Поскольку предметом изучения физиологии являются функции организма и его частей, необходимо выяснить, что такое организм, клетки, ткани, органы и то, какие существуют физиологические функции.
Организм — это самостоятельно существующая единица органического мира; он является открытой системой, способной к саморегуляции, само-восстановлению и самовоспроизводству, и отвечает на различные изменения внешней среды как единое целое.
Попробуем проанализировать компоненты этого определения.
Организм самостоятельно живет, а основой жизнедеятельности является обмен веществ и энергии. Различают внешний обмен (поглощение и выведение веществ) и внутренний обмен (химическое превращение веществ в клетках). Организм может функционировать только в неразрывной связи с внешней средой, к которому он приспособлен. Со средой организм обменивается веществом, энергией и информацией. С точки зрения термодинамики такие системы называют открытыми.
Обмен веществ (метаболизм) — это закономерный порядок превращения веществ и энергии в живых системах, направленный на их сохранение, самообновление и самовоспроизведение. Метаболизм включает два процесса, взаимосвязаны и происходят одновременно — ассимиляцию (анаболизм) и диссимиляцию (катаболизм).
В ходе катаболических реакций большие органические молекулы расщепляются до простых с высвобождением энергии, которая скапливается в макроэргических фосфатных связях. При анаболических преобразованиях происходит биосинтез сложных, присущих определенному организма, молекул из более простых предшественников. Итак, расщепляя в процессе обмена органические вещества внешней среды, животные организмы синтезируют новые вещества, в которых аккумулируется свободная энергия (энергия, которая способна превращаться в работу). Процесс накопления свободной энергии позволяет оберегать организм от разрушительного воздействия среды и сохранять его живой состояние.
Для сохранения живой системы необходимо, чтобы в процессе метаболизма синтезировались не любые макромолекулы, а только те, которые свойственны конкретному организму. Происходит это за счет репликации, то есть самовоспроизведения макромолекул нуклеиновых кислот. После этого осуществляется точное копирование и передачи генетической информации, а значит — самовоспроизведение живой системы.
С обменом веществ связано и процесс самовосстановления клеточных структур и межклеточного вещества — непрерывная замена старых молекул новыми. Установлено, что у взрослых животных половина всех тканевых белков обновляется за три месяца, белков печени — за две недели, белков крови — за одну неделю. В процессе старения организма скорость самовосстановления тканей замедляется.
Животные организмы являются одноклеточные и многоклеточные. В одноклеточных организмов (амеба, инфузория и другие) действует клеточный уровень организации, при котором наблюдается разделение функций между отдельными органоидами. Например, двигательная функция связана с ресничками или жгутиком, пищеварительная — со специализированными вакуолями и т.д. Однако все физиологические функции происходят в одной клетке.
У многоклеточных организмов возникают различия между клетками по форме. размерами, строением и функциями. С одинаково дифференцированных клеток возникают ткани, которые специализированы для выполнения отдельных функций: например, мышечная — для осуществления двигательных функций. Специализированные клетки тканей осуществляют и общие для всех клеток функции: обмен веществ, питание, дыхание. выделения. Между клетками, которые образуют ткань, происходит взаимодействие.
На определенном этапе филогенеза и онтогенеза формируются органы, состоящие из различных тканей. Органы — это анатомические образования, которые выполняют определенную функцию в организме и состоят из нескольких тканей. Совокупность органов, участвующих в осуществлении сложных видов деятельности, называют физиологической системой органов (пищеварительная система, дыхательная система, система кровообращения, выделительная система, эндокринная система и т.д.).
Итак, у высших животных и человека можно выделить молекулярный, клеточный, тканевый, органный и системный уровни организации. Для познания функций высших организмов необходимо изучение всех этих уровней, поскольку живой организм функционирует как система, в которой деятельность всех ее структур согласована в пространстве и времени.
Высшие многоклеточные организмы имеют сложное строение и выполняют сложные функции, поэтому целесообразно рассматривать особенности их структурной и функциональной организации.
Основой структурной организации являются клетки, из которых состоят ткани, ткани формируют органы, а органы образуют организм. Для выполнения физиологических функций необходимо объединение определенного количества структурных образований. Поэтому функциональная организация имеет такую последовательность: функциональная единица — физиологическая система органов — функциональная система.
Функциональная единица — это группа клеток, объединенных для выполнения определенных функций. Функциональные единицы органа работают не одновременно, а поочередно. Объединение органов для выполнения определенной функции — физиологическая система органов. Вместе они могут организовываться в функциональную систему — совокупность различных структур и процессов, объединенных для достижения результатов действия в соответствии с поставленной целью (П. К. Анохин, 1935 г.). Например, необходимое количество кислорода мышцы во время выполнения физической работы получают благодаря мобилизации (при участии нервной и гуморальной систем) физиологических систем крови, кровообращения и дыхания, которые формируются в газотранспортную функциональную систему.
Как одноклеточный, так и многоклеточный организмы реагируют на различные изменения внешней среды как единое целое. Особенно сложные и разнообразные реакции у целостного организма высших животных. Такие реакции не могут быть сведены к сумме реакций отдельных клеток, тканей и органов.
Физиологические функции — это проявления жизнедеятельности, они имеют приспособленческий характер. Осуществляя различные функции, организм приспосабливается к внешней среде.
Основным проявлением жизнедеятельности является обмен веществ и энергии, с которым связаны все остальные физиологические функции (рост, развитие, размножение, питание, пищеварение, дыхание, кровообращение, выделения, секреция, возбуждение и его проведение, сокращение мышц и выполнения движений, защиту от инфекции и т.д.). Физиологические функции можно разделить на две группы: пластичные (строительные) и регуляторные. Первые заключаются в синтезе нуклеиновых кислот, белков и образовании клеточных структур, вторые — обеспечивают регуляцию жизнедеятельности органов и систем.
В результате физико-химических преобразований выполнения функций ведет к структурным изменениям в клетках. Иногда их можно выявить с помощью светового микроскопа, а иногда — только с помощью электронного микроскопа. Структурные изменения могут иметь обратимый характер. Физиологические функции, которые базируются на химических, физических и механических изменениях, нельзя свести ни к одному из них, а необходимо изучать в комплексе.