембране этих клеток располагаются специфические белки — иммуноглобулины, которые и обусловливают их защитные свойства. Однако для того чтобы эти защитные свойства проявились, необходимо совместное участие в иммунных реакциях В- и Т-лимфоцитов. В-лимфоциты способны уничтожать не только возбудителей болезней, но и собственные клетки организма, в которых произошло опухолевое перерождение и которые стали синтезировать чуждый организму белок. Образуемые В-лимфоцитами антитела называют также иммуноглобулинами, поскольку химически они представляют собой молекулы белков-глобулинов, к которым прикреплены специфические участки, предназначенные для связывания с конкретными антигенами. В организме человека встречается 5 видов иммуноглобулинов, самый распространенный из них — IgG, или гамма-глобулин.

К Т-лимфоцитам относится 70–80 % всех лимфоцитов крови, и они ответственны за клеточный иммунный ответ. Существует довольно большое разнообразие этих клеток, одни из которых участвуют в активации В-лимфоцитов; другие уничтожают клетки, несущие антиген; третьи тормозят активность своих собратьев, чтобы иммунные реакции не нанесли вреда тканям собственного организма; четвертые хранят в себе память о предыдущих вторжениях в организм инородных агентов.

Неспецифические гуморальные защитные механизмы . Для того чтобы уничтожить чужеродную клетку, на нее должны подействовать антитела. Однако их действие будет неэффективным, если в этом процессе не будут участвовать 9 веществ, растворенных в плазме крови, которые все вместе называются комплементом. Одни из них нейтрализуют вирусы, другие — воспалительные реакции, растворяют мембраны болезнетворных бактерий и т. п., но, так или иначе, их участие необходимо для полноценного иммунного ответа организма.

Во многих тканях организма обнаружены лейкоциты и макрофаги, содержащие большое количество лизоцима — специального белка, подавляющего рост бактерий и вирусов. В значительных количествах лизоцим содержится в легочной ткани, в слюне и слезах, в слизистой желудочно-кишечного тракта, носоглотки и других органов человека, имеющих контакт с окружающей средой.

Еще одним неспецифическим агентом служит так называемый С-реактивный белок, содержание которого в плазме резко увеличивается при любом воспалительном процессе. Он участвует в подавлении жизнедеятельности чужеродных микробов.

Защиту от вторжения вирусов в значительной мере обеспечивает интерферон — специальный белок, вырабатываемый несколькими типами лейкоцитов. Помогая организму справиться с вирусным заболеванием, интерферон в то же время подавляет размножение собственных клеток организма, в том числе лимфоцитов. Именно поэтому при вирусных инфекциях наблюдается общее снижение иммунитета. Это же обстоятельство накладывает ограничения на использование в лечебных целях синтетического интерферона.

Неспецифические клеточные защитные механизмы . Неспецифический клеточный иммунитет обусловливают специальные клетки белой крови — лейкоциты и макрофаги, способные осуществлять фагоцитоз, т. е. уничтожать болезнетворные агенты и комплексы антиген-антитело. Фагоциты способны активно передвигаться к очагу воспаления и вступать в непосредственный контакт с чужеродной клеткой. Выпуская псевдоподии, они окружают такую клетку, образуя пузырек — фагосому, а затем постепенно ее переваривают.

Аллергические реакции . Иммунный ответ организма на вторжение болезнетворного или чужеродного агента должен быть адекватен, так как при недостаточной активности иммунной системы организм остается не полностью защищенным, а при чрезмерной активности возникают состояния гиперчувствительности. Именно к таким состояниям относятся разного рода аллергии. Чрезмерная чувствительность и реактивность организма в ответ на попадание в него сравнительно безобидных белков — серьезная проблема, часто сопровождающая детей раннего возраста, а порой и взрослых. В тяжелых случаях может возникать несовместимость с широким спектром продуктов питания, экологических и иных факторов. В большинстве случаев на сегодняшний день ситуация разрешается благодаря использованию разнообразных антигистаминных препаратов, частично снижающих иммунитет.

Иммунизация . Для формирования устойчивого иммунитета против многих заболеваний широко применяется активная иммунизация — обычно в форме вакцинации. В организм вводят либо ослабленный штамм болезнетворного агента, либо вырабатываемый им антиген в небольшом количестве. В результате развивается естественный иммунный ответ и формируется иммунная память, благодаря которой повторное внедрение в организм этого же болезнетворного микроба уже не застанет его иммунную систему врасплох. Именно в этом состоит смысл прививок, которые делают детям раннего возраста, а иногда и взрослым при угрозе эпидемий. В последние годы многие родители стараются избежать проведения прививок их детям, опасаясь аллергических реакций. Только опытный врач может в каждом конкретном случае определить, что более разумно: подвергать ребенка опасности заболеть тяжелой болезнью или подвергать его риску развития аллергической реакции.

При некоторых заболеваниях проводят пассивную иммунизацию: больному вводят антисыворотку против определенного антигена. Так лечат, например, бешенство и спасают от действия укусов ядовитых насекомых, пауков, змей и других животных. Во всех этих случаях лечение начинается уже после того, как вредоносное вещество попало в кровь, и вырабатывать иммунитет организма к этому веществу уже поздно, нужно срочно оказать помощь в уничтожении опасного для жизни чужеродного белка. Эту функцию и выполняет антисыворотка.

Вопросы и задания

1. Расскажите, из каких компонентов состоит кровь.

2. Чем отличается кровь ребенка от крови взрослого по составу и свойствам?

3. Как реагируют компоненты крови на учебную и физическую нагрузку?

4. Чем отличаются лимфа и тканевая жидкость от крови?

5. Что такое гомеостаз? Приведите пример.

6. Что такое иммунитет, какие бывают виды иммунитета?

7. Какие клетки в организме отвечают за иммунные реакции?

8. Чем отличается иммунитет у детей?

9. Что такое иммунизация и для чего она проводится?

 

Глава 7. ОБМЕН ВЕЩЕСТВ (МЕТАБОЛИЗМ)

Биоэнергетические основы жизни

Формы обмена энергией . В физике хорошо известны переходы энергии из одной формы в другую — например, потенциальной в кинетическую, электрической в химическую энергию молекулярных взаимодействий или механическую энергию электродвигателя, и т. д. В живом организме взаимопревращения форм энергии также многообразны. Например, свет (лучистая энергия) преобразуется зелеными растениями в энергию химических связей. Есть микроорганизмы, которые способны химическую энергию окружающей среды преобразовывать в химическую энергию собственного организма. Для животных организмов, к которым относится человек, характерно превращение химической энергии окислительных процессов в тепловую и механическую энергию, а также в химическую энергию образования сложнейших органических молекул. Потребляя пищу и кислород, организм использует эти вещества для получения энергии, которую затем выделяет в окружающее пространство в виде тепла или в виде механических перемещений предметов или частей собственного тела.

Баланс между продукцией и расходованием энергии . Суммарное потребление энергии организмом равно суммарному количеству энергии, которое выделяется им в процессе жизнедеятельности. Надо подчеркнуть, что такой баланс можно наблюдать только в том случае, если наблюдение за организмом ведется достаточно длительно и при этом строго учитываются все виды потребленной или выделенной им энергии. В короткие промежутки времени (несколько минут или часов) баланс может и не наблюдаться из-за способности организма регулировать потребление и отдачу энергии в зависимости от конкретных условий, в которых он находится. В растущем организме некоторая (сравнительно небольшая, не выше 5–7 %) доля энергии аккумулируется в виде новых структур, молекул, клеток, и поэтому такой организм выделяет в окружающий мир чуть меньше энергии, чем потребляет. Такое соотношение процессов образования и расходования энергии принято называть анаболизмом. К старости, напротив, деструктивные процессы начинают преобладать над процессами синтеза, в результате чего выделение энергии может несколько превышать ее потребление. Такое соотношение называется катаболизм. Анаболизм и катаболизм (как две стороны одной медали — энергетического метаболизма) непрерывно протекают в любом живом организме, причем они либо разделены в пространстве (т. е. в одних клетках в данный момент идет катаболизм, а в других — анаболизм), либо во времени, чередуясь в одной и той же клетке как фазы единого процесса. Однако при некоторых состояниях организма одно из этих направлений получает временное преимущество. Так, болезнь часто связана с преобладанием катаболизма, тогда как выздоровление обычно означает преобладание анаболизма.

Биологическое окисление . Единственным источником энергии для животного организма является химический процесс биологического окисления белков, жиров и углеводов. Если по той или иной причине организм лишен пищи, то его жизнедеятельность поддерживается за счет окисления накопленных заранее резервов углеводов (в печени и мышцах), жиров (жировая ткань), а также белков (собственные мышцы). Главное при этом — обеспечить достаточное энергоснабжение нервных клеток, от которых зависит управление всеми функциями организма. Гибель нервной системы означает гибель организма.

Химически процесс биологического окисления не отличается от процесса горения, только протекает гораздо медленнее, поскольку разделен на множество фаз и управляется специальными внутриклеточными ферментами. Такая «замедленность» окисления в живой клетке имеет глубокий биологический смысл: благодаря разделению процесса окисления на многочисленные фазы организму удается максимально полно использовать энергию, заключенную в химических связях окисляемых веществ. В результате КПД внутриклеточного окисления бывает очень высоким — 90 % и более. В чем же «полезный результат» процесса биологического окисления? В отличие от процесса горения, в результате которого освобождается тепловая энергия, т. е. энергия химических связей превращается в энергию хаотического движения молекул, биологическое окисление энергию одних химических связей (в молекулах питательных веществ) преобразует в энергию других химических связей (в молекулах синтезируемых веществ).

Продукция энергии в клетке

АТФ — универсальная энергетическая «валюта» клетки . Одно из наиболее удивительных «изобретений» природы — это молекулы так называемых «макроэргических» веществ, в химической структуре которых имеется одна или несколько связей, которые выполняют функцию накопителей энергии. В живой природе найдено несколько подобных молекул, но в организме человека встречается только одна из них — аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Это довольно сложная органическая молекула, к которой присоединены 3 отрицательно заряженных остатка неорганической фосфорной кислоты PO4-. Именно эти фосфорные остатки связаны с органической частью молекулы «макроэргическими» связями, легко разрушающимися при разнообразных внутриклеточных реакциях. Однако энергия этих связей не рассеивается в пространстве в виде тепла, а используется на движение или химическое взаимодействие других молекул. Именно благодаря этому свойству АТФ выполняет в клетке функцию универсального накопителя (аккумулятора) энергии, а также универсальной «валюты». Ведь почти каждое химическое превращение, происходящее в клетке, либо поглощает, либо высвобождает энергию. Согласно закону сохранения энергии, общее количество энергии, образованное в результате окислительных реакций и запасенное в виде АТФ, равно количеству энергии, которое может использовать клетка на свои синтетические процессы и выполнение любых функций. В качестве «оплаты» за возможность произвести то или иное действие клетка вынуждена расходовать свой запас АТФ. При этом следует особо подчеркнуть: молекула АТФ столь крупна, что она не способна проходить через клеточную мембрану. Поэтому АТФ, образованная в одной клетке, не может быть использована другой клеткой. Каждая клетка тела вынуждена синтезировать АТФ для своих нужд самостоятельно в тех количествах, в которых она необходима для выполнения ее функций.

Три источника ресинтеза АТФ в клетках организма человека . По-видимому, далекие предки клеток человеческого организма существовали много миллионов лет назад в окружении растительных клеток, которые в избытке снабжали их углеводами, причем кислорода было недостаточно или не было еще вовсе. Именно углеводы — наиболее употребимая для производства энергии в организме составная часть питательных веществ. И хотя большинство клеток человеческого тела приобрело способность использовать в качестве энергетического сырья также белки и жиры, некоторые (например, нервные, красные кровяные, мужские половые) клетки способны производить энергию только за счет окисления углеводов.

Процессы первичного окисления углеводов — вернее, глюкозы, которая и составляет, собственно, основной субстрат окисления в клетках, — происходят непосредственно в цитоплазме: именно там расположены ферментные комплексы, благодаря которым молекула глюкозы частично разрушается, а освободившаяся энергия запасается в виде АТФ. Этот процесс называется гликолиз, он может проходить во всех без исключения клетках организма человека. В результате этой реакции из одной 6-углеродной молекулы глюкозы образуется две 3-углеродные молекулы пировиноградной кислоты и две молекулы АТФ.

Гликолиз — весьма быстрый, но сравнительно малоэффективный процесс. Образовавшаяся в клетке после завершения реакций гликолиза пировиноградная кислота почти тут же превращается в молочную кислоту и порой (например, во время тяжелой мышечной работы) в весьма больших количествах выходит в кровь, так как это небольшая молекула, способная свободно проходить через клеточную мембрану. Такой массированный выход кислых продуктов обмена в кровь нарушает гомеостаз, и организму приходится включать специальные гомеостатические механизмы, чтобы справиться с последствиями мышечной работы или другого активного действия.

Образовавшаяся в результате гликолиза пировиноградная кислота содержит в себе еще много потенциальной химической энергии и может служить субстратом для дальнейшего окисления, но для этого нужны специальные ферменты и кислород. Этот процесс происходит во многих клетках, в которых содержатся специальные органеллы — митохондрии. Внутренняя поверхность мембран митохондрий сложена из крупных липидных и белковых молекул, среди которых большое количество окислительных ферментов. Внутрь митохондрии проникают образовавшиеся в цитоплазме 3-углеродные молекулы — обычно это бывает уксусная кислота (ацетат). Там они включаются в непрерывно идущий цикл реакций, в процессе которых от этих органических молекул поочередно отщепляются атомы углерода и водорода, которые, соединяясь с кислородом, превращаются в углекислый газ и воду. В этих реакциях выделяется большое количество энергии, которая запасается в виде АТФ. Каждая молекула пировиноградной кислоты, пройдя полный цикл окисления в митохондрии, позволяет клетке получить 17 молекул АТФ. Таким образом, полное окисление 1 молекулы глюкозы обеспечивает клетку 2 + 17 х 2 = 36 молекулами АТФ. Не менее важно, что в процесс митохондриального окисления могут включаться также жирные кислоты и аминокислоты, т. е. составляющие жиров и белков. Благодаря этой способности митохондрии делают клетку сравнительно независимой от того, какими продуктами питается организм: в любом случае необходимое количество энергии будет добыто.

Некоторая часть энергии запасается в клетке в виде более мелкой и подвижной, чем АТФ, молекулы креатинфосфата (КрФ). Именно эта маленькая молекула может быстро переместиться из одного конца клетки в другой — туда, где в данный момент более всего нужна энергия. КрФ не может сам отдавать энергию на процессы синтеза, мышечного сокращения или проведение нервного импульса: для этого требуется АТФ. Но зато КрФ легко и практически без потерь способен отдать всю заключенную в нем энергию молекуле аденазиндифосфата (АДФ), которая сразу же превращается в АТФ и готова к дальнейшим биохимическим превращениям.

Таким образом, затраченная в ходе функционирования клетки энергия, т. е. АТФ, может возобновляться за счет трех основных процессов: анаэробного (бескислородного) гликолиза, аэробного (с участием кислорода) митохондриального окисления, а также благодаря передаче фосфатной группы от КрФ к АДФ.

Креатинфосфатный источник — самый мощный, поскольку реакция КрФ с АДФ протекает очень быстро. Однако запас КрФ в клетке обычно невелик — например, мышцы могут с максимальным усилием работать за счет КрФ не более 6–7 с. Этого обычно достаточно, чтобы запустить второй по мощности — гликолитический — источник энергии. В этом случае ресурс питательных веществ во много раз больше, но по мере работы происходит все большее напряжение гомеостаза из-за образования молочной кислоты, и если такую работу выполняют крупные мышцы, она не может продолжаться более 1,5–2 мин. Зато за это время почти полностью активируются митохондрии, которые способны сжигать не только глюкозу, но также жирные кислоты, запас которых в организме почти неисчерпаем. Поэтому аэробный митохондриальный источник может работать очень долго, правда, мощность его сравнительно невелика — в 2–3 раза меньше, чем гликолитического источника, и в 5 раз меньше мощности креатинфосфатного.

Особенности организации энергопродукции в различных тканях организма . Разные ткани обладают различной насыщенностью митохондриями. Меньше всего их в костях и белом жире, больше всего — в буром жире, печени и почках. Довольно много митохондрий в нервных клетках. Мышцы не обладают высокой концентрацией митохондрий, но ввиду того, что скелетные мышцы — самая массивная ткань организма (около 40 % от массы тела взрослого человека), именно потребности мышечных клеток во многом определяют интенсивность и направленность всех процессов энергетического обмена. И.А. Аршавский называл это «энергетическим правилом скелетных мышц».

С возрастом происходит изменение сразу двух важных составляющих энергетического обмена: изменяется соотношение масс тканей, обладающих разной метаболической активностью, а также содержание в этих тканях важнейших окислительных ферментов. В результате энергетический обмен претерпевает достаточно сложные изменения, но в целом его интенсивность с возрастом снижается, причем весьма существенно.

Энергетический обмен

Энергетический обмен представляет собой наиболее интегральную функцию организма. Любые синтезы, деятельность любого органа, любая функциональная активность неминуемо отражается на энергетическом метаболизме, поскольку по закону сохранения, не имеющему исключений, любой акт, связанный с преобразованием вещества, сопровождается расходованием энергии.

Энергозатраты организма складываются из трех неравных частей базального метаболизма, энергообеспечения функций, а также энергозатрат на рост, развитие и адаптивные процессы. Соотношение между этими частями определяется этапом индивидуального развития и конкретными условиями (табл. 2).

Базальный метаболизм — это тот минимальный уровень энергопродукции, который существует всегда, вне зависимости от функциональной активности органов и систем, и никогда не равен нулю. Базальный метаболизм складывается из трех основных видов энергозатрат: минимальный уровень функций, футильные циклы и репаративные процессы.

Минимальная потребность организма в энергии . Вопрос о минимальном уровне функций достаточно очевиден: даже в условиях полного покоя (например, спокойного сна), когда на организм никакие активирующие факторы не действуют, необходимо поддержание определенной активности головного мозга и желез внутренней секреции, печени и желудочно-кишечного тракта, сердца и сосудов, дыхательных мышц и легочной ткани, тонической и гладкой мускулатуры, и т. п.

Футильные циклы . Менее известно, что в каждой клетке тела непрерывно происходят миллионы циклических биохимических реакций, в результате которых ничего не производится, но на их осуществление необходимо определенное количество энергии. Это так называемые футильные циклы, процессы, сохраняющие «боеспособность» клеточных структур при отсутствии реальной функциональной задачи. Как вращающийся волчок, футильные циклы придают стабильность клетке и всем ее структурам. Расход энергии на поддержание каждого из футильных циклов невелик, но их множество, и в итоге это выливается в достаточно заметную долю базальных энергозатрат.

Таблица 2.

Структура энергетических затрат организма

Энергозатраты
Базальный метаболизм Функция Рост и развитие (адаптация)
Внешняя работа +
Футильные циклы Минимальный уровень функций Репаративные процессы Гомеостаз (постоянство внутренней среды) Гомеоморфоз (постоянство формы) Гомеорез (постоянство развивающихся систем) Синтезы (анаболизм) Деструкция устаревших структур (катаболизм) Активация генома

Репаративные процессы . Многочисленные сложно организованные молекулы, участвующие в метаболических процессах, рано или поздно начинают повреждаться, теряя свои функциональные свойства или даже приобретая токсические. Необходимы непрерывные «ремонтно-восстановительные работы», убирающие из клетки поврежденные молекулы и синтезирующие на их месте новые, идентичные прежним. Такие репаративные процессы происходят постоянно в каждой клетке, так как время жизни любой белковой молекулы обычно не превышает 1–2 нед, а их в любой клетке сотни миллионов. Факторы внешней среды — неблагоприятная температура, повышенный радиационный фон, воздействия токсических веществ и многое другое — способны существенно укоротить жизнь сложных молекул и, как следствие, повысить напряжение репаративных процессов.

Минимальный уровень функционирования тканей многоклеточного организма . Функционирование клетки — это всегда некая внешняя работа. Для мышечной клетки это ее сокращение, для нервной клетки — выработка и проведение электрического импульса, для железистой клетки — выработка секрета и акт секретирования, для эпителиальной клетки — пиноцитоз или другая форма взаимодействия с окружающими ее тканями и биологическими жидкостями. Естественно, что любая работа не может осуществляться без затрат энергии на ее реализацию. Но любая работа, кроме того, приводит к изменению внутренней среды организма, так как продукты жизнедеятельности активной клетки могут быть небезразличны для других клеток и тканей. Поэтому второй эшелон энергозатрат при выполнении функции связан с активным поддержанием гомеостаза, на что порой расходуется весьма значительная часть энергии. Между тем не только состав внутренней среды меняется по ходу выполнения функциональных задач, нередко меняются и структуры, причем часто в сторону разрушения. Так, при сокращении скелетных мышц (даже небольшой интенсивности) всегда происходят разрывы мышечных волокон, т. е. нарушается целостность формы. Организм располагает специальными механизмами поддержания постоянства формы (гомеоморфоз), обеспечивающими скорейшее восстановление поврежденных или измененных структур, но на это опять же расходуется энергия. И, наконец, для развивающегося организма очень важно сохранить главные тенденции своего развития, независимо от того, какие функции приходится активировать в результате воздействия конкретных условий. Поддержание неизменности направления и каналов развития (гомеорез) — еще одна форма энергозатрат при активации функций.

Для развивающегося организма важной статьей энергозатрат является собственно рост и развитие. Впрочем, для любого, в том числе зрелого организма, не менее энергоемкими по объему и весьма близкими по существу являются процессы адаптивных перестроек. Здесь расходы энергии направлены на активацию генома, деструкцию устаревших структур (катаболизм) и синтезы (анаболизм).

Затраты на базальный метаболизм и затраты на рост и развитие с возрастом существенно снижаются, а затраты на осуществление функций становятся качественно иными. Поскольку методически крайне трудно разделить базальные энергозатраты и расход энергии на процессы роста и развития, их обычно рассматривают совместно под названием «основной обмен».

Возрастная динамика основного обмена . Со времен М. Рубнера (1861) хорошо известно, что у млекопитающих по мере возрастания массы тела интенсивность теплопродукции в расчете на единицу массы снижается; тогда как величина обмена, рассчитанная на единицу поверхности, остается постоянной («правило поверхности»). Удовлетворительного теоретического объяснения эти факты до сих пор не имеют, и поэтому для выражения связи между размерами тела и интенсивностью метаболизма пользуются эмпирическими формулами. Для млекопитающих, включая и человека, в настоящее время чаще всего пользуются формулой М. Клайбера:

М = 67,7·Р0.75ккал/сут,

где М — теплопродукция целого организма, а Р — масса тела.

Однако возрастные изменения основного обмена не всегда могут быть описаны с помощью этого уравнения. В течение первого года жизни теплопродукция не снижается, как это требовалось бы по уравнению Клайбера, а остается на одном уровне или даже несколько повышается. Лишь в годовалом возрасте достигается примерно та интенсивность обмена (55 ккал/кг·сут), которая «полагается» по уравнению Клайбера для организма массой 10 кг. Только с 3-летнего возраста интенсивность основного обмена начинает постепенно снижаться, а достигает уровня взрослого человека — 25 ккал/кг·сут — лишь к периоду половой зрелости.

Энергетическая стоимость процессов роста и развития . Нередко повышенную интенсивность основного обмена у детей связывают с затратами на рост. Однако точные измерения и расчеты, проведенные в последние годы, показали, что даже самые интенсивные ростовые процессы в первые 3 месяца жизни не требуют более 7–8 % от суточного потребления энергии, а после 12 месяцев они не превышают 1 %. Больше того, наивысший уровень энергозатрат организма ребенка отмечен в возрасте 1 года, когда скорость его роста становится в 10 раз ниже, чем в полугодовалом возрасте. Значительно более «энергоемкими» оказались те этапы онтогенеза, когда скорость роста снижается, а в органах и тканях происходят существенные качественные изменения, обусловленные процессами клеточных дифференцировок. Специальные исследования биохимиков показали, что в тканях, которые вступают в этап дифференцировочных процессов (например, в мозге), резко увеличивается содержание митохондрий, а следовательно, усиливается окислительный обмен и теплопродукция. Биологический смысл этого явления состоит в том, что в процессе клеточной дифференцировки образуются новые структуры, новые белки и другие крупные молекулы, которых раньше клетка производить не умела. Как и любое новое дело, это требует особых энергетических затрат, тогда как ростовые процессы — это налаженное «серийное производство» белковых и иных макромолекул в клетке.

В процессе дальнейшего индивидуального развития наблюдается снижение интенсивности основного обмена. При этом оказалось, что вклад различных органов в основной обмен с возрастом изменяется. Например, головной мозг (вносящий значительный вклад в основной обмен) у новорожденных составляет 12 % от массы тела, а у взрослого — только 2 %. Так же неравномерно растут и внутренние органы, которые, как и мозг, имеют даже в покое очень высокий уровень энергетического обмена — 300 ккал/кг·сут. В то же время мышечная ткань, относительное количество которой за время постнатального развития почти удваивается, характеризуется очень низким уровнем обмена в покое — 18 ккал/кг·сут. У взрослого на долю мозга приходится примерно 24 % основного обмена, на долю печени — 20 %, на долю сердца — 10 % и на скелетные мышцы — 28 %. У годовалого ребенка на долю мозга приходится 53 % основного обмена, вклад печени составляет около 18 %, а на долю скелетных мышц приходится только 8 %.

Обмен покоя у детей школьного возраста . Измерить основной обмен можно только в клинике: для этого требуются особые условия. А вот обмен покоя можно измерить у каждого человека: достаточно, чтобы он был в состоянии натощак и несколько десятков минут находился в мышечном покое. Обмен покоя немного выше, чем основной обмен, но эта разница не принципиальна. Динамика возрастных изменений обмена покоя не сводится к простому понижению интенсивности метаболизма. Периоды, характеризующиеся быстрым снижением интенсивности обмена, сменяются возрастными интервалами, в которых обмен покоя стабилизируется.

При этом обнаруживается тесная связь между характером изменения интенсивности метаболизма и скоростью роста (см. рис. 8 на с. 57). Столбиками на рисунке показаны относительные годовые приросты массы тела. Оказывается, чем больше относительная скорость роста, тем значительнее в этот период снижение интенсивности обмена покоя.

На представленном рисунке видна еще одна особенность — отчетливые половые различия: девочки в исследованном возрастном интервале примерно на год опережают мальчиков по изменению темпов роста и интенсивности обмена. При этом обнаруживается тесная связь между интенсивностью обмена покоя и темпами роста детей в период полуростового скачка — от 4 до 7 лет. В этот же период начинается смена молочных зубов на постоянные, что также может служить одним из показателей морфофункционального созревания.

В процессе дальнейшего развития снижение интенсивности основного обмена продолжается, причем теперь уже в тесной связи с процессами полового созревания. На начальных стадиях полового созревания интенсивность метаболизма у подростков примерно на 30 % выше, чем у взрослых. Резкое снижение показателя начинается на III стадии, когда активируются гонады, и продолжается вплоть до наступления половой зрелости. Как известно, пубертатный скачок роста также совпадает с достижением III стадии полового созревания, т. е. и в этом случае сохраняется закономерность снижения интенсивности метаболизма в периоды наиболее интенсивного роста.

Мальчики в своем развитии в этот период отстают от девочек примерно на 1 год. В строгом соответствии с этим фактом интенсивность обменных процессов у мальчиков всегда выше, чем у девочек того же календарного возраста. Различия эти невелики (5-10 %), но стабильны на протяжении всего периода полового созревания.

Терморегуляция

Терморегуляция, т. е. поддержание постоянной температуры ядра тела, определяется двумя основными процессами: продукцией тепла и теплоотдачей. Продукция тепла (термогенез) зависит, в первую очередь, от интенсивности обменных процессов, тогда как теплоотдача определяется теплоизоляцией и целым комплексом довольно сложно организованных физиологических механизмов, включающих сосудодвигательные реакции, активность внешнего дыхания и потоотделения. В связи с этим термогенез относят к механизмам химической терморегуляции, а способы изменения теплоотдачи — к механизмам физической терморегуляции. С возрастом меняются как те, так и другие механизмы, а также их значимость в поддержании стабильной температуры тела.

Возрастное развитие механизмов терморегуляции . Чисто физические законы приводят к тому, что по мере увеличения массы и абсолютных размеров тела вклад химической терморегуляции снижается. Так, у новорожденных детей величина терморегуляторной теплопродукции составляет примерно 0,5 ккал/кг·ч·град, а у взрослого человека — 0,15 ккал/кг·ч·град.

Новорожденный ребенок при понижении температуры среды может увеличить теплопродукцию почти до тех же величин, что и взрослый человек, — до 4 ккал/кг·ч. Однако ввиду малой теплоизоляции (0,15 град·м2·ч/ккал) диапазон химической терморегуляции у новорожденного ребенка очень небольшой — не более 5°. При этом следует учесть, что критическая температура (Th), при которой включается термогенез, составляет для доношенного ребенка +33 °C, ко взрослому состоянию она снижается до +27…+23 °C. Однако в одежде, теплоизоляция которой обычно составляет 2,5 КЛО, или 0,45 град·м2·ч/ккал, величина критической температуры Th снижается до +20 °C, поэтому ребенок в обычной для него одежде при комнатной температуре находится в термонейтральной среде, т. е. в условиях, не требующих дополнительных затрат на поддержание температуры тела.

Только при процедуре переодевания для предотвращения охлаждения ребенок первых месяцев жизни должен включать достаточно мощные механизмы теплопродукции. Причем у детей этого возраста имеются особые, специфические, отсутствующие у взрослых механизмы термогенеза. Взрослый человек в ответ на охлаждение начинает дрожать, включая так называемый «сократительный» термогенез, т. е. дополнительную теплопродукцию в скелетных мышцах (холодовая дрожь). Особенности конструкции тела ребенка делают такой механизм теплопродукции неэффективным, поэтому у детей активируется так называемый «несократительный» термогенез, локализованный не в скелетных мышцах, а совсем в других органах.

Это внутренние органы (прежде всего, печень) и специальная бурая жировая ткань, насыщенная митохондриями (от того и ее бурый цвет) и обладающая высокими энергетическими возможностями. Активацию теплопродукции бурого жира у здорового ребенка можно заметить по повышению кожной температуры в тех частях тела, где бурый жир расположен более поверхностно, — межлопаточная область и шея. По изменению температуры в этих областях можно судить о состоянии механизмов терморегуляции ребенка, о степени его закаленности. Так называемый «горячий затылок» ребенка первых месяцев жизни связан именно с активностью бурого жира.

В течение первого года жизни активность химической терморегуляции снижается. У ребенка 5–6 мес роль физической терморегуляции заметно возрастает. С возрастом основная масса бурого жира исчезает, но еще до 3-летнего возраста сохраняется реакция самой крупной части бурого жира — межлопаточной. Имеются сообщения, что у взрослых людей, работающих на Севере, на открытом воздухе, бурая жировая ткань продолжает активно функционировать.

В обычных условиях у ребенка старше 3 лет активность несократительного термогенеза ограничена, а главенствующую роль в повышении теплопродукции при активации химической терморегуляции начинает играть специфическая сократительная активность скелетных мышц — мышечный тонус и мышечная дрожь. Если такой ребенок оказывается в условиях обычной комнатной температуры (+20 °C) в трусах и майке, у него в 80 случаях из 100 активируется теплопродукция.

Усиление ростовых процессов в период полуростового скачка (5–6 лет) приводит к увеличению длины и площади поверхности конечностей, что обеспечивает регулируемый теплообмен организма с окружающей средой. Это в свою очередь приводит к тому, что начиная с 5,5–6 лет (особенно отчетливо у девочек) происходят значительные изменения терморегуляторной функции. Теплоизоляция тела возрастает, а активность химической терморегуляции существенно снижается. Такой способ регуляции температуры тела более экономичен, и именно он в ходе дальнейшего возрастного развития становится преобладающим. Этот период развития терморегуляции является сенситивным для проведения закаливающих процедур.

С началом полового созревания наступает следующий этап развития терморегуляции, проявляющийся в расстройстве складывавшейся функциональной системы. У 11-12-летних девочек и 13-летних мальчиков, несмотря на продолжающееся снижение интенсивности обмена покоя, соответствующей подстройки сосудистой регуляции не происходит. Лишь в юношеском возрасте после завершения полового созревания возможности терморегуляции достигают дефинитивного уровня развития. Повышение теплоизоляции тканей собственного тела позволяет обходиться без включения химической терморегуляции (т. е. добавочной теплопродукции) даже при снижении температуры среды на 10–15 °C. Такая реакция организма, естественно, более экономична и эффективна.

Питание

Все необходимые организму человека вещества, которые используются для производства энергии и строительства собственного тела, поступают из окружающей среды. По мере взросления ребенок к концу первого года жизни все в большей мере переходит на самостоятельное питание, а после 3 лет питание ребенка мало чем отличается от питания взрослого.

Структурные компоненты пищевых веществ. Пища человека бывает растительного и животного происхождения, но независимо от этого она состоит из одних и тех же классов органических соединений — белков, жиров и углеводов. Собственно, эти же классы соединений составляют в основном и тело самого человека. В то же время различия между животной и растительной пищей есть, и довольно важные.

Углеводы . Наиболее массовый компонент растительной пищи — это углеводы (чаще всего в виде крахмала), составляющие основу энергетического обеспечения человеческого организма. Для взрослого человека требуется получать углеводы, жиры и белки в соотношении 4:1:1. Поскольку у детей обменные процессы идут интенсивнее, причем главным образом — за счет метаболической активности мозга, который питается почти исключительно углеводами, дети должны получать больше углеводной пищи — в соотношении 5:1:1. В первые месяцы жизни ребенок не получает растительной пищи, зато в женском молоке относительно очень много углеводов: оно примерно такое же жирное, как коровье, содержит в 2 раза меньше белков, но зато в 2 раза больше углеводов. Соотношение углеводов, жиров и белков в женском молоке составляет примерно 5:2:1. Искусственные смеси для вскармливания детей первых месяцев жизни приготавливаются на основе разбавленного примерно вдвое коровьего молока с добавлением фруктозы, глюкозы и других углеводов.

Жиры . Растительная пища редко бывает богата жирами, однако содержащиеся в растительных жирах компоненты крайне необходимы для организма человека. В отличие от животных жиров, растительные содержат много так называемых полиненасыщенных жирных кислот. Это длинноцепочечные жирные кислоты, в структуре которых имеются двойные химические связи. Такие молекулы используются клетками человека для строительства клеточных мембран, в которых они выполняют стабилизирующую роль, защищая клетки от вторжения агрессивных молекул и свободных радикалов. Благодаря этому свойству растительные жиры обладают противораковой, антиоксидантной и противорадикальной активностью. Кроме того, в растительных жирах обычно растворено большое количество ценных витаминов группы А и Е. Еще одно достоинство растительных жиров — отсутствие в них холестерина, который способен откладываться в кровеносных сосудах человека и вызывать их склеротические изменения. Животные жиры, напротив, содержат значительное количество холестерина, но практически не несут в себе витаминов и полиненасыщенных жирных кислот. Тем не менее животные жиры также необходимы организму человека, поскольку они составляют важный компонент энергетического обеспечения, а кроме того, содержат липокинины, которые помогают организму усваивать и перерабатывать свой собственный жир.

Белки . Растительные и животные белки также существенно различаются по своему составу. Хотя все белки состоят из аминокислот, некоторые из этих важнейших «кирпичиков» могут синтезироваться клетками человеческого организма, а другие не могут. Этих последних немного, всего 4–5 видов, но их ничем нельзя заменить, поэтому они называются незаменимыми аминокислотами. Растительная пища почти не содержит незаменимых аминокислот — только бобовые и соевые культуры имеют в своем составе небольшое их количество. Между тем в мясе, рыбе и других продуктах животного происхождения эти вещества представлены широко. Нехватка некоторых незаменимых аминокислот резко отрицательно сказывается на динамике ростовых процессов и на развитии многих функций, причем наиболее существенно на развитии мозга и интеллекта ребенка. По этой причине дети, длительно страдающие от недоедания в раннем возрасте, нередко остаются на всю жизнь умственно неполноценными. Вот почему детей ни в коем случае нельзя ограничивать в употреблении животной пищи: как минимум, молока и яиц, а также рыбы. По-видимому, с этим же обстоятельством связано то, что дети до 7 лет, согласно христианским традициям, не должны соблюдать пост, т. е. отказываться от животной пищи.

Макро- и микроэлементы . В пищевых продуктах содержатся почти все известные науке химические элементы, за исключением, быть может, радиоактивных и тяжелых металлов, а также инертных газов. Некоторые элементы, такие, как углерод, водород, азот, кислород, фосфор, кальций, калий, натрий и некоторые другие, входят в состав всех пищевых продуктов и поступают в организм в очень большом количестве (десятки и сотни граммов в сутки). Такие вещества принято относить к макроэлементам. Другие содержатся в пище в микроскопических дозах, поэтому их называют микроэлементами. Это йод, фтор, медь, кобальт, серебро и многие другие элементы. К микроэлементам нередко относят железо, хотя его количество в организме довольно велико, так как железо играет ключевую роль в переносе кислорода внутри организма. Недостаток любого из микроэлементов может стать причиной серьезного заболевания. Нехватка йода, например, ведет к развитию тяжелого заболевания щитовидной железы (так называемый зоб). Нехватка железа приводит к железодефицитной анемии — форме малокровия, которая отрицательно сказывается на работоспособности, темпах роста и развития ребенка. Во всех подобных случаях необходима коррекция питания, включение в рацион продуктов, содержащих недостающие элементы. Так, йод содержится в большом количестве в морской капусте — ламинарии, кроме того, в магазинах продается йодированная поваренная соль. Железо содержится в говяжьей печени, яблоках и некоторых других фруктах, а также в детских ирисках «Гематоген», продающихся в аптеках.

Витамины, авитаминоз, болезни обмена веществ . Витамины — это средние по размеру и сложности органические молекулы, которые обычно не вырабатываются клетками организма человека. Мы вынуждены получать витамины с пищей, так как они необходимы для работы многих ферментов, регулирующих биохимические процессы в организме. Витамины — очень нестойкие вещества, поэтому приготовление пищи на огне почти полностью уничтожает содержавшиеся там витамины. Только сырые продукты содержат витамины в заметном количестве, поэтому главным источником витаминов для нас являются овощи и фрукты. Хищные звери, а также коренные жители Севера, питающиеся почти исключительно мясом и рыбой, получают достаточное количество витаминов из сырых продуктов животного происхождения. В жареном и вареном мясе и рыбе витаминов практически нет.

Нехватка витаминов проявляется в различных болезнях обмена веществ, которые объединяются под названием авитаминозы. Витаминов сейчас открыто уже около 50, и каждый из них отвечает за свой «участок» обменных процессов, соответственно и болезней, вызванных авитаминозом, насчитывается несколько десятков. Цинга, бери-бери, пеллагра и другие болезни этого рода широко известны.

Витамины делятся на две большие группы: жирорастворимые и водорастворимые. Водорастворимые витамины в большом количестве содержатся в овощах и фруктах, а жирорастворимые — чаще в семенах и орехах. Оливковое, подсолнечное, кукурузное и другие растительные масла — важные источники многих жирорастворимых витаминов. Однако витамин D (противорахитный) содержится преимущественно в рыбьем жире, который добывают из печени трески и некоторых других морских рыб.

В средних и северных широтах к весне в сохранившейся с осени растительной пище количество витаминов резко убывает, и многие люди — жители северных стран — испытывают авитаминоз. Преодолевать это состояние помогают соленые и квашеные продукты (капуста, огурцы и некоторые другие), в которых высоко содержание многих витаминов. Кроме того, витамины вырабатываются микрофлорой кишечника, поэтому при нормальном пищеварении человек снабжается многими важнейшими витаминами группы В в достаточном количестве. У детей первого года жизни микрофлора кишечника еще не сформирована, поэтому они должны получать в качестве источников витаминов достаточное количество материнского молока, а также фруктовых и овощных соков.

Суточная потребность в энергии, белках, витаминах. Количество съедаемой за день пищи напрямую зависит от скорости обменных процессов, поскольку пища должна полностью компенсировать потраченную на все функции энергию (рис. 13). Хотя интенсивность обменных процессов с возрастом у детей старше 1 года снижается, увеличение массы их тела приводит к нарастанию суммарных (валовых) энергозатрат. Соответственно увеличивается и потребность в основных питательных веществах. Ниже приведены справочные таблицы (табл. 3–6), показывающие примерные цифры нормального суточного потребления питательных веществ, витаминов и важнейших минеральных веществ детьми. Следует подчеркнуть, что в таблицах дана масса чистых веществ без учета входящей в любую пищу воды, а также органических веществ, не относящихся к белкам, жирам и углеводам (например, целлюлозы, составляющей основную массу овощей).

Рис. 13. Структура суточных энергозатрат взрослого и ребенка (от знака ۷ по часовой стрелке)

Таблица 3

Потребность в белках, жирах и углеводах детей и подростков (в г/сут)

Возраст, годы Белки Жиры Углеводы
Всего Животные Всего Животные
0,5–1 25 20-25 25 - 113
1-1,5 48 36 48 - 160
1,5–2 53 40 53 5 192
3-4 63 44 63 8 233
5-6 72 47 72 11 252
7-10 80 48 80 15 324
11-13 96 58 96 18 382
14-17 мальчики 106 64 106 20 422
14-17 девочки 93 56 93 20 367

Примечание. Сюда не включены белки, жиры и углеводы, получаемые детьми из материнского молока.

Таблица 4

Потребность детей и подростков в витаминах (в мг/сут)

Возраст, годы А В 1 В 2 РР В 6 С
0,5–1 0,5 0,5 0,6 6,0 0,5 20,0
1-1,5 1,0 0,8 1,1 9,0 0,9 35,0
1,5–2 1,0 0,9 1,2 10,0 1,0 40,0
3-4 1,0 1,1 1,4 12,0 1,3 45,0
5-6 1,0 1,2 1,6 13,0 1,4 50,0
7-10 1,5 1,4 1,9 15,0 1,7 50,0
11-13 1,5 1,7 2,3 19,0 2,0 60,0
14-17 мальчики 1,5 1,9 2,5 21,0 2,2 80,0
14-17 девочки 1,5 1,7 2,2 18,0 1,9 70,0

Таблица 5

Потребность детей и подростков в некоторых минеральных веществах (в мг/сут)

Возраст, годы Кальций Фосфор Магний Железо
До 1 года 1000 1500 - 7
1-3 1000 1500 140 8
4-6 1000 1500 220 8
7-10 1200 2000 360 10
11-13 1500 2500 400 15
14-17 1400 2000 530 15

Таблица 6

Потребность в витаминах, их роль и последствия недостаточного потребления (по В.Б. Спиричеву, 2000)

Витамин (в сутки) Рекомендуемые суточные нормы потребления Роль в организме Последствия и проявления недостаточного потребления
Возрастная группа Количество
C Аскорбиновая кислота, мг Младенцы 30-40 Поддерживает в здоровом состоянии кровеносные сосуды, кожу и костную ткань; стимулирует защитные силы организма, укрепляет иммунную систему; способствует обезвреживанию и выведению чужеродных веществ и ядов, улучшает усвоение железа Быстрая утомляемость, сниженный иммунитет, хрупкость кровеносных сосудов (частые синяки, кровоточивость десен), плохое заживление ран, нарушение усвоения железа, в тяжелых случаях — цинга
Дети 45-60
Подростки 70
Взрослые 70-80
Беременные и кормящие 90-120
Пожилые 80
A Ретинол, мг Младенцы 0,4 Обеспечивает восприятие света глазом. Необходим для нормального развития и поддержания в здоровом состоянии слизистых оболочек органов дыхания, желудочно-кишечного тракта, выделительных и половых органов. Поддерживает активность иммунитета Снижение остроты зрения, особенно в сумерках; истончение, сухость, шелушение кожи; сухость внутренних покровов влагалища; угревая сыпь, фурункулез; нарушение структуры и роста волос; сниженный иммунитет, склонность к бронхолегочным и простудным заболеваниям; нарушение репродуктивной функции яичников; изменения роговицы глаза, в тяжелых случаях — слепота
Дети 0,5–0,7
Подростки 0,8–1,0
Взрослые 0,8–1,0
Беременные и кормящие 1,0–1,4
Пожилые 0,8–1,0
D Кальциферол, мкг Младенцы 10 Необходим для усвоения кальция и фосфора, роста и развития костей и зубов Повышенная нервная возбудимость, склонность к судорогам, особенно икроножной мышцы. Нарушение роста и сохранности костей и зубов. Склонность к переломам костей, их медленное срастание. Рахит в детском возрасте. Боли в костях и переломы шейки бедра в пожилом возрасте
Дети 10-2,5
Подростки 2,5
Взрослые 2,5
Беременные и кормящие 10
Пожилые 2,5
Е Токоферол, мг Младенцы 3-4 Защищает клетки и ткани от повреждающего действия активных форм кислорода, предотвращает разрушительное действие физического и эмоционального напряжения (стресса) Повышенная склонность к разрушению красных кровяных телец крови; анемия (малокровие); мышечная слабость; бесплодие
Дети 5-10
Подростки 10-15
Взрослые 8-10
Беременные и кормящие 10-14
Пожилые 12-15
К Филлохинон, мкг Младенцы 5-10 Участвует в свертывании крови и обмене веществ костной ткани Ухудшение свертываемости крови; склонность к кровотечениям, в т. ч. обильным
Дети 15-30
Подростки 45-65
Взрослые 60-80
Беременные и кормящие 65
Пожилые 65-80
В 1 Тиамин, мкг Младенцы 0,3–0,5 Участвует в обмене углеводов и обеспечении энергией нервной и мышечной систем, а также других органов и тканей Ухудшение аппетита и сна, повышенная раздражительность, быстрая утомляемость, мышечная слабость, нарушения работы сердца, отеки
Дети 0,8–1,2
Подростки 1,3–1,5
Взрослые 1,1–2,1
Беременные и кормящие 1,5–2,1
Пожилые 1,1–1,4
В 2 Рибофлавин, мг Младенцы 0,4–0,6 Участвует в обмене жиров и обеспечении организма энергией. Важен для восприятия различных цветов в процессе зрения Трещины на губах и в углах рта; воспалительные изменения кожи (дерматит); малокровие (анемия); светобоязнь, нарушение восприятия различных цветов
Дети 1,9–1,4
Подростки 1,5–1,7
Взрослые 1,5–2,4
Беременные и кормящие 1,6–2,3
Пожилые 1,3–1,6
В 6 Пиридоксин, мг Младенцы 0,5 Участвует в обмене белка, аминокислот и серы, процессах кроветворения. Важен для деятельности нервной системы, состояния кожных покровов, волос, ногтей, костной ткани Потеря аппетита, раздражительность, нервные срывы, депрессивные состояния; изменения слизистой оболочки языка, кожи, повышенная склонность к кариесу; ухудшение кроветворения, малокровие; предрасположенность к судорогам, склеротическим изменениям сосудов
Дети 1,5
Подростки 2,0
Взрослые 2,1
Беременные и кормящие 2,5
Пожилые 1,8
РР Ниацин, мг Младенцы 5-7 Участвует в обмене углеводов и обеспечении организма энергией. Важен для нервной, мышечной системы, состояния кожных покровов, желудочно-кишечного тракта Вялость, апатия, потеря аппетита, сна, повышенная раздражительность, нервозность, быстрая утомляемость, расстройства стула, бледность и сухость кожи, воспалительные изменения кожи под действием света (фотодерматозы), сердцебиение, головокружение, истощение организма, болезненная потеря веса, психические расстройства
Дети 10-15
Подростки 17-20
Взрослые 14-28
Беременные и кормящие 16-25
Пожилые 13-18
Фолиевая кислота, мг Младенцы 40-60 Необходима для деления клеток, роста и развития всех органов и тканей, нормального развития зародыша и плода, процессов кроветворения Слабость, быстрая утомляемость, малокровие; нарушение работы желудочно-кишечного тракта, расстройство стула; во время беременности невынашивание, врожденные нарушения развития и уродства новорожденных
Дети 100-200
Подростки 200
Взрослые 200
Беременные и кормящие 400
Пожилые 200
В 12 Кобаламин, мкг Младенцы 0,3–0,5 Необходим для кроветворения и нормального развития нервных волокон Слабость, быстрая утомляемость, головокружение, сердцебиение, малокровие, дегенеративные изменения нервной системы
Дети 1-2
Подростки 3
Взрослые 3
Беременные и кормящие 4
Пожилые 3
Пантотеновая кислота, мг Младенцы 2-3 Участвует в обмене жиров и углеводов, образовании половых гормонов, в т. ч. эстрогенов Жжение в стопах, упадок сил, усталость, шелушение кожи, поседение и выпадение волос, желудочно-кишечные расстройства
Дети 3-4
Подростки 4-5
Взрослые 4-7
Беременные и кормящие 4-7
Пожилые 4-7
Биотин, мкг Младенцы 10-15 Участвует в обмене углеводов и жиров Бледность и шелушение кожи, вялость, сонливость, тошнота, потеря аппетита, выпадение волос, боли в мышцах
Дети 20-25
Подростки 30-100
Взрослые 30-100
Беременные и кормящие 30-100
Пожилые 30-100

Примечание. Младенцы — возраст 0-12 мес; дети — от 1 до 10 лет; подростки — 11–17 лет; взрослые — 18–60 лет; пожилые — старше 60 лет.

Избыточное количество витаминов и минеральных веществ, поступивших с пищей, обычно не приносит вреда, так как эти вещества легко удаляются из организма с испражнениями. Однако регулярное чрезмерное употребление некоторых витаминов и минералов может привести к развитию обменных заболеваний.

Энергетическая ценность продуктов питания. Окисление в организме 1 г белка позволяет высвободить 17,17 кДж (4,1 ккал) энергии, 1 г жира — 38,94 кДж (9,3 ккал), 1 г углеводов — 17,17 кДж (4,1 ккал). Как видно из этого сопоставления, жиры обладают наибольшей энергетической ценностью: она примерно в два раза выше, чем у белков и углеводов. Однако это сугубо термодинамический расчет, не учитывающий реалий биосистемы. С точки зрения функции, наиболее эффективным обычно является использование углеводов. Дело в том, что при окислении жиров в митохондриях значительная часть энергии рассеивается в виде тепла, тогда как окисление углеводов позволяет получать АТФ с очень высоким КПД. По этой причине жиры активно окисляются в организме только в двух случаях: 1) когда холодно и нужно произвести добавочное количество тепла, чтобы согреться; 2) когда выполняется очень длительная (десятки минут) физическая работа весьма умеренной мощности. Что касается окисления белков для энергетических нужд, то это вообще нерационально с точки зрения клетки. Гораздо выгоднее использовать аминокислоты, из которых состоят белки, не в качестве топлива, а в качестве строительных блоков. Белки используются клеткой для окисления только в крайнем случае, когда не хватает углеводов и жиров или когда необходимо уничтожить «поломанные» белковые молекулы, ставшие опасными из-за своей токсичности.

Условность расчетов калорической «стоимости» диеты. Примитивно-термодинамический подход к оценке калорийности (энергетической ценности) съедаемой пищи, к сожалению, наиболее обычен в литературе, касающейся вопросов питания. Существуют даже разнообразные табличные, карманные и иные «счетчики калорий», которые якобы позволяют человеку контролировать потребление пищи. На самом деле все такие расчеты не слишком точны, поскольку исходят из представления об организме человека как о тепловой машине. Между тем уже давно доказано, что организм во много раз более эффективен, чем тепловая машина. Кроме того, организм — это весьма тонко регулирующаяся система со множеством обратных связей, и примитивные расчеты здесь часто оказываются ошибочными.

В качестве наглядного примера можно рассмотреть хорошо известный физиологам, но обычно не учитываемый диетологами эффект, который старомодно называется «специфически-динамическое действие пищи». Еще в начале XX в. было установлено, что любая съеденная пища приводит к более или менее значительному увеличению энергопродукции, которое наблюдается через 30–60 мин после приема пищи и может длиться несколько часов. Организм нуждается в затратах энергии на усвоение пищи, причем наиболее «дорогостоящим» оказалось усвоение белков, менее «дорогим» — усвоение углеводов, и самым «дешевым» — жиров. Оказалось также, что дети тратят на усвоение питательных веществ существенно больше энергии, чем взрослые, — иногда до 50 % от полученного с пищей запаса энергии. Эти затраты энергии снижаются, если пища состоит из смеси белков, жиров и углеводов. Точная причина специфически динамического действия пищи до сих пор не выяснена, хотя установлено, что в этой реакции участвуют гормоны, выделяемые «сытым» желудком. Наиболее вероятной представляется гипотеза, согласно которой поступившие с пищей питательные вещества откладываются «про запас» в имеющиеся для этого депо: жир — в жировой ткани, белки — в мышцах, углеводы — в мышцах и печени (в виде гликогена). Если же имеющиеся депо заполнены, то избыток пищевых веществ просто «сжигается».

Пищеварение

Чтобы стать доступными для метаболических превращений в клетках, пищевые вещества должны пройти предварительную обработку в желудочно-кишечном тракте. Только всосавшись в кровь и лимфу из кишечника, белки, жиры, углеводы, витамины, минеральные соли и вода включаются в обмен веществ. Все эти процессы составляют главную функцию пищеварительной системы.

Возрастные изменения строения и функций пищеварительной системы неразрывно связаны с особенностями жизнедеятельности организма на каждом из этапов онтогенеза, т. е. с энергетическими и пластическими потребностями, с особенностями питания.

Ротовая полость . Пищеварение начинается с полости рта, где происходит первичная механическая и ферментативная обработка пищи. Первые ферменты, с которыми встречается пища, содержатся в слюне. Секреция слюны у ребенка начинается сразу после рождения, хотя при питании молоком нет необходимости смачивать пищу и гидролизировать отсутствующие в молоке полисахариды. Слюна в этот период играет роль герметизатора ротовой полости при сосании — иначе ребенок заглатывал бы большие количества воздуха, которые раздували бы его желудок и кишечник. С переходом на питание твердой пищей количество образующейся слюны увеличивается. Масса трех пар слюнных желез новорожденного составляет 6 г. В течение первых 6 месяцев жизни она увеличивается в 3 раза и почти в 5 раз в течение первых 2 лет.

После окончания периода молозивного вскармливания в слюне появляется лизоцим, который до того поступал в организм новорожденного с молоком матери. Таким образом, иммунологическая, защитная функция слюны формируется уже в раннем постнатальном онтогенезе. Следует отметить, что, будучи «входными воротами» для множества инфекций, ротоглоточная область обильно снабжена лимфоидной тканью. Так, две небные миндалевидные железы — язычная и носоглоточная — образуют почти полное кольцо лимфоидной ткани, окружающей глотку. Наибольшего развития эти железы достигают в период от 1 года до 5–6 лет, после чего постепенно инволюируют.

Новорожденный секретирует 0,6–6 мл слюны в час, при сосании это количество может возрастать до 24 мл/ч. Секреция слюны у детей школьного возраста колеблется от 12 до 18 мл/ч, причем уже у 7-летних детей количество вырабатываемой слюны практически такое же, как у взрослых. У детей до 7-10 лет слюна имеет слабощелочную реакцию. После начала полового созревания слюна становится слабокислой.

Слюна состоит более чем на 99 % из воды, в которой растворены органические и неорганические вещества. Органические вещества составляют более половины сухого остатка слюны, среди них удается выявить девять белковых компонентов, в том числе альбумины, иммуноактивные альфа-, бета- и гамма-глобулины, а также ферменты лизоцим и амилазу. Лизоцим — это защитный белок, уничтожающий болезнетворные бактерии. Амилаза — пищеварительный фермент, расщепляющий гигантские полимерные цепи молекул крахмала на более мелкие фрагменты, состоящие из коротких цепочек по 1-2-3 мономера глюкозы.

Активность амилазы слюны резко возрастает в течение 1-го года жизни, достигая практически тех же значений у годовалого ребенка, что и у взрослого. Наибольшее содержание амилазы в слюне наблюдается в возрасте от 2 до 7 лет, после 13 лет оно заметно снижается. Такая динамика не случайна. Дети раннего возраста могут усваивать большое количество углеводов, которые необходимы для питания их интенсивно развивающегося мозга.

Желудок . Желудок среднего новорожденного весит 6 г, а площадь его внутренней поверхности составляет примерно 39 см2. По мере увеличения размеров тела абсолютная масса и поверхность слизистой желудка постепенно возрастают. Относительная масса желудка (в % от массы тела) постепенно увеличивается на протяжении первого года жизни ребенка, затем происходит резкое увеличение в связи с переходом на смешанное питание. В целом увеличение относительных размеров желудка продолжается до 5–7 лет, т. е. до полуростового скачка. У взрослого человека относительная величина массы желудка оказывается несколько ниже, чем у детей, ведь ему уже не нужно так много пищи для обеспечения его энергетических и пластических потребностей. Вес желудка взрослого человека составляет свыше 150 г, а площадь слизистой — более 500 см2.

Рис. 14. Упрощенная схема строения женской груди. Видны дольки, где секретируется молоко, а также протоки и синусы по которым молоко направляется к соску

Секреторная функция желудка. Вырабатываемый железами желудка пищеварительный сок содержит ферменты пепсин и трипсин, которые расщепляют молекулы белков пищи на составные части — аминокислоты. В дальнейшем аминокислоты всасываются в кровь и поступают к клеткам тела с током крови. Для того чтобы пепсин и трипсин проявляли высокую активность, необходима кислая среда. Поэтому специальные клетки желудка вырабатывают соляную кислоту. Еще одна группа клеток вырабатывает слизь, которой покрыта вся слизистая желудка, чтобы его не могли разъесть собственные ферменты и кислота.

У новорожденных натощак кислотность желудочного сока очень низкая. Однако через несколько минут после кормления железы желудка начинают активно вырабатывать свой секрет, в том числе — соляную кислоту, и рН быстро снижается. Переваривание молочного белка казеина происходит в желудке новорожденного весьма эффективно. Фермент химозин обеспечивает створаживание молока, попавшего в желудок. Другой фермент — липаза — способствует перевариванию жиров, содержащихся в женском молоке. Кроме того, некоторое количество липазы содержится в самом женском молоке, вырабатываемом грудной железой матери (рис. 14), что еще более облегчает задачу усвоения жиров грудным младенцем. В коровьем молоке липаза практически отсутствует, поэтому при искусственном вскармливании смесями на основе коровьего молока жиры усваиваются значительно медленнее и хуже.

Кислотность желудочного сока у детей до завершения полового созревания понижена по сравнению со взрослыми. Это может служить причиной несколько сниженной резистентности (сопротивляемости) детей к различного рода желудочно-кишечным инфекциям.

Наиболее существенные возрастные изменения в секреции желудочного сока происходят до 7 лет, однако на этом процесс развития пищеварительной функции не заканчивается. Лишь после достижения половой зрелости завершается формирование морфофункциональных свойств пищеварительной системы. В подростковом возрасте формируется тип желудочной секреции, тесно связанный с типом конституции. В этом же возрасте нередко начинают проявляться разнообразные отклонения от нормы в деятельности желудочно-кишечного тракта, среди которых типичны повышенная и пониженная секреторная активность желудка.

Активность ферментов желудочного сока. Основная функция желудка — начальный гидролиз белков — осуществляется двумя желудочными ферментами: пепсином и гастриксином. Максимальная активность пепсина проявляется при рН 1,5–2,5. Оптимум активности гастриксина соответствует рН 3,0–3,2.

Активность желудочного сока новорожденных детей низкая. По мере развития активность желудочного сока изменяется в соответствии с характером вскармливания, увеличиваясь по мере уменьшения доли грудного молока в пищевом рационе ребенка и перевода его на искусственное питание.

В период грудного вскармливания пищеварение у детей протекает главным образом не в полости желудка, а прямо на поверхности выстилающих его клеток (так называемое «мембранное пищеварение»). Огромное количество специальных выростов — микроскопических ворсинок — обеспечивает быстрое переваривание и очень полное всасывание пищи. При переводе детей на смешанное вскармливание роль полостного гидролиза постепенно увеличивается.

Дальнейшее развитие секреторной активности желудка протекает весьма медленно и в большой мере зависит от характера питания, т. е. от режима, этнических и семейных традиций. Различия между мальчиками и девочками начинают проявляться в возрасте около 8 лет, причем у мальчиков в 10, а у девочек в 9 лет наблюдается напряжение желудочного пищеварения, и этот возраст является переломным моментом в становлении желудочной секреции. У подростков 13–14 лет активность желудочных ферментов резко падает. Причины этого явления не вполне ясны, хотя очевидно, что здесь сказывается влияние процессов полового созревания. К 16–17 годам секреция желудочных желез и активность ферментов подростка достигают уровня взрослого человека. Следует отметить, что уже в детском и подростковом возрасте повышенная и пониженная кислотность желудочного сока становятся весьма распространенным явлением: только 1/3 детей обладают нормальной кислотностью. Это говорит о наличии устойчивых типов желудочной секреции уже в детском возрасте, что необходимо учитывать при организации режима питания детей. Здесь следует проявлять больше гибкости и согласовывать действия взрослых (родителей и воспитателей) с запросами самого ребенка.

Моторная функция желудка. Важной составной частью функции желудочно-кишечного тракта является его способность продвигать пищевой комок в направлении от ротового к анальному отверстию. Эвакуация переваренной пищи из желудка необходима как для дальнейшей ее обработки ферментами и всасывания питательных веществ, так и для освобождения желудка в ожидании следующей порции пищи. Первые автоматические движения кишечника у эмбрионов человека отмечаются уже на 7-й неделе внутриутробного развития. Для изучения моторной функции желудка используется наружная электрогастрография, позволяющая записывать биотоки желудка с поверхности тела.

У доношенных новорожденных регистрируется низкая амплитуда электрогастрограммы. На первом году жизни величина потенциалов электрогастрограммы существенно нарастает, достигая максимальных значений у детей 1–3 лет, затем в возрасте от 3 до 7 лет снижается и остается стабильной у детей старше 7 лет. Частота перистальтических сокращений у новорожденных детей также оказывается наименьшей, затем нарастает в течение первых 3 лет жизни и стабилизируется уже с 3-летнего возраста.

Относительная гиперкинезия желудочно-кишечного тракта у детей от 1 года до 3 лет, т. е. в период перехода на смешанное и дефинитивное питание, может иметь важное функциональное значение. Активные сокращения желудка могут способствовать механической обработке пищи. Перемешивание улучшает условия всасывания, а также активизирует процессы пристеночного пищеварения, которое в этом возрасте играет еще очень важную роль.

Нейрогуморальная регуляция пищеварения . Моторная функция желудочно-кишечного тракта регулируется в основном нервными влияниями, причем существенную роль в этом играет мозжечок. Возбуждающие и тормозящие импульсы от мозжечка передаются по блуждающим и чревным нервам. В раннем онтогенезе постепенно усиливаются тормозные влияния нервных центров, а пороги раздражения снижаются. Иными словами, моторная функция желудочно-кишечного тракта по мере развития испытывает все большее влияние центральных контролирующих структур.

Управление процессами желудочного пищеварения осуществляется сложным механизмом нейрогуморальной регуляции. Большое значение придается гормону пищеварения — гастрину, который секретируется особыми клетками слизистой оболочки желудка и верхних отделов тонкого кишечника. Секреция гастрина возбуждается ингредиентами пищи, щелочами, механическим растяжением выходного отдела желудка, холинэргической нервной импульсацией, а тормозится соляной кислотой. Последнее обстоятельство имеет важное значение для саморегуляции желудочного кислотовыделения. Гастрин регулирует кислотность желудочного сока, стимулирует секрецию пепсина, а также деятельность поджелудочной железы. Содержание гастрина в крови у детей намного больше, чем у взрослых, причем сильнее всего снижение выделения гормона происходит уже в подростковом возрасте. Это связано с возрастным увеличением чувствительности тканей к гастрину, поэтому его требуется меньше для достижения того же эффекта.

Поджелудочная железа . В период до 8 лет поджелудочная железа у детей имеет относительно более крупные размеры, чем у взрослых. Возможно, это связано с относительно высокой потребностью детей в углеводах и толерантностью к ним, ведь гормон поджелудочной железы инсулин определяет способность всех клеток тела усваивать глюкозу из крови. Однако в качестве пищеварительной железы поджелудочная синтезирует многокомпонентный панкреатический сок, поступающий по специальному протоку в двенадцатиперстную кишку, т. е. в самый верхний отдел кишечника.

Около 72 % от общего количества белков панкреатического сока составляют протеолитические ферменты, т. е. ферменты, предназначенные для переваривания белков. Протеолитическая активность секрета поджелудочной железы уже в первые месяцы жизни ребенка находится на довольно высоком уровне, который постепенно еще увеличивается, достигая максимума в 4–6 лет. Липолитическая активность (способность переваривать жиры) также увеличивается к концу первого года жизни и остается высокой до 9-летнего возраста. Амилолитическая активность (способность переваривать углеводы) от рождения до годовалого возраста увеличивается в 3–4 раза, а максимальных значений достигает в возрасте 6–9 лет. Активность панкреатических ферментов при рождении и их дальнейшая динамика сильно зависят от условий существования организма и имеют адаптивный характер.

Печень — центральный орган межуточного метаболизма и продуцент важного пищеварительного сока — желчи. Относительная величина массы печени постепенно снижается с возрастом. Это снижение является одним из факторов возрастного снижения интенсивности энергетического обмена, поскольку интенсивность окислительного обмена в печени выше, чем во всех других тканях организма.

Пищеварительная функция печени состоит в выработке желчи — комплекса ферментов, предназначенного для эмульгирования жиров, входящих в состав пищи. Только после того, как жиры превратятся в эмульсию — некое подобие раствора, на них может подействовать фермент липаза, который должен расщепить молекулу жира на глицерин и жирные кислоты. Всасывание нерасщепленных молекул жира в кровь или лимфу невозможно.

Для каждого акта пищеварения требуется довольно значительное количество желчи. Она вырабатывается непрерывно, но не поступает сразу в двенадцатиперстную кишку, а собирается вначале в желчном пузыре, который анатомически входит в состав печени. Выброс накопившейся там желчи зависит от характера пищи и происходит после того, как пищевой комок достиг начального отдела тонкого кишечника. Емкость желчного пузыря ребенка в возрасте до 3 мес равна 3,2 см3, в 1–2 года — 8,5 см3, в 6–9 лет — 33,6 см3, у взрослых — 50–65 см3. С возрастом увеличивается способность желчного пузыря концентрировать желчь. Это, отчасти, связано и с тем, что скорость опорожнения пузыря в детском возрасте выше.

Печень ребенка выделяет желчь с самого первого дня после рождения. Следует учесть, что пища ребенка этого возраста на 100 % состоит из высокодиспергированного продукта — молока, содержащего эмульгированный жир. У здорового взрослого человека в сутки выделяется от 500 до 1200 мл желчи, т. е. 10–11 мл/кг массы тела. У подростков объем выделяемой желчи мало отличается от взрослых.

Кишечное пищеварение . В тонком кишечнике продолжается процесс переваривания пищи, причем здесь же и происходит всасывание многих продуктов гидролиза белков, жиров и углеводов. Этому способствует анатомическое устройство кишечника (рис. 15). У взрослого человека внутренняя поверхность кишки имеет многочисленные складки и достигает 0,7 м2. При этом на каждом квадратном сантиметре поверхности находится 2–3 тыс. ворсинок, которые увеличивают площадь поверхности до 4–5 м2, что в 2–3 раза превышает поверхность тела человека. Каждая из ворсинок покрыта еще множеством микроворсинок, что многократно увеличивает общую поверхность всасывания. С возрастом существенно изменяется анатомическая длина тонкого и толстого кишечника, а также относительные величины этих показателей. Наиболее интересны изменения длины кишечника по отношению к длине туловища: максимальная величина этого показателя регистрируется у детей 1–4 лет, т. е. в период перехода на смешанное и взрослое питание. В этот же возрастной период у детей наиболее развито пристеночное пищеварение, для которого важна площадь внутренней поверхности тонкой кишки. Относительная длина толстого кишечника в отличие от таковой тонкого кишечника продолжает увеличиваться у детей вплоть до достижения ими взрослости, что, вероятно, связано с увеличением грубых, трудно перевариваемых видов пищи в рационе человека с возрастом.

Рис. 15. Морфология слизистой оболочки кишечника

Возрастные особенности пищеварительной функции кишечника человека изучены мало, что связано с очевидными трудностями методического характера. Тем не менее многочисленные исследования, проведенные на высших животных, позволяют представить себе общую картину онтогенеза кишечного пищеварения.

В раннем постнатальном онтогенезе млекопитающих, когда единственной пищей является материнское молоко, секреция основных ферментов, обеспечивающих пищеварение в желудке и кишечнике, находится на очень низком уровне. Естественно, это ограничивает возможности полостного пищеварения. По мнению академика А.М. Уголева, для усвоения молока в этот период вполне достаточно пристеночного пищеварения. При переходе от молочного питания к дефинитивному меняется не только набор ферментов, но и их распределение вдоль кишечной трубки. На фоне смешанного питания формируются новые взаимоотношения между полостным и пристеночным пищеварением, которые, по-видимому, могут меняться в зависимости от характера пищи. В онтогенезе человека соответствующие изменения происходят в течение первых 6-12 мес в после рождения.

Процессы возрастного развития всасывательной функции кишечника слабо изучены. Известно, что как сахара, так и аминокислоты способны транспортироваться через кишечную мембрану уже у плодов, у новорожденных эта способность быстро нарастает, достигая высоких значений через несколько дней после рождения. Липиды всасываются в слизистой кишечника в раннем постнатальном периоде сильнее, чем у взрослых. Также более интенсивно в раннем возрасте происходит всасывание некоторых витаминов (например, В12). Физиологический смысл этих особенностей кишечного пищеварения в раннем возрасте очевиден.

В толстом кишечнике всасывается главным образом вода, и формируются каловые массы. Однако в ограниченном количестве здесь может всасываться глюкоза. Иногда этим пользуются в лечебных целях (клизмы). Разнообразные расстройства кишечника, вызванные кишечными бактериями или вирусами, резко снижают проницаемость толстого кишечника для воды, и в результате образуются жидкие испражнения. В некоторых случаях (дизентерия, холера) это может приводить к тяжелому обезвоживанию организма и опасно для жизни.

Для детей характерна повышенная проницаемость кишечной стенки. Из-за этого иногда в кровь попадают нерасщепленные белковые молекулы, которые могут вызывать иммунный ответ организма. Отсюда частое проявление кожных аллергических реакций и разного рода токсикозов у детей до 7–8 лет в ответ на поступление в организм тех или иных видов пищи. В частности, детям раннего возраста не рекомендуется употреблять цитрусовые и другие экзотические фрукты, ибо они нередко вызывают аллергические реакции. Любопытно, что в теплых странах (например, в США), где цитрусовые распространены особенно широко, врачи не рекомендуют давать детям яблочный сок по той же причине. Из этого примера ясно, что сенсибилизация (возникновение чувствительности к тому или иному веществу) к тем или иным аллергенам в большой мере зависит от местных условий и является не врожденной, а адаптивной реакцией.

Как и желудок, кишечник по всей своей длине имеет гладкомышечный слой, обеспечивающий его периодические спастические сокращения — перистальтику. Эти сокращения, происходящие каждые 5–6 с, способствуют лучшему перевариванию и всасыванию пищевых веществ, а также продвижению пищевого комка в одном направлении. У детей перистальтика кишечника выражена слабее, чем у взрослых, в том числе — из-за меньшего развития мускульного слоя кишки.

Рвотный рефлекс . Механическое или химическое раздражение слизистой желудка или тонкого кишечника может привести к рвоте. Это защитный рефлекс, позволяющий организму избавиться от причины, вызвавшей раздражение. Некоторые запахи и вкусовые ощущения также могут приводить к рвоте: обычно это бывает связано с предыдущими предъявлениями данного раздражителя и протекает по механизму условного рефлекса. Центр рвоты находится в продолговатом мозге, и его раздражение может быть также следствием алкогольного отравления или перевозбуждения вестибулярного аппарата (укачивание). Рвотный рефлекс реализуется как сильные перистальтические сокращения кишечника, желудка и пищевода в обратном направлении. Эти сокращения гладких мышц пищеварительного тракта сочетаются с рефлекторными резкими сокращениями поперечно-полосатых мышц брюшной стенки и диафрагмы. В результате содержимое верхнего отдела кишечника и желудка выбрасывается через рот наружу. Это порой спасает организм от тяжелого отравления. Рвоту можно вызвать искусственно, механически раздражая рефлексогенную зону — корень языка. Отвары некоторых трав обладают рвотным действием, что используется для промывания желудка в случаях отравления (обычно в сочетании с содовым раствором). В процессе рвоты важно следить, чтобы рвотные массы не попали в дыхательные пути. У грудных младенцев часто после кормления бывает срыгивание части полупереваренного молока, которое по механизму мало отличается от рвоты. По этой причине ребенка нельзя укладывать в постель сразу после кормления, необходимо некоторое время подержать его на руках в вертикальном положении или в наклонной позе затылком вверх. В такой позиции срыгнутое молоко не попадет в дыхательные пути. Если же ребенка сразу после кормления положить на спину, то он может захлебнуться своей отрыжкой. Это одна из наиболее распространенных причин внезапной смерти младенцев первых месяцев жизни.

Выделительная система

Метаболические процессы, происходящие в каждой клетке, наряду с образованием полезных, нужных клетке и организму веществ, наряду с производством энергии и выполнением физиологических функций, приводят к образованию отработанных продуктов и шлаков, которые необходимо удалить из организма. В самых больших количествах в результате окислительных реакций образуются вода и углекислый газ. Поступая из работающих клеток в кровь, углекислый газ соединяется с гемоглобином либо просто растворяется в плазме и переносится с током крови к легким, где выбрасывается из организма в процессе дыхания. Небольшая часть метаболической воды (т. е. воды, образовавшейся в результате внутриклеточных биохимических реакций) также выходит из организма через легкие, поскольку выдыхаемый воздух всегда насыщен парами воды. Однако бо́льшая часть воды, а также другие — негазообразные — вещества, подлежащие удалению, выводятся из организма иным путем. Некоторая их часть (иногда довольно значительная) выводится в виде пота — особенно при тяжелой и длительной мышечной работе, а также в условиях жары. Но все же бо́льшая часть (до 80 %) метаболической воды и растворенных в ней конечных продуктов обмена выводится через почки.

Почки в организме человека являются полифункциональным органом. Они не только выводят лишнюю воду, соли, мочевину и другие ненужные вещества из организма, но также обеспечивают постоянство (гомеостаз) концентрации осмотически активных веществ (осморегуляция), объема жидких сред организма (волюморегуляция), концентрации отдельных ионов (ионорегуляция) и кислотно-щелочное равновесие. Кроме того, почки вырабатывают некоторые гормоны и другие биологически активные вещества, участвующие в регуляции обменных процессов в организме.

Развитие почки как органа . Почки формируются на весьма ранних стадиях развития. Уже на 9-й неделе внутриутробной жизни почки плода начинают функционировать. Изменение потребления воды и солей матерью вызывает адекватное изменение почечной функции у плода. К моменту рождения масса почек у детей составляет примерно 50 г, или 0,66 г на 100 г массы тела. Почки новорожденного имеют дольчатое строение, которое обычно исчезает к 2–5 годам. Наиболее интенсивный рост наблюдается в первые 1,5–2 года жизни, в 8-10 и 14–18 лет. К 22–25 годам почки достигают веса 270 г (0,45 % от массы тела). К 5–6 годам иннервация почек у детей соответствует таковой у взрослых.

Рис. 16. Схема строения нефрона

Механизм работы почек . К почкам — парному бобовидному органу, расположенному с двух сторон от позвоночника в поясничном отделе брюшной полости, — подходят крупные кровеносные сосуды. Кровь приносит с собой воду и растворенные в ней продукты, подлежащие удалению. В ткани почек кровеносные сосуды многократно разветвляются и превращаются в тончайшие капилляры, которые сворачиваются во множество клубочков. Каждый такой клубочек окружен специальной почечной капсулой, в которой собирается первичная моча. Из капсулы выходит извитой каналец, по которому моча продвигается от клубочка в сторону лоханки. Каналец оплетен кровеносными капиллярами, тесно соприкасающимися со стенками извитого канальца. Капилляры соединяются в более крупные сосуды (венулы) и впадают в почечную вену, которая и выносит из почек уже очищенную кровь. Капилляры вместе с капсулой и почечным канальцем представляют собой единое анатомо-физиологическое устройство, которое называется нефрон (рис. 16). Таких нефронов в каждой почке около 1 млн. Общая длина почечных трубочек, по которым проходит жидкость в процессе их работы, достигает 130 км.

Кровь поступает в капиллярную сеть нефрона под большим давлением. Стенки капилляров не пропускают кровяные клетки, зато жидкая фракция крови почти полностью выходит в полость капсулы. Так образуется первичная моча, которая практически не отличается по составу от плазмы крови. За сутки ее образуется около 170 л. Очевидно, что выделение такого количества жидкости из организма невозможно. Поэтому вслед за клубочковой фильтрацией наступает другой этап работы почек — реабсорбция, т. е. возврат в кровь воды и целого ряда нужных организму веществ. Эти процессы протекают в месте плотного соприкосновения капилляров с почечным извитым канальцем. Сначала капилляры вновь набирают утерянную в процессе фильтрации воду, а потом происходит выравнивание концентраций одних солей и метаболитов и повышение концентрации других, которые подлежат выделению. Клетки почек тратят на эту работу довольно значительное количество энергии. В результате моча сильно концентрируется, и ее объем достигает 1,5–2 л в сутки. По мочеточнику готовая моча поступает в мочевой пузырь.

Возрастные особенности выделительной функции . Важным условием эффективной деятельности почек является адекватный уровень их кровоснабжения. В условиях покоя у новорожденных в почки поступает всего 5 % минутного объема крови, тогда как у взрослых — 20–25 %. Значительное увеличение почечного кровоснабжения наблюдается в течение 8-10 нед после рождения. Уже к 3-му году жизни суммарный почечный кровоток практически достигает уровня взрослого человека.

Новорожденные при любом водном режиме выводят гипотоническую (малоконцентрированную) мочу. В основе низкой концентрирующей способности их почек лежат: 1) морфологическая незрелость почек; 2) положительный азотистый баланс; 3) нечувствительность почек к антидиуретическому гормону. При искусственном вскармливании коровьим молоком, содержащим больше солей и белков по сравнению с женским, концентрирующая способность развивается раньше, чем при грудном питании.

Из-за сниженной способности концентрировать мочу ребенок затрачивает примерно вдвое больше воды, чем взрослый, на выведение одного и того же количества осмотически активных веществ. Вместе с высокими потерями воды через кожу и легкие это создает известную напряженность водного баланса ребенка. При грудном вскармливании эта напряженность выражена меньше, чем при вскармливании коровьим молоком. Замена женского молока эквивалентным количеством коровьего увеличивает нагрузку на почки в 4,5 раза. Соответственно, возрастает и потребность в воде. Способность к реабсорбции у детей раннего возраста снижена по сравнению со взрослыми. Так, канальцевая реабсорбция жидкости у новорожденных составляет 78–89 %, а у взрослых — 98–99,5 %.

Созревание осморегулирующих механизмов у человека проходит несколько этапов, наиболее важные вехи на этом пути — возраст 7–8 мес, 2–3 года и 10–11 лет. Тем не менее относительная напряженность водно-солевого обмена, особенно в экстремальных ситуациях, отмечается в течение всего периода детства.

Регуляция кислотно-щелочного равновесия . Почки участвуют в поддержании кислотно-щелочного равновесия благодаря способности секретировать водородный ион, выделяя кислую мочу (рН менее 4,4). Ребенок уже с первых дней жизни может выделять кислую мочу, однако эта способность у него ниже, чем у взрослого.

Так, почка взрослого выводит за 8 ч 20 % от общего количества введенной кислоты, а детская — только 10 %. Однако в норме почки ребенка способны удовлетворительно поддерживать это равновесие, особенно при грудном вскармливании.

Возрастные особенности водно-солевого обмена . Формирование гомеостатических функций почек отражает их способность к сохранению водно-солевого баланса организма, который определяется количеством жидкости в различных средах, их ионным составом, осмолярностью и кислотно-щелочным равновесием.

Наиболее распространенным и важным соединением в организме человека является вода. В водной среде осуществляются все химические, обменные и транспортные процессы, она служит универсальным растворителем продуктов питания и обмена. На долю жидкости приходится 58–80 % массы тела.

К моменту рождения ребенка содержание воды в организме составляет 75–80 % его массы и зависит от степени зрелости. У недоношенных количество жидкости больше в связи с незрелостью регуляторных механизмов, повышенной гидрофильностью тканей и незначительным содержанием жира. С возрастом относительное количество ее уменьшается, особенно интенсивно в первые годы жизни. К 3–5 годам общее количество жидкости (в %) достигает уровня взрослого человека (табл. 7).

Таблица 7

Возрастные особенности содержания и распределения жидкости в организме (в % от массы тела)

Возрастной период Общее содержание внеклеточного и внутриклеточного секторов Водный сектор
сосудистый интерстициальный внеклеточный внутриклеточный
Эмбриональный 85-97 - - 58 27
Новорожденности 70-80 5-6 35-45 40-50 30
Грудной 65-70 5 30 35 35
1-5 лет 62-70 5 15 22-30 35-40
Старше 5 лет 60-70 5 15-17 20-24 40-45

Вода в организме находится в трех секторах (рис. 17): сосудистом (плазма крови), интерстициальном (межтканевая жидкость) и внутриклеточном (клеточная плазма). Распределение жидкости в них зависит от возраста (см. табл. 7). По мере развития организма относительный объем внеклеточной жидкости уменьшается главным образом за счет интерстициального пространства, а внутриклеточный сектор возрастает в основном благодаря увеличению количества клеток.

Рис. 17. Схема жидкостных пространств организма. Представлены округленные значения для человека массой 70 кг

Несмотря на то что в раннем возрасте на единицу массы тела приходится больше воды, детский организм существенно хуже взрослого противостоит потерям жидкости. Такое напряжение водного баланса в определенной степени связано с тем, что у детей интенсивность обмена веществ и площадь поверхности тела, приходящиеся на единицу массы, относительно больше, чем у взрослых. В результате этого потери воды через легкие и кожу у новорожденных в 2 раза превышают аналогичные потери у взрослых.

С возрастом изменяется и количество жидкости, экскретируемой почками. Хотя абсолютная скорость мочеотделения увеличивается, однако в расчете на 1 кг массы тела (или другую стандартную величину) наблюдается снижение суточного диуреза с 90-110 мл/кг у новорожденных до 60–80 мл/кг в 2–3 года и 20–30 мл/кг у взрослых. На выведение одного и того же количества органических и неорганических веществ новорожденные дети затрачивают в 2–3 раза больше воды, чем взрослые. Именно это обстоятельство и диктует повышенную потребность ребенка в воде. Общий баланс воды у детей и взрослых представлен в табл. 8.

У детей по сравнению со взрослыми существенно выше суточный обмен воды. У новорожденных он составляет примерно половину объема внеклеточной жидкости (700 мл из 1400 мл), тогда как в зрелом возрасте — 1/7 (200 из 1400 мл). Кроме того, у детей фиксированный резерв жидкости весьма мал, вода более подвижна в связи с недоразвитием соединительной ткани. У новорожденных и грудных детей не развито чувство жажды, что также обусловливает их склонность к обезвоживанию.

В целом у детей водный обмен характеризуется высокой лабильностью и напряженностью, а при патологических состояниях значительно быстрее, чем у взрослых, развиваются его нарушения.

Таблица 8

Общий баланс воды (в мл на 1 кг массы тела) у детей и взрослых (по Ю.Е. Вельтищеву, 1983)

Баланс воды Ребенок (масса тела, кг) Взрослый
масса тела менее 10 кг масса тела 10–40 кг
Поступление воды 120-150 70-120 40-50
Потери через:
почки 20-50 20-32 11-16
кишечник 2,5–4,0 2,4–4,0 1,3–2,7
«неощутимые» 7,5-30,0 12,0-24,0 8,0-13,0
Все потери 30,0-84,0 34,4-60,0 20,3-31,7

Регуляция водно-солевого обмена . Поддержание осмотической концентрации, ионного состава и объема жидкостей внутренней среды организма обеспечивается деятельностью специальных нейро-гормональных систем, в основе которых лежат осмо-, ионо- и волюморегулирующие рефлексы. Информационным звеном этих рефлексов являются специфические осмо-, ионо- и волюморецепторы, широко представленные в организме человека. Особое значение имеют рецепторы, локализованные в кровеносных сосудах и ткани печени, поскольку они первыми улавливают отклонения физико-химических показателей крови при всасывании воды, солей и питательных веществ из желудочно-кишечного тракта. В управлении гомеостатической деятельностью почек участвуют гипоталамус, ретикулярная формация и кора больших полушарий. Активность почки регулируется двумя гормонами гипофиза — вазопрессином и окситоцином. Наряду с этими гипофизарными нейропептидами, значительную роль в регуляции почечных процессов играют минерало- и глюкокортикоиды коры надпочечников, гормоны щитовидной и паращитовидной желез, катехоламины, инсулин, эпифизарные факторы, простагландины.

В процессе онтогенеза происходит постепенное созревание различных элементов функциональной системы, регулирующей водно-солевой гомеостаз, благодаря чему увеличиваются резервные возможности организма по поддержанию водно-электролитного равновесия. Морфофункциональное развитие почек происходит в течение длительного времени. Раньше всего возникает способность системы регулировать содержание воды в организме. Поэтому уже к 7 годам детский организм достаточно эффективно устраняет избыток воды и экономит жидкость при ее недостатке. Что же касается ионной регуляции, то она формируется только к 10–11 годам. При этом у детей одного и того же календарного возраста не всегда одинаковый уровень развития функций почек. То есть у разных детей-одногодок уровень развития гомеостатической системы может соответствовать более старшему или более младшему возрасту.

Мочеиспускание . Поступающая по мочеточнику моча собирается в мочевом пузыре — гладкомышечном мешковидном органе, внутренние стенки которого выстланы эпителиальной тканью, а выход из него запирается специальным кольцеобразным мышечным сфинктером. Скопившаяся в мочевом пузыре моча растягивает его стенки и раздражает расположенные там механорецепторы. Дуга мочеиспускательного рефлекса замыкается через спинномозговой центр, расположенный в крестцовом отделе. Импульсы от спинного мозга заставляют сфинктер расслабиться, а гладкую мускулатуру стенок пузыря сократиться. В результате моча выливается наружу через мочеиспускательный канал. Однако все взрослые млекопитающие, в том числе человек, умеют сознательно управлять актом мочеиспускания. Это обеспечивается контролем со стороны коры головного мозга на основе условных рефлексов. Обычно эти рефлексы у детей формируются к 2 годам настолько прочно, что спонтанное мочеиспускание не происходит ни днем, ни ночью. Однако разного рода стрессы, переутомление, переохлаждение, нарушения сна, неправильный двигательный режим, а также чрезмерные физические и психические напряжения могут приводить к ослаблению этого рефлекса даже у детей школьного возраста вплоть до полового созревания. Тогда возникает ночное недержание мочи — энурез. Дети нередко очень чувствительны к этому своему «недостатку», хотя их вины в этом обычно нет. Ни в коем случае нельзя упрекать и тем более наказывать ребенка в подобной ситуации. Помочь в преодолении этого функционального нарушения могут врачи — психоневролог, уролог и невропатолог.

Вопросы и задания

1. Как закон сохранения энергии реализуется в деятельности организма?

2. Что такое биологическое окисление и как оно происходит?

3. Зачем организму энергия?

4. Назовите три основных способа получения энергии в клетке.

5. Что такое энергетический обмен и как он изменяется с возрастом?

6. Как с возрастом меняются способы терморегуляции организма?

7. Из чего состоит пища человека?

8. Сколько нужно пищи ребенку и взрослому?

9. Что такое витамины, зачем они нужны? Назовите источники витаминов.

10. Перечислите особенности пищеварения младенца.

11. Что происходит с пищей в желудке и чем желудок ребенка отличается от желудка взрослого?

12. Что происходит с пищей в кишечнике и чем кишечник ребенка отличается от кишечника взрослого?

13. Что делают и как устроены почки?

14. В чем особенность выделительной системы детей?

15. Что такое энурез и почему он возникает?

 

Глава 8. СИСТЕМА КИСЛОРОДНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОРГАНИЗМА

Непрерывно идущие в каждой клетке организма окислительно-восстановительные реакции нуждаются в постоянном притоке субстратов окисления (углеводов, липидов и аминокислот) и окислителя — кислорода. В организме имеются внушительные запасы питательных веществ — углеводные и жировые депо, а также огромный запас белков в скелетных мышцах, поэтому даже сравнительно длительное (в течение нескольких суток) голодание не приносит человеку существенного вреда. А вот запасов кислорода в организме практически нет, если не считать небольшого количества, содержащегося в мышцах в форме оксимиоглобина, поэтому без его поставки человек способен выжить лишь 2–3 мин, после чего наступает так называемая «клиническая смерть». Если в течение 10–20 мин снабжение клеток мозга кислородом не восстановится, в них произойдут такие биохимические изменения, которые нарушат их функциональные свойства и приведут к скорой гибели всего организма. Другие клетки тела при этом могут и не пострадать в такой степени, но нервные клетки крайне чувствительны к недостатку кислорода. Вот почему одной из центральных физиологических систем организма является функциональная система кислородного обеспечения, и состояние именно этой системы чаще всего используется для оценки «здоровья».

Рис. 18. Транспорт кислорода у человека (направление показано стрелками)

Понятие о кислородном режиме организма . Кислород проходит в организме достаточно длинный путь (рис. 18). Попадая внутрь в виде молекул газа, он уже в легких принимает участие в целом ряде химических реакций, обеспечивающих его дальнейшую транспортировку к клеткам тела. Там, попадая в митохондрии, кислород окисляет разнообразные органические соединения, превращая их в конечном счете в воду и углекислоту. В таком виде кислород и выводится из организма.

Рис. 19. Каскад напряжений кислорода во вдыхаемом воздухе (I), в альвеолах (А), артериях (а) и венах (V) у мальчика 5 лет, подростка 15 лет и взрослого 30 лет

Что заставляет кислород из атмосферы проникать в легкие, затем — в кровь, оттуда — в ткани и клетки, где уже он вступает в биохимические реакции? Очевидно, что существует некая сила, определяющая именно такое направление перемещения молекул этого газа. Эта сила — градиент концентраций. Содержание кислорода в атмосферном воздухе намного больше, чем в воздухе внутрилегочного пространства (альвеолярном). Содержание кислорода в альвеолах — легочных пузырьках, в которых происходит газообмен воздуха с кровью, — намного выше, чем в венозной крови. Ткани содержат кислорода гораздо меньше, чем артериальная кровь, а митохондрии содержат незначительное количество кислорода, поскольку поступающие в них молекулы этого газа немедленно вступают в цикл окислительных реакций и превращаются в химические соединения. Вот этот каскад постепенно понижающихся концентраций, отражающий градиенты усилия, в результате которых кислород из атмосферы проникает в клетки тела, и принято называть кислородным режимом организма (рис. 19). Вернее, кислородный режим характеризуется количественными параметрами описанного каскада. Верхняя ступенька каскада характеризует содержание кислорода в атмосферном воздухе, который во время вдоха проникает в легкие. Вторая ступенька — содержание О2 в альвеолярном воздухе. Третья ступенька — содержание О2 в артериальной крови, только что обогащенной кислородом. И наконец, четвертая ступенька — напряжение кислорода в венозной крови, которая отдала содержавшийся в ней кислород тканям. Эти четыре ступеньки образуют три «пролета», которые отражают реальные процессы газообмена в организме. «Пролет» между 1-й и 2-й ступеньками соответствует легочному газообмену, между 2-й и 3-й ступеньками — транспорту кислорода кровью, а между 3-й и 4-й ступеньками — тканевому газообмену. Чем больше высота ступеньки, тем больше перепад концентраций, тем выше градиент, при котором кислород транспортируется на этом этапе. С возрастом увеличивается высота первого «пролета», то есть градиент легочного газообмена, второго «пролета», т. е. градиент транспорта 0 2 кровью , тогда как высота третьего «пролета», отражающего градиент тканевого газообмена, снижается. Возрастное уменьшение интенсивности тканевого окисления является прямым следствием снижения с возрастом интенсивности энергетического обмена.

Таким образом, усвоение кислорода организмом происходит в три стадии, которые разделены в пространстве и во времени. Первая стадия — нагнетание воздуха в легкие и обмен газов в легких — носит еще название внешнего дыхания. Вторая стадия — транспорт газов кровью — осуществляется системой кровообращения. Третья стадия — усвоение кислорода клетками организма — называется тканевым, или внутренним дыханием.

Дыхание

Обмен газов в легких . Легкие представляют собой герметичные мешки, соединенные с трахеей с помощью крупных воздухоносных путей — бронхов. Атмосферный воздух через носовую и ротовую полость проникает в гортань и далее в трахею, после чего разделяется на два потока, один из которых идет к правому легкому, другой к левому (рис. 20). Трахея и бронхи состоят из соединительной ткани и каркаса из хрящевых колец, которые не позволяют этим трубкам перегибаться и перекрывать воздухоносные пути при различных изменениях положения тела. Войдя в легкие, бронхи разделяются на множество ответвлений, каждое из которых вновь делится, образуя так называемое «бронхиальное дерево». Самые тонкие веточки этого «дерева» называются бронхиолами, и на их концах располагаются легочные пузырьки, или альвеолы (рис. 21). Количество альвеол достигает 350 млн, а их общая площадь — 150 м2. Именно эта поверхность и представляет собой площадь для обмена газами между кровью и воздухом. Стенки альвеолы состоят из одного слоя эпителиальных клеток, к которому вплотную подходят тончайшие кровеносные капилляры, также состоящие из однослойного эпителия. Такая конструкция благодаря диффузии обеспечивает сравнительно легкое проникновение газов из альвеолярного воздуха в капиллярную кровь (кислород) и в обратном направлении (углекислый газ). Этот газообмен происходит в результате того, что создается градиент концентрации газов (рис. 22). Находящийся в альвеолах воздух содержит относительно большое количество кислорода (103 мм рт. ст.) и малое количество углекислого газа (40 мм рт. ст.). В капиллярах, наоборот, концентрация углекислого газа повышена (4(5 мм рт. ст.), а кислорода понижена (40 мм рт. ст.), поскольку в этих капиллярах находится венозная кровь, собранная уже после того, как она побывала в тканях и отдала им кислород, получив взамен углекислый газ. Кровь по капиллярам протекает непрерывно, а воздух в альвеолах обновляется при каждом вдохе. Оттекающая от альвеол обогащенная кислородом (до 100 мм рт. ст.) кровь содержит сравнительно мало углекислого газа (40 мм рт. ст.) и вновь готова к осуществлению тканевого газообмена.

Рис. 20. Схема строения легких (А) и легочных альвеол (Б) А: 1 — гортань; 2 — трахея; 3 — бронхи; 4 — бронхиолы; 5 — легкие; Б: 1 — сосудистая сеть; 2, 3 — альвеолы снаружи и в разрезе; 4 — бронхиола; 5 — артерия и вена