Центральным ритмообразователем традиционно принято считать сердце. В синусовом узле сердца имеется небольшое количество клеток – «истинных водителей ритма» – это пейсмекер сердца. В таких клетках за фазой реполяризации (возврата к состоянию расслабления) следует фаза самостоятельной медленной деполяризации (электрического возбуждения, или активации сердца), приводящая к повышению деполяризирующего электрического тока до порогового уровня и генерации потенциала действия. Собственный источник энергии – энергия метаболизма клеток.
В пейсмекерных клетках формируется потенциал действия длительностью 200–300 миллисекунд с частотой около 1 Гц в норме. Основным механизмом передачи потенциалов действия в живом организме является распространение волн возбуждения. Так, автоколебания, возникающие в пейсмекере, распространяются по нервным волокнам и мышечным структурам сердца. Волны возбуждения могут распространяться по клеткам скелетной мускулатуры, мочевого пузыря, кровеносных сосудов и другим структурам. Распространение колебаний осуществляется также гидромеханическим путем по главным транспортным путям: артериям, венам и лимфатическим сосудам.
Пейсмекер оказывает влияние на ритм сердца, вызывая его флуктуации. По современным представлениям, на ритм сердца оказывают влияние не только дыхательные нейроны, но и активность симпатической нервной системы, другие отделы мозга. Таким образом, именно комплекс пейсмекеров является системообразующим задающим колебательным контуром.
Кроме сердца, ритмообразователем является дыхательная система. При взаимодействии ритмов различных частот наблюдаются суперпозиции, а также модуляции[43] высокочастотных ритмов низкочастотными. Следует заметить, что природа ритмообразования в деятельности сердца и легких различна: пейсмейкер деятельности сердца находится в самом органе, а пейсмейкер дыхания – в стволовой части мозга [16].
Так уж исторически сложилось, что наиболее исследованными оказались гидромеханические процессы, связанные с флуктуацией артериального давления (АД). В условиях его непрерывной регистрации у бодрствующих животных обнаружен сложный характер колебаний.
Еще в 1760 году швейцарский анатом, физиолог и естествоиспытатель А. Галлер обнаружил периодичность в изменении циклов сердечных сокращений. Это явление получило название вариабельности ритма сердца (ВРС). ВРС наблюдается даже в состоянии покоя в положении лежа.
В 1847 году немецкий физиолог Карл Людвиг впервые обнаружил, что изменения АД связаны с дыхательными движениями, и назвал их «волнами кровяного давления».
Двадцать лет спустя немецкий врач Л. Траубе в экспериментах над животными при выключенном дыхании обнаружил существование других самостоятельных ритмов артериального давления с периодом колебаний около 10 секунд. Эти колебания были названы волнами Траубе.
Несколько позже немецкий физиолог Е. Геринг доказал прямую связь дыхательного ритма с колебаниями АД. Эти колебания, синхронные с ритмом дыхания, были названы волнами Геринга.
Но и это еще не все. Немецкий врач С. Майер обнаружил у экспериментальных животных колебания АД с бо́льшим периодом, чем дыхательные (волны Майера).
Все эти волны выявляются при изучении частоты сердечных сокращений (ЧСС). Можно представить, в каких сложных условиях поддерживается в необходимом диапазоне колебаний артериальное давление в организме человека. А добавьте сюда еще реакцию организма на внешние воздействия. Причем реакцию нелинейного характера.
Какой бы внешний раздражитель ни подействовал на организм (то есть на клетку, так как организм состоит из клеток), он это воздействие преобразует в изменение электрического потенциала на мембране. Но само изменение потенциала на мембране клетки определяется тем, какие именно процессы в клетке будут подключены внешним раздражителем. Таким образом, на внешний раздражитель клетка, прежде всего, откликается электрическим «способом».
Словом, клетка переводит информацию о внешнем раздражителе на электрический язык. В нервных окончаниях возбуждаются электрические импульсы. Но они следуют друг за другом не беспорядочно, а в определенной последовательности, чем-то напоминая сообщение с использованием азбуки Морзе. Эти последовательности импульсов представляют собой закодированное определенным образом сообщение. Применяемый клеткой код называют пространственно-временным [17].
Гибкий принцип организации процессов
Процесс внутри организма построен по гибкому принципу, хотя гибкую организацию сложнее обеспечить, чем жесткую. В жесткой системе реализован один-единственный вариант организации процесса. В гибкой системе надо обеспечить реализацию бесконечного числа вариантов, причем на каждый момент времени надо выбрать из этого бесконечного количества один-единственный вариант, наиболее подходящий для ситуации в данный момент.
Именно по такому наиболее совершенному принципу работает человеческий организм и все его составные части, вплоть до мембран клеток.
При этом в каждой работающей клетке многие молекулы постоянно распадаются и вновь синтезируются. Их концентрации непрерывно изменяются, колеблются. Эти колебания не затухают, поскольку процесс распада-восстановления длится непрерывно, то есть колебания являются незатухающими. Это непрерывное изменение (колебание) нужно для того, чтобы для каждого момента времени выбрать свой вариант, свой режим работы, свой производственный процесс в зависимости от того, какие внешние раздражители действуют на клетку в этот момент. В этом и есть гибкость организации всего производственного процесса в клетках. Для ее практической реализации понадобилось режим работы клетки (то есть процессов, которые в ней протекают) сделать колебательным.
Раз процессы в клетке – и во всем организме – носят колебательный характер (именно так организм может обеспечивать оптимальную реакцию на изменение внешних условий), то с этим нельзя не считаться. А воздействие на колебательные системы принципиально отличается от воздействия на другие системы, которые не связаны с колебательными процессами.
Поскольку процесс внутри организма построен по гибкому принципу, наличие в организме человека нескольких фаз (фазы чувствительности, бездействия и раздражительности), в пределах которых меняется реакция на действия внешнего раздражителя, позволяет организму наиболее эффективно отвечать на внешние сигналы с целью повышения выживаемости вида, что обеспечивает совершенство взаимодействия организма с внешней средой.
Фазная реакция
Фазной реакцией на внешние раздражители обладает не только человеческий организм в целом, но и каждая отдельная мембрана клетки, каждая клетка, отдельная клеточная популяция, отдельное нервное волокно, а также каждый участок кожи.
Реакции организма человека на внешние раздражители по тем последствиям, которые они вызывают в организме, делятся на разные типы.
Организм начинает реагировать только на те внешние сигналы, которые выше порогового значения. Для каждого организма этот порог свой. Но даже один и тот же организм может увеличить этот порог. Так, человеческий организм не реагирует на холодовый раздражитель до определенной температуры. Но если организм закалить, то он может повысить этот порог, то есть начнет чувствовать только более значительное понижение температуры и соответствующим образом реагировать на него.
Регулярное воздействие на организм определенных внешних сигналов соответствующим образом тренирует организм. Реакция организма на такие слабые сигналы называется тренировочной. Она позволяет поднять порог реакции организма, то есть сделать человека более независимым от внешней среды, от изменения условий внешней среды. Она делает организм более способным сопротивляться этим изменениям, короче говоря, увеличивает сопротивляемость организма.
Если раздражающий внешний сигнал усиливается, то есть становится более сильным, то характер реакции организма на него меняется. В данном случае реакция организма (на средний сигнал) строится так, чтобы защитить организм от его действия. Поскольку пренебречь действующим сигналом организм не может, он активизируется, стремясь приспособиться к новым внешним условиям. В частности, организм начинает дрожать. Дрожь – это непроизвольное сокращение скелетных мышц. При охлаждении организма скелетные мышцы непроизвольно сокращаются и тем самым усиливают выделение тепла. Специалисты говорят, что реакция человека в этом случае находится в зоне спокойной активации.
Если сигналы по интенсивности выше средних, то степень активации организма повышается, то есть реакция организма переходит в зону повышенной активации. Человек начинает активно и много двигаться, чтобы выделить в организме много энергии и тем самым согреть организм.
