1. Autorzy Dr hab. Andrzej Godlewski Prof . dr hab. Maciej Gryczyski Prof . dr hab. Bolesaw Gwd Prof . dr hab. Hanna Kaciuba-Uciko Prof . dr hab. Stanisaw Konturek Prof . dr hab. Boydar Latkowski Prof . dr hab. Bohdan Lewartowski Prof . dr hab. Krystyna Nazar Prof . dr hab. Andrzej Niechaj Prof . dr hab. Teresa Pajszczyk-Kieszkiewicz Prof . dr hab. Olgierd Palacz Prof . dr hab. Janusz Sadowski Prof . dr hab. Ewa Szczepaska-Sadowska Prof . dr hab. Waldemar Szelenberger Prof . dr hab. Wadysaw Z. Traczyk Dr hab. Zdzisawa Traczyk Prof . dr hab. Andrzej Trzebski

2. izjologia czowieka zelementamifizjologiistosowanej iklinicznej Pod redakcj prof.dr.hab.med.WadysawaZ.Traczykaprof.dr.hab.med.Andrzeja Trzebskiego Wydanie III zmienione i uzupenione Warszawa Wydawnictwo Lekarskie PZWL Copyright by Pastwowy Zakad Wydawnictw Lekarskich, Warszawa 1980, 1989 Copyright by Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 2001, 2003, 2004 Wszystkie prawa zastrzeone. Przedruk i reprodukcja w jakiejkolwiek postaci caoci bd czci ksiki bez pisemnej zgody wydawcy s zabronione. r UWAGA!!! W^T KOPIOWANI E &)ZABIJA KSIK Redaktorzy Elbieta Michalska, Teresa Widak-Piernikowa Redaktor techniczny Leszek Kornacki Korekta Zesp Projekt okadki i stron tytuowych Hanna Maczak-Winceciuk ISBN 83-200-3020-X Wydanie III (dodruk) Wydawnictwo Lekarskie PZWL 00-251 Warszawa, ul. Miodowa 10 tel. (0-prefiks-22) 695-40-33 Ksigarnia wysykowa: tel. (0-prefiks-22) 695-44-80 infolinia: 0-801-142-080 www.pzwl.pl e-mail: promocja(Sipzwl,pl Cieszyska Drukarnia Wydawnicza 43-400 Cieszyn, ul. Pokoju 1 Pamici profesorw Napoleona Cybulskiego, Adolfa Becka, Franciszka Czubalskiego i Juliana Walawskiego redaktorw, wspautorw i inicjatorw polskich zbiorowych podrcznikw fizjologii czowieka. Przedmowa do wydania III Dwanacie lat upyno od ukazania si II wydania naszego zbiorowego, obszernego podrcznika fizjologii. Pionierskim dzieem w jzyku polskim by zbiorowy podrcznik Fizjologia czowieka" pod redakcj Napoleona Cybulskiego i Adolfa Becka wydany w roku 1915, a nastpnie wznowiony i unowoczeniony przez Adolfa Becka w roku 1924. Franciszek Czubalski, ucze Napoleona Cybulskiego, zainicjowa i rozpocz prace zwizane z przygotowaniem zbiorowego podrcznika. Po mierci Franciszka Czubalskiego zadanie to zrealizowa jego

3. wieloletni wsppracownik, Julian Walaw-ski. Podrcznik Fizjologia czowieka" pod redakcj Juliana Walawskiego ukaza si w roku 1965, wydanie II w roku 1967, a wydanie III w roku 1971. Kontynuujc tradycj naszych nauczycieli, jako uczniowie Franciszka Czubalskiego, podjlimy si zadania przygotowania trzeciego zbiorowego podrcznika fizjologii w jzyku polskim. Ukaza si on w roku 1980, a cakowicie zmienione II wydanie wyszo w roku 1989. Przygotowanie niniejszego, trzeciego z kolei wydania zajo znacznie wicej czasu ni pierwotnie przypuszczalimy. Zoyo si na to kilka przyczyn. Zmienili si autorzy niektrych rozdziaw. Napisanie nowoczesnego podrcznika fizjologii stao si obecnie zadaniem trudniejszym ni kiedykolwiek. Fizjologia stana w ostatniej dekadzie XX wieku przed wielkim wyzwaniem. W stosunkowo krtkim czasie dokonaa si rewolucja naukowa we wspczesnej biologii i medycynie, rozwina si genetyka i biologia molekularna, czego konsekwencje trudne s jeszcze do przewidzenia. Wielu badaczy przestao jakby dostrzega, e ywy organizm jako cao jest czym jakociowo odmiennym ni prosta suma czci, z ktrych si skada organelli komrkowych, kanaw i receptorw bonowych, enzymw i wreszcie genw, ktre zawieraj program budowy tych struktur molekularnych. Ostatnio ta fala skrajnego redukcjonizmu, negujca znaczenie fizjologii, powoli opada. Narasta wiadomo, e kluczem do zrozumienia czynnoci i zdolnoci adaptacyjnych ywego organizmu jest poznanie wzajemnych sprze zwrotnych midzy poszczeglnymi jego elementami, nie wyczajc wspzalenoci midzy samymi genami i czynnikami warunkujcymi ich ekspresj. Dopiero z wielorakich regulacyjnych sprze zwrotnych wyania si nowa jako indywidualny organizm jako odrbny podmiot. Fizjologia czowieka z samej swej istoty bya i jest dyscyplin integrujc. Tego oczekuje od niej lekarz stojcy wobec czowieka, a nie zbioru genw i czsteczek biakowych. Zapewnienie waciwej proporcji midzy niezbdn informacj o mechanizmach molekularnych z jednej strony, a dziaaniem regulacji i adaptacji oglnoustrojowych z drugiej byo zadaniem trudnym. W jakim 3 PRZEDMOWA DO WYDANIA III stopniu zadanie to udao si nam zrealizowa, oceni czytelnicy, i to nie tylko studenci medycyny, ale take lekarze. Mamy bowiem nadziej, e podrcznik ten, podobnie jak wydania poprzednie, trafi take do ich rk. Podrcznik jest dzieem zbiorowym. Autorzy s specjalistami w uprawianej dziedzinie. Ma to swoje zalety dla ambitnych studentw i lekarzy, poniewa kady autor, znawca przedmiotu, odcisn indywidualne pitno na ujciu i stylu swojego rozdziau. Dla oczekujcych podrcznika ujednoliconego, atwego do szybkiego opanowania, wycznie w celu zaliczenia egzaminu na przecitnym poziomie, bdzie to zapewne utrudnienie. Takim studentom tekst wytuszczony uatwi zwrcenie uwagi na informacje najwaniejsze. W wydaniu niniejszym mniej rygorystycznie przestrzegalimy uywania Midzynarodowego Ukadu Jednostek Miar (ukad SI), zwaszcza w odniesieniu do wartoci cinie, stosujc tradycyjne jednostki milimetrw supa rtci (mm Hg), zamiast kilopaskali (kPa), czy do wartoci temperatury, stosujc stopnie Celsjusza (C), zamiast stopni Kehdna (K). Midzynarodowa Generalna Konferencja Miar zaaprobowaa posugiwanie si jednostkami nie nalecymi do ukadu SI, a Zarzdzenie Prezesa Gwnego Urzdu Miar z dnia 17 stycznia 1994 (Dziennik Urzdowy Miar i Probiernictwa nr 2 z 25 lutego 1994 roku, zacznik nr 3, poz. 4 Nazwy, definicje i oznaczenia jednostek nie nalecych do ukadu SI, dopuszczonych do stosowania w drodze rozporzdzenia Rady Ministrw") zezwolio na ich stosowanie take w Polsce. Z praktycznego punktu widzenia najwaniejszy jest wszake fakt, e producenci medycznego sprztu pomiarowego diagnostycznego i laboratoryjnego posuguj si z reguy jednostkami tradycyjnymi, zwanymi niekiedy jednostkami medycznymi (MU medical unit). W niektrych rozdziaach wartoci podano zarwno w jednostkach tradycyjnych, jak i w ukadzie SI. Kady zainteresowany znajdzie na pocztku podrcznika tabelk, ktra uatwia przeliczenie jednostek tradycyjnych na jednostki ukadu SI lub odwrotnie. Wiele terminw powtarzajcych si w tekcie podano w formie oglnie stosowanych na wiecie skrtw i symboli literowych, pochodzcych z jzyka angielskiego. Wykaz ich znajduje si take na kocu podrcznika. Redaktorzy poczuwaj si do miego obowizku podzikowania wszystkim Kolegom Autorom, w szczeglnoci tym, ktrzy wywizali si w terminie z podjtego obowizku, za trud woony w napisanie rozdziaw. Jeden z nas Wadysaw Traczyk wyraa podzikowanie wydawnictwom Elsevier Science, Oxford, Wielka Brytania i Springer-Verlag, Heidelberg, Niemcy za zgod na reprodukcj rycin z tych wydawnictw, drugi Andrzej Trzebski dzikuje serdecznie swoim obecnym Kolegom i dawnym wsppracownikom, rozproszonym niekiedy po caym wiecie, za zgod na udostpnienie licznych, oryginalnych ilustracji z ich prac naukowych, czasami nie opublikowanych, a take tym Kolegom Klinicystom, ktrzy dostarczyli, a nawet specjalnie przygotowali, wiele zapisw uzyskanych za pomoc nowoczesnych nieinwazyjnych metod stosowanych wspczenie w medycynie klinicznej. Redaktorzy naukowi dzikuj Wydawnictwu Lekarskiemu PZWL za inicjatyw wydawnicz, wychodzc naprzeciw zapotrzebowaniu rodowiska akademickiego i kontynuujc ustalon ju tradycj wydawania polskich podrcznikw fizjologii czowieka. Szczeglne podzikowania nale si Wydawnictwu za wielk wyrozumiao przy przeduajcej si pracy nad przygotowaniem niniejszego wydania naszego zbiorowego podrcznika. Warszawa, 2001 Redaktorzy Przedmowa do wydania I Niniejszy podrcznik jest trzecim polskim zbiorowym podrcznikiem fizjologii czowieka. W 1915 roku pod redakcj Napoleona Cybulskiego i Adolfa Becka ukazaa si Fizjologia czowieka" wydana po raz drugi w 1924 roku przez Adolfa Becka pod tytuem Podrcznik fizjologii". Po drugiej wojnie wiatowej z inicjatywy Franciszka Czubalskiego rozpoczto prace nad nastpnym zbiorowym podrcznikiem. Stan zdrowia uniemoliwi mu jednak kontynuowanie tej pracy, ktr podj jego wieloletni wsppracownik Julian Walawski. Drugi zbiorowy podrcznik Fizjologia czowieka" pod redakcj Juliana Walawskiego doczeka si trzech kolejnych wyda w 1965, 1967 i 1971 roku. W lipcu 1975 roku Pastwowy Zakad Wydawnictw Lekarskich zwrci si do nas w sprawie podjcia si redakcji nowego, zbiorowego podrcznika fizjologii czowieka, uwzgldniajcego szczeglnie potrzeby ksztacenia studentw wydziaw lekarskich akademii medycznych odpowiednio do nowego programu studiw. Praca nad obecnym podrcznikiem zaja zarwno Autorom, jak i redaktorom okoo trzech lat. Mimo stara nas wszystkich, aby Fizjologia czowieka" w peni zaspokoia potrzeby wspczesnego ksztacenia lekarzy, moemy przy- puszcza, e Czytelnicy bd mieli uwagi, ktrymi zechc si z nami podzieli. Bdziemy niezmiernie za nie wdziczni. Kady podrcznik powinien podlega doskonaleniu w sprzeniu zwrotnym pomidzy jego Czytelnikami i jego Autorami. W Fizjologii czowieka" uywane s w tekcie tradycyjne jednostki pomiarowe, w nawiasach za jednostki pomiarowe Midzynarodowego Ukadu Jednostek (tzw. Ukad SI). Ma to umoliwi przejcie do wycznego stosowania jednostek pomiarowych Midzynarodowego Ukadu Jednostek zgodnie z zaleceniami wiatowej Organizacji Zdrowia. Mianownictwo anatomiczne i histologiczne jest zgodne z przyjtym na wiecie mianownictwem aciskim i jego polskim tumaczeniem. W nielicznych przypadkach zostay dokonane odstpstwa uzasadnione czynnoci, np. zamiast wkna miniowe poprzecznie prkowane" uywana jest nazwa komrka miniowa poprzecznie prkowana". Zwizki chemiczne maj nazwy tradycyjne, powszechnie stosowane w naukach medycznych. Szereg poj powtarzajcych si w tekcie zastpiono skrtami i symbolami literowymi wprowadzonymi do fizjologii przez midzynarodowe zjazdy i konferencje naukowe lub zalecanymi przez redakcje midzynarodowych czasopism. 3 PRZEDMOWA DO WYDANIA I

4. Naszym miym obowizkiem jest podzikowa wszystkim Kolegom Autorom za poniesiony trud oraz Pastwowemu Zakadowi Wydawnictw Lekarskich za inicjatyw wydawnicz i starania, aby ten podrcznik w peni zaspokoi Czytelnikw. dWarszawa, dnia 14 lipca 1978 roku Redaktorzy Spis treci 1. Regulacja czynnoci fizjologicznych Andrzej Trzebski / 1 1.1. Zoono ywych organizmw / 1 1.2. Entropia / 2 1.3. Struktury dyssypatywne / 5 1.4. Replikacja ywych organizmw / 7 1.5. Zasada optymalizacji w fizjologii / 9 1.6. Homeostaza / 10 1.7. Rytmy biologiczne i oscylacje parametrw fizjologicznych / 15 1.8. Zasady chaosu deterministycznego w odniesieniu do ywych organizmw / 18 1.9. Fraktale / 24 1.10. Hemodynamika / 28 2. Czynno komrki Andrzej Godlewski / 30 2.1. Struktury komrki / 30 2.2. Transport bonowy / 34 2.3. Cykl komrkowy / 38 2.4. Wzajemne oddziaywania pomidzy komrkami / 39 2.5. Transdukcja sygnaw w komrce / 45 3. Czynno komrki nerwowej Andrzej Godlewski J 49 3.1. Komrki nerwowe (neurocyty) / 49 3.2. Potencjay elektryczne w neuronach / 53 3.3. Synteza, transport, magazynowanie i uwalnianie przekanikw synaptycznych / 60 3.4. Przewodzenie impulsw we wknach nerwowych / 65 3.5. Rola czynnikw wzrostu nerww w czynnoci neuronw / 66 3.6. Komrki glejowe / 68 4. Fizjologia mini szkieletowych Bohdan Lewartowski / 71 4.1. Molekularny mechanizm skurczu / 71 4.2. Sprzenie elektromechaniczne w miniu szkieletowym / 77 4.3. Skurcz minia szkieletowego / 80 4.4. Unerwienie ruchowe mini szkieletowych / 83 4.5. Metabolizm energetyczny mini szkieletowych / 87 4.6. Zmczenie mini / 87 4.7. Klasyfikacja komrek mini szkieletowych / 87 4.8. Zastosowanie elektromiografii do badania czynnoci mini / 89 4.9. Czynno mini szkieletowych w ustroju / 92 4 SPIS TRECI 5. Fizjologia receptorw Andrzej Niechaj / 93 5.1. Bodce i receptory / 93 5.2. Podzia receptorw / 93 5.3. Waciwoci receptorw / 93 5.4. Kodowanie informacji w receptorach / 95 5.5. Eksteroreceptory / 97 5.6. Interoreceptory / 98 5.7. Proprioreceptory / 98

5. 5.8. Unerwienie eferentne receptorw / 99 6. Zmys wzroku Olgierd Palacz / 100 6.1. Organizacja strukturalna i czynnociowa narzdu wzroku / 100 6.2. Oko jako ukad optyczny / 104 6.3. Fotorecepcja siatkwki / 107 6.4. Czynno wzrokowa / 108 6.5. Krenie pynu w komorach oka / 119 7. Zmys suchu i rwnowagi Maciej Gryczyski, Boy dar Latkowski / 121 7.1. Zmys suchu / 121 7.2. Zmys rwnowagi / 129 8. Czucie i percepcja Wadysaw Z. Traczyk / 135 8.1. Organizacja czynnociowa orodkowego ukadu nerwowego / 135 8.2. Czynno bioelektryczna mzgu / 139 8.3. Czynno magnetyczna mzgu / 149 8.4. Przekazywanie informacji czuciowej / 150 8.5. Czucie eksteroceptywne / 153 8.6. Czucie blu / 159 8.7. Czucie proprioceptywne / 164 8.8. Czucie interoceptywne / 166 8.9. Czucie teleceptywne / 168 8.10. Umiejscowienie procesw zwizanych z percepcj / 176 8.11. Elektroencefalografia i magnetoencefalografia / 177 9. Ruchy i postawa ciaa Andrzej Niechaj, Wadysaw Z. Traczyk / 179 9.1. Czynno rdzenia krgowego Andrzej Niechaj, Wadysaw Z. Traczyk / 179 9.2. Czynno ukadu ruchowego korowo-rdzeniowego i korowo-opuszkowego Wadysaw Z. Traczyk / 194 9.3. Czynno ukadu ruchowego podkorowego Wadysaw Z. Traczyk / 203 9.4. Czynno mdku Wadysaw Z. Traczyk j 207 9.5. Ruchy dowolne Wadysaw Z. Traczyk j 212 10. Zachowanie si czowieka Wadysaw Z. Traczyk / 214 10.1. Fizjologiczny mechanizm zdobywania i unikania / 214 10.2. Orodki motywacyjne midzymzgowia / 215 10.3. Ukad limbiczny / 218 10.4. Pola kojarzeniowe kory mzgu / 220 10.5. Plastyczno w orodkowym ukadzie nerwowym / 222 10.6. Uczenie si i zapamitywanie / 227 10.7. Lateralizacja funkcji w pkulach mzgowych / 233 11. Czynno mzgowia a rodowisko wewntrzne Wadysaw Z. Traczyk / 234 11.1. Metabolizm tkanki nerwowej / 234 11.2. Przenoszenie informacji / 236 11.3. Modulacja procesw wewntrzkomrkowych w neuronach / 249 11.4. Neurosekrecja / 249 11.5. Krenie pynu mzgowo-rdzeniowego / 254 11.6. Czynno gleju / 258 12. Sen i rytmy okoodobowe Waldemar Szelenberger / 259 12.1. Definicja snu / 259 12.2. Monitorowanie czynnoci fizjologicznych podczas snu / 259

6. 12.3. Obraz fizjologiczny snu prawidowego / 259 12.4. Obraz snu w ontogenezie / 261 12.5. Rytmy okoodobowe / 262 12.6. Neurobiologiczne podoe snu / 263 12.7. Pozbawienie snu / 265 12.8. Rola i znaczenie snu / 265 13. Termoregulacja Hanna Kaciuba-Ucilko / 266 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 13.6 13.7 13.8 Regulacja temperatury ciaa / 266 Drogi wymiany ciepa midzy organizmem a otoczeniem / 268 Podstawowe elementy termoregulacji / 269 Dziaanie mechanizmu termoregulacji / 272 Reakcje termoregulacyjne na zimno i gorco / 272 Termoregulacja podczas wysikw fizycznych / 274 Zaburzenia mechanizmw termoregulacji / 274 Gorczka / 275 14. Autonomiczny ukad nerwowy i minie gadkie Andrzej Trzebski / 277 14.1. Fizjologia autonomicznego ukadu nerwowego / 277 14.2. Minie gadkie / 323 15. Wydzielanie wewntrzne Stanisaw Konturek / 331 15.1. Charakterystyka i kontrola wydzielania wewntrznego / 332 15.2. Biosynteza i uwalnianie hormonw / 335 15.3. Mechanizm dziaania hormonw / 337 15.4. Wchanianie, transport i rozdzia hormonw / 342 15.5. Metody oznaczania hormonw / 342 15.6. Hormony podwzgrzowe / 342 15.7. Hormony przedniego pata przysadki / 346 15.8. Hormony czci poredniej przysadki / 352 15.9. Hormony rdzenia nadnerczy / 352 15.10. Hormony kory nadnerczy / 355 15.11. Hormony gruczou tarczowego / 365 15.12. Czynnoci wewntrzwydzielnicze trzustki / 372 15.13. Hormonalna regulacja metabolizmu wapniowo-fosforanowego / 384 15.14. Hormonalna regulacja metabolizmu wapniowego / 387 15.15. Hormony szyszynki / 393 16. Fizjologia ukadu krwiotwrczego Zdzisawa Traczyk j 395 16.1. Molekularne i komrkowe podstawy funkcjonowania / 395 16.2. Krew / 398 16.3. Czynno narzdw krwiotwrczych / 421 16.4. Odporno immunologiczna / 433 16.5. Hemostaza / 438 17. Fizjologia serca Bohdan Lewartowski J 445 17.1. Fizjologia miocytw minia sercowego / 445 17.2. Fizjologia przestrzeni pozamiocytarnej minia sercowego / 463 17.3. Mechanika i hemodynamika serca / 464 17.4. Metody obrazowania struktur serca ludzkiego i wewntrzsercowych przepyww / 475 XII SPIS TRECI 17.5. Nerwowa i humoralna regulacja czynnoci serca / 479 17.6. Metabolizm i zapotrzebowanie energetyczne minia sercowego / 484 17.7. Elektrokardiografia / 486 17.8. Zaburzenia przewodnictwa i rytmu / 495 17.9. Fizjologia krenia wiecowego / 503 18. Fizjologia krenia krwi Andrzej Trzebski / 508 18.1. Znaczenie fizjologiczne ukadu krenia krwi / 508

7. 18.2. Podstawy hemodynamiki / 509 18.3. Waciwoci biofizyczne ciany naczyniowej / 521 18.4. Przepyw krwi w ttnicach / 532 18.5. Mikrokrenie / 539 18.6. Powstawanie i krenie chonki / 546 18.7. Krenie ylne / 549 18.8. Miejscowa i humoralna regulacja przepywu krwi / 551 18.9. Rola fizjologiczna rdbonka naczyniowego w regulacji czynnoci naczy krwiononych / 554 18 10. Neuroregulacja krenia krwi / 560 19. Przepyw krwi w niektrych obszarach naczyniowych i regulacja cinienia ttniczego krwi Andrzej Trzebski / 589 19.1. Krenie pucne krwi / 589 19.2. Krenie mzgowe / 598 19.3. Przepyw krwi w miniach szkieletowych / 611 19.4. Przepyw krwi przez skr / 614 19.5. Regulacja dopywu krwi do narzdw pciowych zewntrznych i wzwd / 616 19.6. Regulacja cinienia ttniczego krwi / 619 20. Fizjologia oddychania Andrzej Trzebski j 629 20.1. Biologiczne podstawy czynnoci ukadu oddechowego / 629 20.2. Mechanika oddychania / 632 20.3. Wymiana gazowa w pucach / 661 20.4. Nurkowanie / 672 20.5. Neurogeneza rytmu oddechowego / 674 20.6. Odruchy wychodzce z ukadu oddechowego / 684 20.7. Homeostaza tlenowa / 695 20.8. Nieoddechowe funkcje ukadu oddechowego i ich regulacja przy fonacji, mowie i piewie / 715 21. Ukad trawienny Stanisaw Konturek / 717 21.1. Wstp / 717 21.2. Neurohormonalna regulacja przyjmowania pokarmu i czynnoci motoryczno-wydzielniczych ukadu trawiennego / 717 21.3. Motoryka przewodu pokarmowego i drg ciowych / 721 21.4. Czynnoci wydzielnicze gruczow trawiennych / 743 22. Czynnoci wtroby Stanisaw Konturek / 801 22.1. Budowa wtroby / 801 22.2. Wydzielanie ci / 803 22.3. Czynnoci wtrobowego ukadu krenia / 810 22.4. Czynnoci metaboliczne wtroby / 814 22.5. Inne czynnoci wtroby / 814 22.6. Prby czynnociowe wtroby / 815 22.7. Pcherzyk ciowy i drogi ciowe / 815 23. Regulacja gospodarki wodno-elektrolitowej organizmu Ewa Szczepaska-Sadowska / 816 23.1. Objto i skad przestrzeni wodnych / 816 23.2. Regulacja transportu substancji osmotycznie czynnych i wody przez bony biologiczne / 819 SPIS TRECI 7 23.3. Mechanizmy regulujce wewntrzustrojowe przemieszczenia wody i elektrolitw / 825 23.4. Mechanizmy regulujce bilans wodny i elektrolitowy / 831 24. Czynno nerek i wydalanie moczu Janusz Sadowski / 840 24.1. Wstp / 840 24.2. Nefron: powizania struktury i funkcji / 840

8. 24.3. Metody badania czynnoci nerek / 843 24.4. Krenie krwi w nerkach / 846 24.5. Filtracja kbuszkowa / 848 24.6. Regulacja ukrwienia nerek i filtracji kbuszkowej / 850 24.7. Transport kanalikowy jonw, wody i mocznika / 851 24.8. Zagszczanie i rozcieczanie moczu / 856 24.9. Rola nerek w regulacji rwnowagi kwasowo-zasadowej ustroju / 859 24.10. Transport kanalikowy substancji organicznych i sabych elektrolitw / 861 24.11. Udzia nerki w procesach wydzielania wewntrznego / 863 24.12. Niektre cechy metabolizmu tkanki nerkowej / 863 24.13. Drogi moczowe i wydalanie moczu / 864 25. Fizjologia rozrodu Teresa Pajszczyk-Kieszkiewicz / 865 25.1. Spermatogeneza / 865 25.2. Cykl miesiczkowy, owulacja / 866 25.3. Zapodnienie i zagniedenie / 873 25.4. Rozwj oyska i wymiana matka-pd / 875 25.5. Rozwj podu / 881 25.6. Zmiany w organizmie kobiety ciarnej / 882 25.7. Pord i pog / 884 25.8. Pokwitanie / 885 25.9. Menopauza / 887 26. Wysiek fizyczny i adaptacja do rodowiska naturalnego Krystyna Nazar / 890 26.1. Fizjologia wysikw fizycznych / 890 26.2. Fizjologiczne nastpstwa bezczynnoci ruchowej i dugotrwaego pozostawania w pozycji lecej / 911 26.3. Adaptacja do zmiennych warunkw rodowiska naturalnego / 913 27. Czowiek w rodowisku wielkoprzemysowym i elementy ergonomii Bolesaw Gwd / 915 27.1. Mikroklimat i promieniowanie cieplne / 915 27.2. wiato i promieniowanie nadfioletowe / 918 27.3. Dwiki i ultradwiki / 921 27.4. Promieniowanie jonizujce / 922 27.5. Czynniki mechaniczne rodowiska / 923 27.6. Przecienie i stany niewakoci / 925 27.7. Pole elektromagnetyczne / 926 27.8. Zmiany cinienia powietrza atmosferycznego / 927 27.9. Zanieczyszczenia powietrza gazowe i czstkowe / 928 27.10. Ergonomia / 929 Dodatek / 933 Skrty stosowane w tekcie / 933 Szczegowe symbole stosowane w fizjologii oddychania / 939 Skrty aminokwasw wystpujcych w biakach / 941 Mianownictwo steroidw / 942 Skorowidz / 943 MIDZYNARODOWY UKAD JEDNOSTEK MIAR XV Przeliczenie jednostek tradycyjnych uywanych w fizjologii i w medycynie na jednostki SI Midzynarodowego Ukadu Jednostek Miar (Systeme

9. International d'Unites) Wielko Jednostka i symbol tradycyjny Jednostka i symbol SI Mnonik Cinienie tor (mm Hg) cm H20 atmosfera (atm) paskal (Pa) hPa, kPa 133,3 1,333 0,1333 98,1 101324 Czsto min-1 herc (Hz) 0,0167 Energia kaloria (cal) dul (J) 4,185 Prdko km/h m/s 0,2778 Sia dyna (dyn) newton (N) 0,0167 Stenie molowe (M) rwnowanik/L (eq/L) g% (% w/v) mg% (% w/v) mol/L mol/L g/L g/L 1 1 x wartociowo 10 0,01 Temperatura stopnie Celsjusza (C) Kelwin (K) + 273 Aby przeliczy warto z jednostek tradycyjnych na jednostki ukadu SI naley przemnoy j przez wskanik (mnonik) w ostatniej kolumnie. Na przykad cinienie skurczowe 120 mm Hg odpowiada: 120x0,1333 s 16 kPa. Odwrotnie, w celu przeliczenia z jednostek midzynarodowych SI na jednostki tradycyjne, naley podzieli warto wyraon w jednostkach SI przez wskanik z ostatniej kolumny. Na przykad jeli cinienie ttnicze rozkurczowe wynosi 12 kPa, to odpowiada mu: 12/0,1333 s 90 mm Hg. Cinienie parcjalne tlenu w powietrzu atmosferycznym w jednostkach tradycyjnych wynosi w przyblieniu okoo 158 mm Hg, zalenie od stenia pary wodnej w powietrzu i od dokadnoci pomiaru wysokoci nad poziomem morza. W jednostkach SI odpowiada temu: 158 x 0,1333 = 21,06 kPa. Odpowiednio przeliczamy take cinienia parcjalne gazw w powietrzu czy we krwi (prno), np. cinienie parcjalne tlenu w powietrzu pcherzykowym: 100 mm Hgx 0,1333 = 13,33 kPa. Podobnie z wartoci tradycyjnych przeliczamy na odpowiednie jednostki SI czsto, energi, prdko, si czy stenie substancji, mnoc wartoci w jednostkach tradycyjnych przez liczb podan w ostatniej kolumnie. W celu przeliczania odwrotnegoz jednostek SI na jednostki tradycyjne dzielimy posiadan warto w jednostkach SI przez liczb z ostatniej kolumny. Jedynie przy przeliczaniu temperatury ze stopni w skali Celsjusza na jednostki SI naley doda (a nie mnoy lub dzieli) liczb 273 z ostatniej kolumny (zero absolutne) do wartoci temperatury w skali Celsjusza. Uzyskujemy wtedy temperatur w jednostkach SI, tzn. w stopniach Kelwina. 1

10. Regulacja czynnoci fizjologicznych Andrzej Trzebski 1.1. Zoono ywych organizmw Fizjologia jest nauk o czynnoci ywych organizmw. Jedn z fundamentalnych ich waciwoci jest zoono (complexity). Zoono oznacza pewien stopie nieredukowalnoci ukadu. Ukady zoone skadaj si z elementw wzajemnie oddziaujcych na siebie w taki sposb, e nawet ich czciowe usunicie powoduje, e organizm traci swj charakter jako indywidualna cao. Ta cecha odrnia ukady zoone od ukadw tylko skomplikowanych. Zoono nie jest wycznie cech ywych organizmw. Ukadami zoonymi s take spoecznoci ludzkie czy zwierzce, ekosystemy biologiczne, caa biosfera, systemy gospodarcze, spoeczne i wszystkie inne, w ktrych liczne elementy skadowe oddziauj na siebie na zasadzie wzajemnych sprze zwrotnych. Ukady zoone charakteryzuj si pewnym stopniem nieprzewidywalnoci. Nie mona prognozowa czynnoci caego ukadu na podstawie analizy jego pojedynczych elementw odizolowanych od caoci. Rygory cisoci naukowej skaniaj badaczy do badania konfiguracji molekularnej genw, makroczsteczek, organelli i receptorw bony komrkowej, czy ruchu jonw poprzez kanay bon komorowych w izolacji od czynnikw nie kontrolowanych przez eksperymentatora. Takie podejcie badawcze, zwane redukcjonizmem, przynioso spektakularne sukcesy w naukach biologicznych i biomedycznych, szczeglnie dziki zastosowaniu metod biologii i genetyki molekularnej. Redukcjonizm ma jednak swoje ograniczenia. Mona wprawdzie izolowa z caoci organizmu poszczeglne procesy molekularne, bada je in vitro i wyciga wnioski diagnostyczne o skutkach nieprawidowoci molekularnych dla czynnoci organizmu, a niekiedy nawet naprawia takie defekty przez implan-tacje prawidowych genw do genomu pacjenta i usuwa tym sposobem chorob (terapia genowa). Jednak postpowanie odwrotne nie jest ju tak proste: nie sposb bowiem zoy caego organizmu z izolowanych czsteczek i zrozumie jego funkcjonowania na podstawie znajomoci procesw molekularnych. Organizm jako cao jest czym wicej ni sum swych czci. Wzajemne sprzenia zwrotne pomidzy du liczb czsteczek powoduj nowe jakociowo prawidowoci, ktre mona modelowa matematycznie wykorzystujc metody dynamiki nieliniowej (matematyk chaosu deterministycznego, p. rozdz. 1.8.2 i 1.8.3). Nawet bardzo proste ukady zoone mog zachowywa si w bardzo skomplikowany sposb. Zrozumienie czynnoci ywego organizmu oparte na znajomoci tylko jego struktury molekularnej, byoby tym samym czym prba ogarnicia pikna i symboliki redniowiecznych katedr gotyckich oparta na znajomoci technologii wytwarzania cegie, z ktrych katedry te wznieli niegdy redniowieczni mistrzowie. Warto poznawcz i praktyczn ma poznanie skutkw manipulacji molekularno-genetycznych dla czynnoci caego organizmu. Tak postaw badawcz okrela si jako integracyjn. Szczegln cech fizjologii wrd innych nauk biomedycznych jest podejcie integracyjne. Oznacza ono badanie regulacji (control) i adaptacji czynnociowej organizmu. Regulacj nazywa si dziaanie wzajemnych powiza

11. czynnociowych, sprze zwrotnych, niezbdnych do funkcjonowania organizmu jako caoci. Integracyjna postawa badawcza okrelana jest 11 FIZJOLOGIA CZOWIEKA Z ELEMENTAMI FIZJOLOGII STOSOWANEJ I KLINICZNEJ take, niezbyt precyzyjnie, jako holistyczna (od angielskiego sowa whole" cay). Zaburzenia regulacji le u podstaw chorb czowieka. Adaptacja fizjologicznych mechanizmw regulacyjnych do zwikszonego obcienia decyduje o wydolnoci organizmu podczas wysiku fizycznego, czy te o zwikszonej opornoci w sytuacjach takich, jak niska lub wysoka temperatura otoczenia, obnienie cinienia parcjalnego tlenu na duych wysokociach, gd, pragnienie, utrata wody i pynw ustrojowych, stan niewakoci w przestrzeni kosmicznej czy wysiek emocjonalny i umysowy. Te mechanizmy przystosowawcze czowieka bada fizjologia stosowana i kliniczna. Poziomy materii procesw yciowych przedstawia rycina 1.1. Pomidzy procesami w mikro Ryc. 1.1. Poziomy materii. i makroskali zachodzi dynamiczne oddziaywanie o skomplikowanym nieliniowym charakterze (p. rozdz. 1.8.2 i 1.8.3). Zalenoci pomidzy procesami biologicznymi a atomowymi i subato-mowymi nie maj jednak charakteru hierarchicznego, poniewa przebiegaj w innych wymiarach wielkoci. Na poziomie subatomowym i atomowym dziaaj prawa mechaniki kwantowej. Rwna mechaniki kwantowej nie udao si przenie ani na poziom organizacji DNA, ani czsteczek biakowych, stanowicych substrat ycia. Badanie materii w makroskali biologicznej i w mikroskali subato-mowych czsteczek elementarnych odbywa si wedug odmiennych regu i, jak dotd, nie znaleziono midzy nimi wsplnego systemu pojciowego. 1.2. Entropia Od czasu bada Carnota w poowie XIX wieku nad obiegiem ciepa w silnikach parowych wiadomo, e energia cieplna rozprasza si i tylko cz jej moe by wykorzystana jako swobodna energia mechaniczna do napdzania silnika. Prawidowo ta uoglniona zostaa przez Thomsona w roku 1852 i wyraona przez Kelvina jako druga zasada termodynamiki. Zasada ta gosi, e ukady posiadajce du swobodn energi, zdoln do przeksztacenia si w prac mechaniczn, rozpraszaj j i dlatego s ukadami dysypatywnymi (rozpraszajcymi). Ukad dysypatywny w miar upywu czasu przeksztaca si w mniej uporzdkowany o mniejszej swobodnej energii. Prawo rozpraszania energii wyjania niemoliwo skonstruowania maszyny typu perpetuum mobile. Nieuporzdkowanie ukadu okrela si ilociowo wartoci zwan entropi (nazwa wprowadzona przez Clausiusa w 1865 r.). W 1872 r. fizyk niemiecki Ludwig Boltzmann rozwin kinetyczn teori gazw. Analizowa mo REGULACJA CZYNNOCI FIZJOLOGICZNYCH 11

12. del matematyczny ruchu pojedynczych czsteczek gazu rozmieszczonych nierwnomiernie w przestrzeni. Przypadkowe ich zderzenia pod wpywem si generowanych przez wzbudzenie termiczne tworz si wypadkow, popychajc wikszo czsteczek z obszarw duego zagszczenia, gdzie zderzenia s czstsze, do przestrzeni wikszego rozproszenia, gdzie prawdopodobiestwo zderze jest mniejsze. Boltzmann zastosowa tu rachunek prawdopodobiestwa kadc, wraz z Maxwellem i Gibbsem, podwaliny mechaniki statystycznej. Pojcie prawdopodobiestwa wprowadzi jeszcze w XVII wieku Blaise Pascal. W 1812 r. matematyk francuski Laplace zdefiniowa prawdopodobiestwo jako stosunek pojedynczego zdarzenia do liczby wszystkich moliwych zdarze rwnoprawdopo-dobnych: n gdzie: P prawdopodobiestwo, a liczba zaistniaych zdarze, n liczba wszystkich moliwych i rwnoprawdopodob-nych zdarze. Na przykad podczas gry kostk o ksztacie szecianu prawdopodobiestwo wyrzucenia jednej z szeciu moliwych liczb wynosi 1:6 = 0,16667, a prawdopodobiestwo wycignicia okrelonej karty z talii 52 rnych kart wynosi V52 = 0,01923. Bezporedniego dowodu kinetycznej teorii gazu i cieczy dostarczya analiza ruchw Browna. Ruchy Browna, obserwowane pod mikroskopem jako bezadne poruszanie si drobnych pykw w cieczy, wydaj si cakowicie przypadkowe. Zachowanie przypadkowe okrela si jako stochastyczne. Te stochastyczne ruchy zanalizowa w 1906 r. w kategoriach teorii prawdopodobiestwa wybitny polski fizyk Marian Smoluchowski (rwnolegle z Albertem Einsteinem). Rwnanie Smoluchowskiego--Einsteina potwierdzio kinetyczn teori gazw i cieczy dowodzc, e ruchy Browna powstaj pod dziaaniem si udzielanych od przypadkowych zderze z termicznie wzbudzonymi czsteczkami cieczy. Rwnanie to stao si wanym etapem rozwoju fizyki statystycznej. Opierajc si na teorii prawdopodobiestwa Boltzmann uoglni drug zasad termodynamiki przez wyraenie jej w postaci tzw. funkcji lub twierdzenia H. H = -klnP gdzie: k stal Boltzmanna, P prawdopodobiestwo znalezienia czsteczki gazu w takim obszarze, w ktrym liczba czsteczek rni si od liczby czsteczek w pozostaych obszarach o rwnomiernym rozmieszczeniu czsteczek. Czsteczki rozproszone rwnomiernie przechodz z jednakowym prawdopodobiestwem w obu kierunkach do ssiadujcych ze sob obszarw. Prawa strona rwnania ma znak ujemny. Im wysza zatem warto H, tym mniejsze prawdopodobiestwo znalezienia czsteczki w takim miejscu przestrzeni, gdzie liczba czsteczek jest inna ni w obszarach o rwnomiernym ich rozproszeniu. Nie-rwnomierno rozmieszczenia stanowi rodzaj uporzdkowania przestrzennego. Warto H stanowi zatem miar uporzdkowania i jest okrelana niekiedy jako odwrcona entropia (negentropia). Jeli zmieni si jej znak na ujemny, wwczas stanie si rwnoznaczna z entropi, czyli miar rwnomiernoci rozproszenia, a wic nieuporzdkowania. Z funkcji H wynika, e wszystkie zoone i zorganizowane ukady dynamiczne o duej swobodnej energii (niskiej entropii) s nietrwae, poniewa prawdopodobiestwo ich istnienia w stanie uporzdkowanym jest mae. Ukadw uporzdkowanych jest niepomiernie mniej od bezmiaru nieuporzdkowania. Dowolny ukad pozostawiony sam sobie ewoluuje w kierunku maksymalizacji entropii, a do osignicia rwnowagi termodynamicznej. Rwnowaga termodynamiczna oznacza maksymaln entropi (nieuporzdkowanie) i jest granic, do ktrej zdaj procesy termodynamiczne. Zgodnie z rwnaniem Boltzmanna i z reguami rachunku prawdopodobiestwa wzrost entropii jest, w sensie statystycznym, procesem nieodwracalnym. Boltzmann uzna przyrost entropii, zgodny z kierunkiem upywu (strzak) czasu, za uniwersaln zasad w przyrodzie nie tylko w wymiarze termodynamicznym, lecz take subiektywnym (antropicznym), jako poczucie upywajcego czasu. Mona to wyrazi twierdzeniem, e rozpraszanie (dysypacja) energii i nieuchronny wzrost entropii w przyrodzie okrela kierunek upywu czasu, jego strzak skierowan zawsze tylko w jedn stron: od przeszoci ku przyszoci. Pniej dodano take kosmologiczny wymiar strzaki czasu, zgodny z kierunkiem rozszerzania si wszechwiata i rozpraszania materii na zewntrz, poczynajc od stanu osobliwoci w chwili Wielkiego Wybuchu. Strzaka czasu nie moe odwrci kierunku na wsteczny, od entropii wikszej do entropii mniejszej, na podobiestwo tamy filmowej lub wideo przesuwajcej si w odwrotn stron. Dzban czy jajko, ukady zoone i skomplikowane o maej entropii, po rozbiciu nie zo si samorzutnie, nie wrc ze stanu nieuporzdkowania (wysokiej entropii) do pierwotnej struktury o niszej entropii. Prawo wzrostu entropii

13. wyznaczajce nieodwracalnie kierunek strzaki czasu jest zgodne z codziennym dowiadczeniem. W czasie studiw w chwili czytania tych sw nie moemy pamita" przyszego otrzymania dyplomu po studiach, naszej 13 FIZJOLOGIA CZOWIEKA Z ELEMENTAMI FIZJOLOGII STOSOWANEJ I KLINICZNEJ pracy zawodowej, specjalizacji, urodzenia naszych dzieci. Jest bowiem skrajnie nieprawdopodobne, aby strzaka czasu si odwrcia i nasza przyszo bya stanem, od ktrego cofamy si ku teraniejszoci i ku przeszoci. Gdyby tak byo, to wtedy nasza przeszo byaby zasonita przed nami dokadnie tak samo, jak nasza przyszo. Gdyby przepowiednie wrbitw byy prawdziwe, to ich strzaka czasu musiaaby by odwrcona: widzc przyszo mieliby zakryt przeszo: nic nie mogliby powiedzie o swoim dziecistwie, czy o tym co robili poprzedniego dnia. Podre w czasie istniej tylko w literaturze fantastyki naukowej. 1.2.1. Teoria informacji Pojcie entropii jest stosowane nie tylko w termodynamice i fizyce statystycznej, ale rwnie w teorii informacji Shannona. Entropia informacyjna oznacza stopie nieokrelonoci czy niepewnoci, jak ma odbiorca odbierajcy sygnay ze rda informacji (ryc. 1.2). Shannon posuy si tzw. ukadem dyskretnym, w ktrym istniej tylko dwa stany 0 i 1 i nic poredniego pomidzy nimi. Taki system dyskretny nosi take nazw systemu cyfrowego, w tym przypadku dwjkowego (binarnego), zerojedynkowego. Wywodzi si on z algebry Boola, opartej na liczbach dwjkowych a nie dziesitnych. Ogromn zalet systemu liczenia w rozwiniciu dwjkowym okazaa si jego przydatno w jzykach i programach komputerowych. Pojawienie si wydarzenia (tak) oznacza jedynka, jego brak za (nie) zero. rd o wiad o- moc i Nadaj nik (orga n sygn a- lizuj cy) Kana cznoci Urz- dzenie odbior cze (recept or) Ryc. 1.2. Schemat blokowy przesyania informacji. Stopie nieokrelonoci informacji odbieranych od nadawcy (rda) mierzy si liczb operacji dwjkowych (binarnych), jak naley wykona, aby zmniejszy niepewno informacyjn sygnau. Jednostk informacji jest bit (skrt angielskiego wyraenia binary digit"). Jeden bit oznacza ilo niepewnoci, ktr usuwa si jedn operacj binarn kiedy usunie si niepewno, gdy mamy do czynienia z dwoma rwnoprawdopodobnymi wydarzeniami. Na przykad ilo informacji przekazana ojcu, e urodzi mu si syn, a nie crka wynosi jeden bit, poniewa niepewno polegaa na tym, e istniay dwie rwnoprawdopodobne moliwoci i jedna z nich zostaa usunita przekazanym komunikatem. Ilo informacji jest dua wtedy, kiedy sygna informacyjny pochodzi z duej liczby moliwych zdarze. Naley wykona wiele operacji binarnych, aby zmniejszy tak niepewno. Jeli otrzymamy komunikat o jakim wydarzeniu spord 4 moliwych rwnoprawdopodobnych wydarze, wwczas taki przekaz informacyjny bdzie zawiera 2 bity informacji. W celu zredukowania niepewnoci naleao dokona 2 operacji zero-je- dynkowych: najpierw podzieli cztery moliwe wydarzenia na dwa zbiory, a nastpnie dokona po raz drugi podziau pozostaych zbiorw na kolejne poowy. Mona to uoglni twierdzeniem, e dla S moliwych stanw rwnoprawdopodobnych ilo informacji wyraona w systemie dwjkowym (binarnym) w n bitach bdzie wynosi: 2" = S. Rwnanie to przeksztacamy w form logarytmiczn, stosujc logarytm o podstawie 2: b = log2S, gdzie b oznacza liczb bitw, czyli liczb operacji binarnych niezbdnych do zmniejszenia nieokrelonoci lub niepewnoci ukadu, jego entropii informacyjnej. Dlatego bity zapisuje si w liczbach cakowitych, zaokrglajc uamki w gr. I tak, informacja zawarta w rzucie kostk wynosi 3 bity, chocia jej dokadna warto stanowi lg26 = 2,45. Wycignicie jednej karty z 52 w talii dostarcza 8 bitw informacji (zaokrglony lg252), a wybranie jednej liczby z 49 w totolotku zmniejsza nieokrelono ukadu o 7 bitw. Uoglniajc: S = k-lg2P gdzie: S entropia informacyjna, k staa rwnania, P prawdopodobiestwo.

14. Jest to wyraenie analogiczne do omwionego powyej rwnania Boltzmanna. Jeli ilo informacji przekazywan jako liczb bitw w jednym komunikacie oznaczy si przez b, wwczas: b = = klg2P, a b bdzie wartoci odpowiadajc H. Zgodnie z rwnaniem informacja o zdarzeniu jest tym wiksza, im zdarzenie jest mniej prawdopodobne. Zdarzenia spodziewane, bardzo prawdopodobne (warto P wysoka), s ubogie informacyjnie, okrela je maa liczba bitw, poniewa prawa strona rwnania ma warto ujemn, podobnie jak w rwnaniu Boltzmanna. 1.2.1.1. Kodowanie, przekazywanie i magazynowanie informacji Za pomoc teorii informacji mona wyraa w sposb ilociowy przenoszenie i kodowanie sygnaw biologicznych w kanaach informacyjnych, takich REGULACJA CZYNNOCI FIZJOLOGICZNYCH 14 jak wkna nerwowe, sieci neuronalne, czy krew i pyny ustrojowe, poprzez ktre dziaaj wielkie ukady regulacyjne organizmu, takie jak ukad odpornociowy czy hormonalny. Informacja jest przenoszona z reguy w sposb cyfrowy, binarny, ale z pewn modyfikacj zwan kodem dyskretnie cyfrowym. Polega on na tym, e sygna przeksztacany jest na pojedyncze zdarzenia, np. otwarcie pojedynczych kanaw bonowych, potencjay czynnociowe (impulsy), ale czsto wystpowania tych identycznych sygnaw zaley od intensywnoci bodca dziaajcego na receptor bony komrkowej czy na zakoczenie nerwowe. Im wiksza amplituda bodca, tym wicej aktywizuje si pojedynczych kanaw bonowych i czciej generowane s potencjay czynnociowe w czuciowych zakoczeniach nerwowych, kady z nich o identycznej amplitudzie (p. rozdz. 3). Informacja o sile bodca zakodowana jest w sposb dyskretnie cyfrowy czstoci, a nie amplitud impulsw nerwowych (p. rozdz. 5). Taki sposb przekazywania infor- macji, wyksztacony w czasie miliardw lat ewolucji biologicznej, czowiek wspczesny zastosowa do- piero niedawno jako sposb przekazu radiowego, telefonu komrkowego czy telewizyjnego w tzw. systemie modulacji czstotliwociowej i cyfrowej w pasmach FM (freuency modulation). Organizmy korzystaj z kodowania i przekazywania informacji take w formie analogowej (cigej) poprzez modulacj wielkoci (amplitudy) biopotencjau elektrycznego, podobnie do systemu modulacji amplitudowej fal radiowych AM (od sw angielskich amplitud modulation"). Dziaanie bodcw chemicznych, mechanicznych, wietlnych i innych powoduje potencja generatorowy receptora lub potencja postsynaptyczny (p. rozdz. 3 i 5) o amplitudzie narastajcej stopniowo (analogowo) w miar zwikszania siy bodca lub stenia aktyw- nych biologicznie substancji (hormonw, neuro-transmitterw, jonw). Kodowanie informacji w sposb cyfrowy wspdziaa z systemem analogowym. Na przykad stopniowe pynne (analogowe) zwikszanie amplitudy potencjau postsynaptycznego neuronu w miar stenia transmittera w synapsie zaley od tego, e zwikszajca si liczba czsteczek transmittera otwiera (lub zamyka) coraz wiksz liczb pojedynczych kanaw jonowych bony komrkowej. Kady z nich pod dziaaniem bodca chemicznego dziaa cyfrowo i binarnie, poniewa przyjmuje tylko dwie pozycje: zamknicia lub otwarcia. Znikome prdy, mierzone w nanoamperach, pynce przez pojedyncze kanay sumuj si i dziki temu amplituda potencjau postsynaptycznego narasta w sposb analogowy, mimo i jest wynikiem sumy procesw cyfrowych. 1.2.1.2. Biologiczne znaczenie informacji Szacuje si, e kora mzgowa czowieka moe zapamita, tzn. zmagazynowa, okoo 3 x 109 bitw informacji. Liczba ta oparta jest na upraszczajcych zaoeniach, e dla zmagazynowania jednego bitu informacji potrzeba 10 neuronw, e liczba neuronw kory mzgowej u czowieka wynosi 3 x 108 i e kady z nich odgrywa identyczn rol w magazynowaniu zapamitanej informacji. Informacja w wymiarze matematycznym nie ma charakteru jakociowego, nie okrela roli biologicznej przekazu, jego treci semantycznej, takiej jak znaczenie sw, zda czy caych tekstw lub wypowiedzi. Ostatnio w pracach nad konstrukcj tzw. sztucznej inteligencji w sieciach neuronopodobnych modeluje si procesy zapamitywania w taki sposb, aby do pamici komputera wprowadza okrelone wspczynniki wagowe, charakteryzujce warto biologiczn informacji. Magazyny informacji przechowywane i przekazywane w kodzie genetycznym DNA, modyfikowane w przebiegu ewolucji, decyduj o budowie i mechanizmach fizjologicznych ywych organizmw i o ich adaptacji do otaczajcego rodowiska przyrodniczego i spoecz- nego. Obok materii i energii informacja stanowi trzeci, rwnorzdn kategori istnienia i funkcjo- nowania ywych organizmw, w wymiarze jednostki, gatunku i caej populacji. Informacja w rozumieniu biologicznym i spoecznym nie daje si jednak sprowadzi cakowicie do matematycznej teorii informacji Shannona. 1.3. Struktury dyssypatywne

15. Konsekwencje drugiej zasady termodynamiki wydaj si sprzeczne z powstaniem i rozwojem ywych organizmw, ukadw wysoce zoonych, ktre zorganizoway si samorzutnie na naszej planecie okoo 3 miliardy lat temu. Ewolucj biologiczn charakteryzuje zwikszajca si organizacja materii i zmniejszanie si entropii. Z punktu widzenia drugiej zasady termodynamiki moe si to wydawa rwnie nieprawdopodobne jak samorzutne skadanie si w cao skorup rozbitego jajka. Czas termodynamiczny dy do rwnowagi rosncego nieporzdku, podczas gdy czas biologiczny, odmierzany ewolucj, biegnie w stron zoonoci i porzdku. Sprzeczno ta intrygowaa wielu fizykw, m.in. laureatw Nagrody Nobla: twrc mechaniki kwantowej niemieckiego fizyka Erwina Schrdingera czy amerykaskiego odkrywc kwarkw Murraya Gell-Man-na. W ksice Czym jest ycie?" Schrdinger uzna ycie za niezwyke we wszechwiecie dlatego, e polega ono na staym zmniejszaniu entropii, czyli 15 FIZJOLOGIA CZOWIEKA Z ELEMENTAMI FIZJOLOGII STOSOWANEJ I KLINICZNEJ jak to okreli, na zwikszeniu entropii negatywnej (negentropii), stanowicej odpowiednik funkcji H wg Boltzmanna. Proces ten nazwa obrazowo wsysaniem porzdku z otaczajcego niezorganizowa-nego wiata, dar ucieczki przed rozpadem w atomowy chaos". To wsysanie" strumienia porzdku (negentropia) dotyczy nie tylko samych ywych organizmw, ale take produktw ich dziaania, np. u zwierzt budowania gniazd i legowisk, plastrw miodu czy mrowisk, a u wspczesnego czowieka konstrukcji skomplikowanych narzdzi, budowli, maszyn, czy wreszcie komputerw i ich programw, ukadw o nadzwyczaj wysokim stopniu zoonoci i tym samym o niskiej entropii. Dziki ywym organizmom rozbity dzban moe by na powrt zoony przez czowieka, a rozbite jajko, jeli podamy je kurze jako pokarm, moe odrodzi si ponownie w zoonej postaci nowego jajka. Wytumaczeniem tej niezwykej waciwoci ywych organizmw jest fakt, e s one ukadami otwartymi i w przeciwiestwie do ukadw zamknitych (adiabatycznych) otrzymuj zorganizowan energi z zewntrz. Organizm czowieka i zwierzt pobiera pokarm w acuchu pokarmowym w postaci zorganizowanych zwizkw o niskiej entropii. Pierwotnym ich rdem s roliny zielone i zachodzca w nich, dziki chlorofilowi, reakcja fotosyntezy reakcja ycia. Fotosyntez umoliwiaj wypromieniowane przez Soce fotony wietlne o duej energii. Zgodnie ze wzorem Plancka energia pojedynczego kwantu zawarta w fotonie wynosi: E = h v gdzie: E energia kwantu energii. v czsto fali elektromagnetycznej, h staa Plancka. Fotony wiata widzialnego maj du czstotliwo drga tzn. krtk fal elektromagnetyczn i zgodnie z rwnaniem Plancka nios skoncentrowane pakiety energii, czyli s energetycznie uporzdkowane, posiadaj ma entropi. Znaczenie promieniowania sonecznego dla ycia polega nie tylko na dostarczaniu energii cieplnej, ale przede wszystkim na zaopatrywaniu go w wiato widzialne energi o maej entropii. Cakowita ilo energii dostarczana Ziemi przez Soce jest wy-promieniowywana przez nasz planet ponownie w przestrze kosmiczn, ale gwnie pod postaci ciepa, czyli kwantw o mniejszej czstoci drga (duszej fali) i mniejszej energii kadego kwantu. Tylko niewielka cz wiata sonecznego o maej entropii odbijana jest z powrotem przez Ziemi jako wiato widzialne. Jeli cakowita energia pobierana od Soca i wypromieniowana zwrotnie przez Ziemi jest taka sama, to zgodnie z prawem zachowania energii liczba kwantw cieplnych, oddawanych w przestrze kosmiczn, z ktrych kady niesie ma energi, musi by znacznie wiksza od liczby wysokoenergetycznych fotonw otrzymywanych od Soca. Energia promieniowania cieplnego jest bardziej rozproszona, mniej uporzdkowana, dlatego przy tej samej energii entropia oddawana przez Ziemi w kosmos jest wiksza od entropii otrzymywanej od Soca. Ta rnica stwarza korzystny bilans, umoliwiajcy ycie. Rnic entropii wykorzystuj organizmy zwierzce do przeciwdziaania drugiemu prawu termodynamiki. Entropia prostych, kocowych produktw metabolizmu (dwutlenku wgla, wody, mocznika, amoniaku, kwasu moczowego) jest znacznie wiksza ni entropia wysoce zorganizowanych, dziki fotosyntezie, substancji przyswajanych jako pokarm. Dodatni bilans entropii globalnej nie wyjania jednak spontanicznego powstania zorganizowanych form ywej materii z prostych zwizkw organicznych. Pierwszym badaczem, ktry jeszcze w 1952 r. zaproponowa matematyczny model powstawania zoonych ywych struktur by matematyk angielski Alan Turing, pionier (wraz z von Neumannem, matematykiem austriackim) teorii maszyn matematycznych. Ilja Prigogine, fizykochemik belgijski, laureat Nagrody Nobla, wyjani te dylematy w 1968 r. Prigogine bada procesy chemiczne dalekie od rwnowagi

16. termodynamicznej, do ktrej zda ostatecznie cay ukad. Bada m.in. in vitro dynamik klasycznej ju dzisiaj acuchowej auto-katalitycznej reakcji chemicznej Bielousowa-abo-tyskiego. Reakcja ta, podobnie jak inne reakcje chemiczne, zmierza jednokierunkowo do stanu rwnowagi termodynamicznej, stanu ustalonego, w ktrym entropia osiga warto maksymaln i ju dalej si nie powiksza. Osobliwo reakcji Bielou-sowa-abotyskiego polega na pojawianiu si po drodze periodycznych fluktuacji w postaci naprze- miennego powstawania i rozpadania si struktur chemicznych w mieszaninie prostych nieorganicznych soli i kwasw (bromianw, soli cezu lub elaza, kwasu cytrynowego, siarkowego i innych). Fluktuacje te uwidaczniaj si jako rytmiczne zmiany barw roztworu, czerwonej i niebieskiej, bez odcieni przejciowych. Dzieje si tak wskutek zsynchronizowanego pojawiania si i rwnie nagego synchronicznego rozpadania kompleksw chemicznych. Reakcje takie maj charakter autokatalitycz-ny. Obecnie poznano ich znacznie wicej. Do tej kategorii reakcji chemicznych naley fotosynteza i glikoliza. Przykadowo, cAMP aktywizuje enzym cyklaz adenylanow zwikszajc tym samym auto-katalitycznie w pewnym wzgldnie staym rytmie swoj wasn syntez z ATP. Chemiczne reakcje oscylacyjne tego typu nazywa si zegarem chemicz REGULACJA CZYNNOCI FIZJOLOGICZNYCH 16 nym. Prigogine, pracujcy w Brukseli, opracowa ich model matematyczny znany pod nazw brus-selatora. Niezbdnym warunkiem takich oscylujcych reakcji jest stan odlegy od rwnowagi termodynamicznej, tzn. od stabilizacji chemicznej, do ktrej cay ukad zmierza, zgodnie z drug zasad termodynamiki. W sytuacjach nierwnowagi termodynamicznej dominuj procesy charakteryzujce si dynamik nieliniow (p. rozdz. 1.8.1 i 1.8.2). Reakcje chemiczne przebiegaj wtedy wedug zasady minimum przyrostu entropii: ukad dy wprawdzie do rwnowagi termodynamicznej, do stanu ustalonego, w ktrym entropia staje si maksymalna, ale proces ten przebiega bardzo wolno, w sposb optymalny z punktu widzenia szybkoci utraty swobodnej energii. Najwaniejszym osigniciem Prigogine'a byo odkrycie struktur dyssypatywnych, spontanicznie samoorganizujcych si zoonych kompleksw, powstajcych tylko w stanach nierwnowagi termodynamicznej podczas rozpraszania si (dyssypacji) energii. W tych szczeglnych strukturach przyrost swobodnej energii przewaa nad jej utrat (dyssypacj), czyli entropia zmniejsza si, a nie zwiksza. Dziki temu materia moe samoorganizowa si w zoone struktury. Spontaniczna samoorganizacja materii dokonuje si tylko w sytuacjach nierwnowagi, niestacjonarnoci termodynamicznej, okrelanej jako stany nieustalone. Stany nie ustalone charakteryzuj si nieliniowymi fluktuacjami i wahaniami poziomw energetycznych. Takie fluktuacje nie rozbijaj samoorganizujcego si zoonego ukadu, poniewa przeciwdziaaj temu wewntrzne ujemne sprzenia zwrotne regulacyjne. ywy organizm nie mgby nigdy powsta ani adaptowa si do rodowiska, gdyby nie wykazywa pewnego stopnia fluktuacji i nieregularnoci, pozornego nieporzdku. Nieregularnoci i pozorna przypadkowo zachodz wedug pewnych regu. Matematyczne modele takiego zachowania stworzono dziki powstaniu nowego dziau matematyki chaosu deterministycznego (p. rozdz. 1.8.1). W pozornym dynamicznym nieporzdku kryje si w istocie gbszy porzdek i tajemnica ycia. Nieuporzdkowane zachowanie jest procesem twrczym, poniewa, w przeciwiestwie do newtonowskich procesw liniowych, tylko ono jest zdolne do tworzenia nowoci, do generowania ukadw cakowicie nowych. Takie waciwoci okrela si jako emer-gencyjne. ywe organizmy s strukturami dyssypa-tywnymi, dalekimi od rwnowagi termodynamicznej. Charakteryzuj si wysokim stopniem zoonoci i malejc w miar rozwoju entropi. Cen, jak za to pac jest ich nietrwalo. Jednokierunkowa strzaka czasu nie przestaje bowiem dziaa take w warunkach dalekich od rwnowagi termodynamicznej. Bez powolnego przyrostu entropii w otaczajcym rodowisku, nie mogyby wyania si wysoko zorganizowane struktury dysypatywne, ktre zgodnie z drug zasad termodynamiki maj swj pocztek, a zatem swoj przeszo i tym samym swoj przyszo. Jak dugo regulacje fizjologiczne przeciwstawiaj si skutecznie niwelujcemu dziaaniu drugiego prawa termodynamiki i chroni zoono, tak dugo organizm yje. Strzaka czasu wskazuje zawsze tylko jeden kierunek od zoonoci i nierwnowagi do dezorganizacji i stanu rwnowagi termodynamicznej. Rwnowaga termodynamiczna oznacza maksymaln entropi, rozpad zorganizowanej caoci na elementy proste, nie powizane czynnociowo ze sob. Z t chwil ycie organizmu dobiega koca. Stopniowo narastajce wyciszenie nieregularnoci, a do ich cakowitego uspokojenia" jest spokojem mierci. Z nadejciem tej chwili organizm ginie jako cao biologiczna, chocia jeszcze przez pewien czas utrzymuj si czynnoci poszczeglnych narzdw czy komrek. mier mona zdefiniowa jako nieuniknione zwycistwo drugiej zasady termodynamiki nad yciem, czyli nad mechanizmami fizjologicznymi

17. utrzymujcymi i regulujcymi zoono organizmu, jego homeostaz i homeodynamik (p. rozdz. 1.6 i 1.10). 1.4. Replikacja ywych organizmw Nietrwao indywidualnych osobnikw musiaaby szybko doprowadzi do unicestwienia procesw yciowych, gdyby nie to, e organizmy maj zdolno do replikacji cech charakterystyczn dla materii ywej. Informacja o zoonej strukturze czynnociowej organizmu nie ginie z chwil jego mierci, poniewa jest zapisana w strukturze molekularnej sekwencji DNA genomu i przekazywana potomkom. Organizm ywy stanowi ukad chemiczny samopodtrzymujcy si i podlegajcy ewolucji darwinowskiej. Ogromna zmienno, wzmocniona dziki rozmnaaniu pciowemu, zapewnia skuteczno selekcji najlepszych kombinacji genetycznych, uatwiajc dziaanie presji genetycznej w takim wanie kierunku. Zasada doboru naturalnego, odkryta przez Karola Darwina, wykorzystana jest obecnie do badania ewolucji w skali molekular-no-genetycznej. Presja genetyczna stanowi si napdow ksztatujc w czasie setek tysicy i milionw lat organizmy bardziej sprawne i zazwyczaj bardziej zoone. Fizjologia ewolucyjna bada rozwj i przeksztacenie si mechanizmw regulacji, przystosowujcych organizmy i gatunki odpowiednio do lokalnych warunkw rodowiska (niszy rodowiskowej), w ktrej bytuj. W 46 chromosomach czowieka, 22 parach autosomw i 2 chromosomach pciowych X i Y znajduje si a 3 mld par zasad DNA. Ale ponad 90% nie przekazuje adnej 17 FIZJOLOGIA CZOWIEKA Z ELEMENTAMI FIZJOLOGII STOSOWANEJ I KLINICZNEJ informacji genetycznej. Tylko kilka procent DNA zawiera w eksonach informacj genetyczn w trjkowych sekwencjach czterech nukleotydw cDNA, zbudowanych z zaledwie 83 min nukleotydw podwjnej helisy DNA. Te kodujce sekwencje cDNA programuj poprzez mRNA sekwencje 20 aminokwasw w acuchach polipeptydowych syntetyzowanych biaek. Nadmiar (redundancja) nie wykorzystanego DNA stanowi, by moe, potencjalny margines bezpieczestwa (p. rozdz. 1.5) dla przyszej ewolucji lub te mietnik" niepotrzebnych, odpadowych kombinacji. Opracowanie penej genowej mapy" chromosomw czowieka dobiego koca. Na genom czowieka skada si zaledwie 30 000 genw, ale liczba ta nie jest jeszcze ostateczna i zwikszy si dziki lepszym metodom i wskutek licznych polimorfizmw tego samego genu u rnych osb. Prawie poowa biaek kodowanych przez cDNA czowieka to biaka mzgu. Genetyka molekularna rozwina si w now dziedzin nauki zwan genomik. Genomika nie ograniczajca si do struktury genw, ale badajca take wspdziaanie genw i skutek ich ekspresji dla czynnoci caego organizmu nosi nazw genomiki czynnociowej. Wedug klasycznego paradygmatu przekazywanie informacji zapisanej w podwjnej helisie na matrycy sekwencji trjek zasad DNA (kodon) odbywa si w sposb jednokierunkowy (p. rozdz. 2): replikacja DNA- transkrypcja pod dziaaniem polimeraz RNA -* powstanie mRNA i tRNA-> translacja, tj. kopiowanie zakodowanych w DNA sekwencji aminokwasw w polipe-ptydowe acuchy czsteczek biaek i enzymw biakowych, syntetyzowanych w rybosomach -* biosynteza biaek i innych czsteczek struktury molekularnej organizmu. Ten schemat uleg istotnej modyfikacji w nastpnych latach, poniewa okazao si, e genom posiada pewien stopie plastycznoci. Nie mona go porwnywa z programem komputerowym, w ktrym zapisana byaby gotowa instrukcja na cay przyszy bieg ycia organizmu. Geny stanowi ukad dynamiczny, poddajcy si przystosowaniom i modulowany przez otaczajce rodowisko. Nie caa informacja genetyczna ulega ekspresji i uzewntrznia si w fenotypie. Ekspresja genu podlega regulacji przez odrbne sekwencje DNA, okrelane jako promoto-ry lub represory transkrypcji. Aktywno promotorw i represorw transkrypcji regulowana jest z kolei przez swoiste biakowe czynniki transkryp-cyjne. Od czynnikw transkrypcyjnych zaley spotgowanie, osabienie, a nawet zahamowanie ujawnienia si informacji zawartej w kodzie cDNA. Bodce zewntrzne indukuj tzw. geny bezporedniej wczesnej odpowiedzi IERG (immediate early reponse genes). To one koduj biaka czynniki transkrypcyjne. Pod wpywem pobudzenia komrki indukowany jest nieswoicie czynnik trans- krypcyjny AP-1, biako dimer zoony z dwu biaek c-Fos i JunB. Informacja dociera do jdra komrkowego z bony komrkowej przez wtrne przekaniki (p. rozdz. 2) i ju w cigu kilku minut rozpoczyna si transkrypcja genw kodujcych dimer AP-1. Po 45 min stenie w cytoplazmie mRNA dla biaek czynnika transkrypcyjnego AP-1 osiga maksimum, rozpoczyna si proces translacji i synteza biaek c-Fos i JunB. S one przenoszone do jdra komrki i dziaaj na swoist sekwencj regulatorow genu. Wszystkie czynniki transkrypcyjne dziaaj na podobiestwo sprze zwrotnych pomidzy rodowiskiem zewntrznym a genomem. Czynnikiem transkrypcyjnym, indukowanym przez bodce zewntrzne, jest biako znane pod nazw CREB, aktywne w procesie zapamitywania na poziomie genomu neuronw. Czynniki transkrypcyjne pobudzaj lub hamuj transkrypcj. Istniej take potranskrypcyjne czynniki

18. biakowe, rwnie indukowane przez zewntrzne bodce, dziaajce na etapie translacji. Mog one skraca lub wydua okres trwania mRNA w cytoplazmie, zwikszajc lub zmniejszajc ilo biaka kodowanego w rybosomach. Ekspresja genw podlega regulacji na zasadzie sprze zwrotnych zarwno na etapie transkrypcji, jak i translacji. Rozmaite geny bezporedniej wczesnej odpowiedzi (IERG) koduj czynniki transkrypcyjne zwikszajce ekspresj genw kodujcych biaka decydujce o czynnoci komrki: czynnik wzrostu nerww (NGF), neuro-trofiny mzgu (BDNF), czynnik wzrostu rd-bonka naczyniowego VEGF (p. rozdz. 18), ki-naz tyrozynow, enzymy syntetyzujce biaka G, a take receptory komrkowe, poredniczce w przekazywaniu sygnaw z bony komrkowej, hormonw czy transmitterw, do wntrza komrki (p. rozdz. 2). Fizjologia molekularna i genomika czynnociowa wykorzystuj metody biologii molekularnej do badania caego organizmu. Posuguj si w tym celu technikami molekularnymi, ktre mona stosowa w caej komrce lub w caym organizmie in vivo, np. sondami genetycznymi, antysensami, czyli nukleo-tydami o podobnej, lecz nie identycznej strukturze z genem, ktry wskutek tego faszerstwa molekularnego" ulega wyczeniu z procesu transkrypcji, lub te wyciciem genu z genomu (tzw. nokaut genowy) i hodowaniem zwierzt pozbawionych cile okrelonego genu, a take hybrydyzacj in situ, implantacj (klonowaniem DNA) obcych genw do genomu oocytw w celu uzyskania zwierzt transgenicznych. Klonowanie caych organizmw umoliwia technika implantacji jdra dojrzaej komrki somatycznej (caego genomu jdrowego) do pozbawionego wasnego jdra oocytu innego osobnika eskiego. Tym sposobem mona pozy REGULACJA CZYNNOCI FIZJOLOGICZNYCH 18 ska pluripotencjalne komrki macierzyste o identycznych genach kompleksu zgodnoci tkankowej (MHC) jak u dawcy i wykorzysta je w przyszoci do przeszczepu bez ryzyka odrzucenia przeszczepu przez dawc genomu. Po urodzeniu klon stanowi sobowtr genetyczny dorosego dawcy genomu, tak jak bliniak jednojajowy, gdyby dawca takiego mia. 1.5. Zasada optymalizacji w fizjologii Cinienie ewolucji biologicznej wyksztacio struktury czynnociowe, ktre okrela si jako ekonomiczny plan organizacji ukadw biologicznych. Podobnie jak w systemach gospodarczych, istnieje pewna warto, ktra jest maksymalizowana. W nieskrpowanym systemie kapitalistycznym, dziaajcym w warunkach konkurencji, wartoci tak jest zysk, w biologii natomiast jest to zdolno adaptacji jednostki i gatunku w walce o byt. Organizm osiga ten cel, ale jak wszystko ma on swoj cen. Jeli do jego osignicia wydatek energii, czy masa okrelonego narzdu, caego ciaa lub nadmierne skomplikowanie struktury czynnociowej przewyszaj korzy adaptacyjn, wwczas w duszym wymiarze czasu gatunek przegrywa i ulega eliminacji. Decyduje o tym zbyt wysoki stosunek kosztw do efektywnoci. Wygrywaj te organizmy, ktre mniejszym kosztem osigaj maksymalizacj przystosowania. Przykadem moe by np. grupowanie si neuronw w orodki zawiadujce podobnymi czynnociami. Zaoszczdza to wydatku energetycznego na budow pocze (aksonw) i przyspiesza czas przekazywania potencjaw czynnociowych (p. rozdz. 3). Optymalizacj wykorzystania sieci neuronalnych w zamknitej przestrzeni, jak stanowi czaszka czowieka, jest take lateralizacja czynnoci pkul mzgowych m.in. w postaci lokalizacji orodkw mowy w lewej pkuli (u praworcznych) i pozostawienie neuronw przeciwlegej pkuli do wykorzystania dla innych czynnoci. Walut", w ktrej organizm realizuje zyski z optymalizacji kosztw i efektywnoci s energia i przestrze (rozmiary narzdw). Obnienie kosztw energetycznych i przestrzennych nie moe by jednak nadmierne, gdy mogoby to zmniejszy niezawodno funkcjonowania organizmu, podobnie jak tani, ale lichy produkt. Ustala si pewna rwnowaga pomidzy stosunkiem kosztw do wydajnoci a niezawodnoci. Utrzymanie tej rwnowagi oznacza zasad optymalizacji, ktr ywe organizmy wyksztacaj w przebiegu ewolucji. Niezawodno osiga organizm dziki wyksztaceniu marginesw bezpieczestwa. Fizjologiczny margines bezpieczestwa jest to stosunek puapu maksymalnych potencjalnych moliwoci funkcjonalnych i adaptacyjnych do tych, ktre organizm wykorzystuje w prawidowych warunkach zdrowia. W ekonomii bdzie to np. rezerwa budetowa, czyli fundusze przekraczajce te, ktre zaplanowano jako wydatki, w bankach rezerwa bankowa ponad patnoci, do ktrych zobowizany jest bank. Jeli kupujemy np. samochd z gwarancj na dwa lata (24 miesice), a zaczyna si on psu dokadnie w miesic po wyganiciu gwarancji to jego margines bezpieczestwa jest znikomy: wynosi zaledwie V2 i produkt taki jest lichy. Znacznie wysze marginesy bezpieczestwa maj konstrukcje, ktrych zawalenie moe doprowadzi do katastrofy. Na przykad wytrzymao mostw stalo- wych jest z reguy dwukrotnie wiksza ni przy maksymalnym obcieniu. Jeszcze wikszy margines

19. bezpieczestwa maj liny stalowe w windach lub kolejkach grskich siga on wartoci 5 do 6. Jeli most ma konstrukcj drewnian, to margines bezpieczestwa musi by znacznie wyszy, siga zazwyczaj wartoci 6 ze wzgldu na mniejsz trwao materiau. Ostre reguy bezpieczestwa obowizuj w organizmie czowieka. Narzdy parzyste, takie jak nerki, puca, jdra czy jajniki, maj margines bezpieczestwa co najmniej 2, poniewa pozostawienie tylko jednego z nich nie ogranicza jeszcze w istotny sposb moliwoci ycia. Podobny margines bezpieczestwa maj take narzdy ulegajce kompensacyjnemu przerostowi. Margines bezpieczestwa jelita cienkiego i grubego wynosi odpowiednio 2 do 3, co oznacza, e ycie jest moliwe po usuniciu poowy lub wicej ich dugoci. Bardzo wysoki margines bezpieczestwa posiada wtroba, a komrki jej zachowuj przez cae ycie zdolno do podziau i regeneracji. Prawdopodobnie wymusia to presja ewolucyjna wynikajca z faktu, e u hominidw i czowieka pierwotnego jednym z gwnych zagroe byy pasoyty zagniedajce si w wtrobie i w jelitach, i niszczce te narzdy. Pojemno dyfuzyjna puc dla tlenu (p. rozdz. 20.3.7) ma margines bezpieczestwa okoo 2, a cay ukad transportu tlenu z puc poprzez oksyhemo-globin do komrek dziaa z marginesem bezpieczestwa w granicach 12 w stosunku do maksymalnej pracy aerobowej (tlenowej, p. rozdz. 26). Stosunek maksymalnego puapu wysiku fizycznego i maksymalnego pochaniania tlenu wzgl- dem sytuacji spoczynkowej oznacza margines bezpieczestwa, decydujcy o wydolnoci fizycznej osobnika (p. rozdz. 26). Stosunek maksymalnej szybkoci skurczu minia sercowego do szybkoci w warunkach spoczynkowych okrela wydolno minia sercowego (p. rozdz. 17). Z bardzo duym marginesem bezpieczestwa uwalniane s transmit-tery w synapsie nerwowej lub nerwowo-miniowej. Nadmiar transmittera jest czciowo rozkadany 19 FIZJOLOGIA CZOWIEKA Z ELEMENTAMI FIZJOLOGII STOSOWANEJ I KLINICZNEJ enzymatycznie, ale w znacznej czci ulega zwrotnemu wychwytowi przez zakoczenie presynap-tyczne, tak aby nie doszo do utraty cennej substancji, ktra wymagaa energii do swej syntezy. Bardzo wysoki jest margines bezpieczestwa tam, gdzie przerost lub regeneracja komrek nie s moliwe. Margines bezpieczestwa nie regenerujcych komrek zewntrzwydzielniczych trzustki wynosi a 10, tzn. pozostawienie tylko 10% ich liczby umoliwia jeszcze wytwarzanie takich iloci enzymw trzustki, lipazy, amylazy czy trypsyny, ktre wystarczaj do trawienia. Szczeglnie wysoki margines bezpieczestwa wyksztacia ewolucja dla komrek mzgu i to z dwu powodw: od nich zaley w stopniu krytycznym funkcjonowanie caoci organizmu, a ponadto z nielicznymi wyjtkami nie posiadaj one zdolnoci do podziau. Bezporednio po urodzeniu liczba neuronw, zalenie od typu, moe by nawet dwukrotnie wiksza ni u modego osobnika. Gin one w wyniku apoptozy, poniewa aksony ich przegrywaj w wycigu do innych komrek, stanowicych rdo neurogennych czynnikw troficznych. Mimo to liczba neuronw przeywajcych okres poporodowy jest ogromna i siga w mzgu czowieka 1012 , tj. biliona, znacznie wicej ni jest to konieczne do sprawnego funkcjonowania mzgu. Ten wielki margines bezpieczestwa, w postaci ogromnego nadmiaru (redundancja), umoliwia rwnolege opracowywanie informacji jednoczenie w wielu sieciach neuronalnych. Dziki temu mzg uzyskuje niezawodno i szybko, podobnie jak rwnolegle liczce komputery, i co waniejsze uzyskuje moliwo wytwarzania nowych, potencjalnych sieci neuronowych, powikszajcych magazyny pamici lub umoliwiajcych rehabilitacj po urazach mzgu. Dziki redundancji liczby neuronw sprawne funkcjonowanie mzgu utrzymuje si mimo starzenia si organizmu. Postpujca z wiekiem fizjologiczna apoptoza i stopniowy ubytek neuronw zaczyna si u czowieka ju w trzeciej dekadzie ycia, ale dziki marginesowi bezpieczestwa nie upoledza czynnoci poznawczych mzgu jako caoci. Wiksze znaczenie ma tu zreszt ubytek aktywnych, czsto pracujcych synaps ni samych perikarionw. Dopiero zaniki neuronalne bardzo rozlege np. w przebiegu choroby Alzheimera, w otpieniu starczym lub po usuniciu czy zniszczeniu duych obszarw masy mzgu uzewntrzniaj si deficytem pamici i zdolnoci poznawczych. Efektywno organizacji czynnociowej organizmu polega na tym, e maksymalna wydolno i margines bezpieczestwa s podobne w kolejnych ogniwach skadajcych si na cao procesu fizjologicznego. Ilustruje to np. sekwencja: aktywno enzymw syntetyzujcych -> dziaanie zsyn- tetyzowanych hormonw czy transmitterw-* liczba swoistych receptorw komrkowych dla nich -> maksymalna wydolno (margines bezpieczestwa) odpowiedzi komrki czy caego narzdu. Takie sekwencyjne dopasowanie wydolnoci kolejnych sekwencji okrela si terminem symorfoza. Symorfoz mona porwna z zasad ekonomii unikania nadmiernych inwestycji w przedsibiorstwa wytwarzajce pprodukty, ktre napotykaj pniej na ograniczenia zbytu i zalegaj w magazynach, bo produkcja

20. towarw finalnych przekracza zapotrzebowanie. Od zasady symorfizmu s jednak wyjtki. Niekiedy wystpuj ogniwa z maym marginesem bezpieczestwa, tzw. wskie garda, ograniczajce wydajno kocow caego procesu. Na przykad czynnikiem ograniczajcym syntez amin katecholowych, dopaminy, noradrenaliny czy adrenaliny, jest niska aktywno hydroksylazy tyrozyny, enzymu niezbdnego w pierwszym ogniwie syntezy. Pomidzy konstrukcjami stwarzanymi przez czowieka a ywymi organizmami istnieje zasadnicza rnica. Organizmy ywe s plastyczne, podatne na zmiany, zwikszaj swj margines bezpieczestwa i wydolno, jeli tylko poddawane s czstym obcieniom. Na tym polega istota adap- tacji fizjologicznej. Przykadowo, wydolno fizyczna, jako stosunek maksymalnego wydatku ener- getycznego do wydatku w spoczynku, wynosi zaledwie 1,41,8 u osb prowadzcych siedzcy tryb ycia, 2,23,1 u osb uprawiajcych regularnie intensywny wysiek fizyczny, a do rekordowych wartoci 4,1 5,6, obserwowanych u trenujcych kolarzy, uczestniczcych regularnie w wycigu Tour de France". 1.6. Homeostaza 1.6.1. rodowisko wewntrzne organizmu W organizmach wielokomrkowych komrki ze swego bezporedniego otoczenia czerpi tlen i produkty odywcze oraz oddaj do niego kocowe produkty metabolizmu. Ta przestrze zewntrzko-mrkowa tworzy rodowisko wewntrzne organizmu. Na rodowisko wewntrzne skada si gwnie woda pozanaczyniowa, pozostajca w rwnowadze chemicznej z krc krwi. W przestrzeni tej rozpina si sie wkien kolagenowych oraz ze-wntrzkomrkowej macierzy biakowej, zespolonej z bonami komrkowymi, a nawet z cytoszkieletem komrek przez swoiste biaka integryny, gwnie integryn p (p. rozdz. 2). Wrd elektrolitw rodowiska otaczajcego komrki dominuje kation sodu (144 mEq/L) i rwnowacy go anion chlorkowy (114 mEq/L). W steniu procentowym wy REGULACJA CZYNNOCI FIZJOLOGICZNYCH 20 nosi to okoo 0,9% NaCl. Taki skad elektrolitw jest odlegym odpowiednikiem pierwotnych mrz, w ktrych powstao ycie. W przebiegu ewolucji najwczeniejsze organizmy, migrujce masowo w okresie kambryjskim (ponad 500 min lat temu) z mrz na ldy, zabray ze sob pierwotne otaczajce rodowisko wodne jako wasne rodowisko wewntrzne. W przeciwiestwie do bezmiaru pramrz i oceanw objto rodowiska wodnego, w ktrym yj komrki w organizmach wielokomrkowych jest znikomo maa. W organizmie czowieka przestrze wodna zewntrzkomrkowa (ECF extracellular fluid compartment) (p. rozdz. 23) stanowi zaledwie 22% masy ciaa, podczas gdy przestrze wodna wntrza samych komrek (ICF intracellular fluid compartment) jest prawie dwukrotnie wiksza, bo obejmuje a 40% masy ciaa. Organizm czerpie energi z reakcji chemicznych substratw pochodzcych z enzymatycznego rozszczepiania produktw pobieranych z pokarmem*. Wobec ograniczonej przestrzeni zewntrz- komrkowej stenie kocowych produktw metabolizmu w bezporednim otoczeniu komrek szybko zwikszaoby si i zgodnie z prawem dziaania mas musiaoby wstrzyma bieg reakcji chemicznych. Z kolei tlen i produkty odywcze byyby prawie natychmiast wychwytane przez komrki. Taka sytuacja wystpuje tylko z chwil zatrzymania czynnoci serca i ustania krenia krwi i prowadzi szybko do mierci komrek i caego organizmu. Dziki kreniu krwi zapewniona jest ustawiczna odnowa rodowiska wewntrznego organizmu. rodowisko wewntrzne organizmu utrzymuje swj skad elektrolitowy, prno tlenu, osmolal-no, temperatur, zawarto substancji odywczych, takich jak stenie glukozy i innych na wzgldnie staym poziomie. Tego wielkiego odkrycia dokona jeden z twrcw wspczesnej fizjologii i medycyny, eksperymentator i myliciel francuski Claude Bernard. W klasycznym dziele Wykady o zjawiskach ycia wsplnych dla zwierzt i rolin", wydanym bezporednio po jego mierci w 1878 r. sformuowa klasyczn zasad: stao rodowiska wewntrznego stanowi konieczny warunek ycia, wolnego i niezalenego i wszystkie mechanizmy ycia, jakkolwiek rozmaite, maj tylko jeden cel: zachowanie staych warunkw dla ycia w rodowisku wewntrznym organizmu... organizm dziaa jak najczulsza z wag reagujc stosownym przeciwdziaaniem na wszystkie czynniki zakcajce rwnowag jego rodowiska wewntrznego". Te sowa oddaj istot regulacji i zarazem istot fizjologii jako nauki o czynnociach organizmu. Stay si one paradygmatem w naukach biologicznych, biomedycznych i medycznych. Ide Claude'a Bernarda, przeomow w historii biologii i medycyny, rozwin w latach dwudziestych XX wieku amerykaski fizjolog Walter Cannon. Wprowadzi on do medycyny pojcie homeostazy.

21. Homeostaza oznacza wzgldn stao parametrw fizjologicznych, a take mechanizmy, ktre j podtrzymuj. Przeciwdziaanie zakceniom i zachowanie dynamicznej rwnowagi dotyczy nie tylko zawartoci elektrolitw i skadu chemicznego rodowiska wewntrznego organizmu, ale u staocieplnych, temperatury ciaa, a take stenia we krwi i wydzielania hormonw, staoci cinienia parcjalnego (prnoci) gazw oddechowych, tlenu i dwutlenku wgla we krwi ttniczej, zaopatrujcej komrki organizmu, cinienia ttniczego krwi, stanowicego si napdow krenia krwi, ktra zaopatruje narzdy ciaa w tlen i substancje odywcze, staoci spoczynkowego napicia i dugoci mini szkieletowych, przeciwdziaajcych siom grawitacji (ciarowi koczyn) oraz wielu innych parametrw fizjologicznych. Pod pojciem regulacji fizjologicznych rozumie si mechanizmy przeciwdziaajce zakceniom i utrzymujce homeostaz. Regulacja dziaa poprzez ujemne sprzenie zwrotne. Odchylenia od fizjologicznego poziomu regulacji sygnalizowane s zwrotnie ukadom regulacyjnym (ryc. 1.3). Powoduje to reakcje przeciwdziaajce. Ujemne sprzenie zwrotne reguluje take i te wartoci, ktre zmieniaj si. Dziki regulacji zmiany te przebiegaj odpowiednio do celw realizowanych przez organizm. Tak regulacj okrela si jako sterowanie lub serwomechanizm. Regulacje fizjologiczne mona porwna do pracy kierowcy, Tor zakce z Tor i Komparator sterowania L=U 1 t ( f Se Ukad regulow any E Sygna V Wyjcie nastaw czy -E G regulow ane - - 1 * Odkrywc zasady przemiany materii tworzonej z produktw pobieranych przez ywe organizmy by wielki polski chemik i lekarz Jdrzej niadecki. W swym pionierskim dziele O teorii jestestw organicznych", opublikowanym w 1804 r., wyprzedzi o dziesitki lat podobne koncepcje fizjologw europejskich. Ryc. 1.3. Homeostat. Ukad z ujemnym sprzeniem zwrotnym (1). I sygna poziomu nastawczego regulacji, Se sygna w torze sterowania, stanowicy sygna bdu, czyli rnic pomidzy wartoci nastawcz I a wartoci ujemnego sprzenia zwrotnego, informujcego komparator. Komparator porwnuje warto wyjciow E z ptli regulacyjnej z wartoci sprzenia zwrotnego i odejmuje j od wartoci nastawczej I; g wzmocnienie w torze zakce, G wzmocnienie ptli otwartej. Objanienia w tekcie. 21 FIZJOLOGIA CZOWIEKA Z ELEMENTAMI FIZJOLOGII STOSOWANEJ I KLINICZNEJ -4ctry ustawicznie przeciwdziaa odchyleniom ruchu pojazdu od zamierzonego kierunku, posugujc si hamulcem i kierownic, np. zwalniajc i obracajc kierownic w stron przeciwn do ruchu samochodu na zakrtach, co zapobiega wypadniciu pojazdu z drogi. Uszkodzenie mechanizmw regulacji w organizmie powoduje podobne skutki, jak prowadzenie samochodu przy niesprawnym ukadzie hamulcowym i kierowniczym. Prawa regulacji i sprze zwrotnych ujemnych maj charakter uniwersalny. Dziaaj one na wszystkich szczeblach organizacji materii w ywym organizmie: od poziomu molekularno-genetycznego w procesach transkrypcji i translacji do przewodnoci kanaw bon komrkowych, czynnoci pojedynczych komrek, caych narzdw czy wielonarzdowych ukadw czynnociowych organizmu. Zasady regulacji odnosz si take do czynnoci i zachowania si caego organizmu, do jego reakcji behawioralnych w ro- dowisku biologicznym i spoecznym. Regulacja zapewnia organizmowi przeciwstawianie si dezor- ganizujcemu dziaaniu prawa zwikszania entropii. Dziki regulacjom fizjologicznym w wymiarze dugookresowym organizm adaptuje si do zmiennych warunkw otaczajcego rodowiska. Uszkodzenie mechanizmw regulacyjnych powoduje wiele chorb. Jeli upoledzenie takie przekroczy pewien prg krytyczny, wwczas nastpuje mier organizmu. 1.6.2. Regulacja wewntrzna i zewntrzna Mechanizmy regulacji dziaaj ju na poziomie molekularnym. Na tej zasadzie za porednictwem biakowych czynnikw transkrypcyjnych i potrans-krypcyjnych wpywaj na ekspresj okrelonych genw, zwalniaj szybko reakcji chemicznych przy nadmiarze substratu, zwikszaj aktywno odpowiednich

22. enzymw usuwajcych z komrki nadmiar czynnikw zakcajcych homeostaz wewntrzkomrkow, np. potgujc aktywno pompy sodowo-potasowej, K+ , Na+ ATP-azy, pod wpywem nadmiaru jonw Na+ napywajcych do wntrza komrki (p. rozdz. 3). Zgodnie z zasad ujemnego sprzenia zwrotnego zmniejsza si ekspresja genw dla receptorw biakowych w bonie komrkowej dla tych hormonw lub neurotrans-mitterw, ktrych stenie wok komrki jest nadmiernie wysokie (regulacja w d"). Odwrot- nie, jeli wydzielanie swoistych neurotransmitterw lub hormonw zmniejsza si, ekspresja ich receptorw komrkowych zwiksza si (regulacja w gr"). Dziki takiemu sprzeniu zwrotnemu hormon lub trasmitter moe skutecznie dziaa nawet w zmniejszonym steniu. Wszystkie te formy regulacji okrela si jako regulacj wewntrzn, poniewa odbywa si ona w obrbie pojedynczej komrki lub narzdu. Do regulacji wewntrznej zalicza si take autoregulacj przepywu krwi: zwenie naczy ttniczych i spadek dopywu krwi do narzdw otrzymujcych w nadmiarze krew ttnicz i tlen, oraz przeciwnie rozszerzenie naczy i zwikszenie dopywu krwi, wtedy gdy dochodzi do niedostatecznego przepywu krwi i niedoboru tlenu lub do nadmiaru produktw przemiany materii w tkankach. Przykadem homeostatycz-nej regulacji wewntrznej jest np. prawo serca Starlinga (p. rozdz. 17), czy te bezporednie pobudzenie komrek typu p1 wysp trzustki do wydzielania insuliny pod wpywem podwyszonego stenia glukozy we krwi (p. rozdz. 15.12). , Z sytuacj odmienn mamy do czynienia wtedy gdy czynnik zakcajcy homeostaz uruchamia kolejno wiele komrek powizanych czynnociowo ze sob, ale umiejscowionych poza obszarem, gdzie doszo do zakcenia homeostazy. Tak regulacj okrela si jako zewntrzn w stosunku do komrki czy narzdu. Regulacja zewntrzna odbywa si za porednictwem trzech gwnych ukadw regulacyjnych, wyksztaconych w przebiegu ewolucji w celu zintegrowania czynnoci komrek w jednolity system czynnociowy. S to: 1) ukad nerwowy, 2) ukad hormonalny oraz 3) ukad immunologiczny. S one powizane ze sob. Odbieraj sygnay ze rodowiska zewntrznego i wewntrznego organizmu i przekazuj je wybirczo do odlegych komrek albo za porednictwem ukw odruchowych (p. rozdz. 3) przez neurotransmittery i neuromodulato-ry albo w sposb rozlegy z krc krwi i chonk za porednictwem hormonw i czynnikw aktywnych biologicznie i immunologicznie. Na drodze krwi i chonki docieraj one do komrek zaopatrzonych w biaka-receptory swoiste dla tych wanie sygnaw chemicznych (p. rozdz. 2). Trzy wymienione ukady regulacyjne organizmu podporzdkowuj lokalne potrzeby komrek nadrzdnemu zadaniu, jakim jest przeycie i adaptacja organizmu jako caoci. 1.6.3. Proste liniowe modele regulacji Klasyczna koncepcja homeostazy oparta jest na nastpujcych zaoeniach: 1. Ukad nie zakcany przez czynniki zewntrzne dy do stanu rwnowagi dynamicznej (staoci swych parametrw). Rwnowaga dynamiczna ywych organizmw nie ma nic wsplnego z omawian poprzednio rwnowag termodynamiczn, poniewa podtrzymywana jest w ukadach zoonych i wysoce zorganizowanych o maej entropii. REGULACJA CZYNNOCI FIZJOLOGICZNYCH 22 2. Mechanizmy regulacji przeciwdziaaj ustawicznie fluktuacjom, nieregularnociom i odchyleniom od stanu rwnowagi. 3. Czynniki zewntrzne i wewntrzne, ktre osabiaj regulacje, takie jak choroba czy starzenie si, zwikszaj fluktuacje i nieregularnoci parametrw czynnociowych organizmu. Te klasyczne zaoenia s uproszczeniem rzeczywistoci i dlatego tradycyjn homeostaz zastpuje si obecnie pojciem homeodynamiki (p. rozdz. 1.10). Warunkiem niezbdnym do utrzymania homeostazy jest sprzenie zwrotne ujemne, tworzce tzw. zamknit ptl regulacyjn. Jeli element czynnociowy organizmu wysya sygna do innego fragmentu zoonej caoci, ktry po odebraniu takiej informacji zmniejsza intensywno wasnego sygnau nadawanego zwrotnie do nadawcy, to mamy wwczas do czynienia ze sprzeniem zwrotnym ujemnym. Zwrotny sygna od odbiorcy staje si w ten sposb dla nadawcy sygnaem wejciowym ze znakiem ujemnym, tzn. zmniejsza wielko jego wasnego sygnau wyjciowego, i to odpowiednio do zakce, ktre wpyny na odchylenie tego sygnau od wartoci pierwotnej E (p. ryc. 1.3). W ten sposb zamyka si ptla regulacyjna, stanowica najprostszy ukad sprzenia zwrotnego zwanego sprzeniem zwrotnym z zalenoci prost. Stosunek wielkoci sygnau wyjciowego E (y) do wejciowego I (x) stanowi funkcj przenoszenia ukadu. W przypadku najprostszym moe by ona zalenoci liniowo-proporcjonaln. Wtedy warto funkcji przenoszenia okrela stosunek y/x, zwany wzmocnieniem ukadu G. G jest tan-gensem kta nachylenia takiej prostoliniowej funkcji przenoszenia (ryc. 1 Ab). Jeli linia ta przebiega stromo, wwczas wzmocnienie ukadu jest wiksze ni wtedy kiedy przebieg jest paski, pod ktem ostrym.

23. Zamknita ptla regulacyjna sprzenia zwrotnego ujemnego, utrzymuje w pewnych granicach okrelon warto zadan, zwan poziomem regulacji lub poziomem nastawczym (termin angielski set point"), redukujc zakcenia zewntrzne lub wewntrzne. Rycina 1.3 przedstawia najprostszy schematyczny model takiego homeo-statu, oparty na bardzo uproszczonym i dalekim od rzeczywistoci zaoeniu, e funkcje przenoszenia we wszystkich elementach zamknitej ptli regulacyjnej maj charakter liniowo-proporcjonal- ny (ryc. 1.4) i funkcj przenoszenia kadego z elementw charakteryzuje ilociowo warto wzmocnienia G, czyli stosunek wielkoci sygnau wyjciowego E(y) do sygnau wejciowego I (x): y/x. Wejcie I do ukadu zamknitej ptli pochodzi z komparatora, porwnujcego zmienn warto E na wyjciu z zadanym poziomem regulacji, do ktrego dy ukad kompensujcy zakcenia. y = f(x) y y2 x i i i x2 X b a V' yi x1 x2 Ryc. 1.4. Ukad ptli otwartej bez sprzenia zwrotnego (a). x wejcie do ukadu, y wyjcie z ukadu. Warto y na wyjciu jest funkcj wartoci x na wejciu do ukadu y = f(x); b charakterystyka statyczna funkcji przenoszenia w przedziale liniowoproporcjonalnym. Stosunek wyjcia y do wejcia x stanowi wzmocnienie. Odpowiada ono tangensowi kta nachylenia funkcji prostoliniowej. Warto wyjciow E takiej ptli regulacyjnej (ryc. 1.3) charakteryzuje wwczas rwnanie: E = Se-G + Z-g 1 + G gdzie: E warto regulowana, Se sygna sterujcy, dziaajcy w torze sterowania, AE G =-, czyli wzmocnienie w torze sygnau sterujcego, ASe Z wielko zakcenia zewntrznego, AE g = , czyli wzmocnienie w torze zakce. * AZ y Rozwizujc to rwnanie wzgldem wartoci regulowanej E otrzymamy: E = i + g- z 1 + G gdzie: I wielko sygnau nastawczego, czyli poziomu regulacji, ktry utrzymuje ptla regulacyjna. W miar zwikszenia wzmocnienia G w torze sygnau sterujcego (w mianowniku), maleje wpyw czonu g Z (w liczniku), czyli zakcenie staje si mniejszym uamkiem wartoci regulowanej E. Uamek - okrela zatem jak skutecznie homeostat 1 + G zmniejsza wielko zakcenia. Gdyby nie dziaao sprzenie zwrotne ujemne, wwczas wyjcie z ptli 23 FIZJOLOGIA CZOWIEKA Z ELEMENTAMI FIZJOLOGII STOSOWANEJ I KLINICZNEJ otwartej Ep byoby nieregulowane i przybraoby warto: Ep = G I + g Z Po podzieleniu regulowanej wartoci E przez nieregulowan warto Ep i po przeksztaceniu zoonego uamka wzgldem wielkoci regulowanej E otrzymamy rwnanie dla wzmocnienia G zamknitej ptli regulacyjnej: r E P-E - E i po przeksztaceniu: Oznacza to, e mimo dziaania czynnika zakcajcego wielko regulowana E zmieni si jedynie o warto rwn ilorazowi wielkoci nieregulo-wanej Ep przez 1 -I- G, a nie o cae zakcenie g Z. Im wiksze wzmocnienie G w torze sterowania zamknitej ptli regulacyjnej, tym skuteczniej ho-meostat redukuje

24. zakcenia. Mona to zilustrowa na przykadzie odruchowej regulacji cinienia ttniczego krwi. Po nagej zmianie pozycji lecej (horyzontalnej) na pozycj pionow, np. na stole pionizacyjnym, rednie cinienie ttnicze w ttnicy ramiennej czowieka moe obniy si np. z wartoci 100 mm Hg do wartoci 80 mm Hg, pod wpywem dziaania czynnika hydrostatycznego i zalegania krwi w yach dolnej poowy ciaa, co zmniejsza powrt ylny (p. rozdz. 18.10.5). Mechanizmem kompensujcym jest odruch z barorecep-torw ttniczych, dziaajcy na zasadzie ptli regulacyjnej ujemnego sprzenia zwrotnego (ryc. 1.5; p. rozdz. 18.10.3). Dziki odruchowi rednie cinienie ttnicze po krtkim czasie powrci np. do wartoci 98 mm Hg, tzn. bdzie tylko niewiele mniejsze od wartoci w pozycji lecej. Wzmocnienie ptli Ep - E regulacyjnej wynosi bdzie G = -, czyli E 20-2 1 -= 9. Uamek- okrela stopie redukcji 2 1 + G zakcenia, tzn. 9 + 1 = 10 i tym samym pocztkowe zakcenie 20 mm Hg zmniejszone zostanie do VW, czyli z 20 do 2 mm Hg. Na tym przykadzie mona zilustrowa graficznie ten najprostszy model homeostazy. Rycina 1.6 przedstawia krzyw zalenoci pomidzy narastaniem cinienia w izolowanej od naczy ttniczych zatoce szyjnej, gdzie zlokalizowane s baroreceptory, pobudzane rozciganiem ciany ttniczej, a odpowiedzi odruchow w postaci spadku oglnego cinienia ttniczego. Jest to ukad dziaajcy jak ptla otwarta (ryc. 1.4a). Odruchowy spadek cinienia ttniczego powodowany Ryc. 1.5. Uproszczony schemat uku odruchu z barorecep-torw ttniczych jako zamknitej ptli regulacyjnej ze sprzeniem zwrotnym ujemnym. I neurogenny wspczulny sygna nastawczy (regulacyjny) z orodkw mzgowych przekazywany do obszaru dogowowego brzuszno-przyrodkowego rdzenia przeduonego (RVLM), ktry sam bdc generatorem spontanicznej aktywnoci wspczulnej peni zarazem rol komparatora, porwnujcego poziom nastawczy (regulacyjny) cinienia ttniczego I z informacj hamujc, napywajc z baro-receptorw ttniczych; Se sygna bdu dziaajcy w torze regulacji wspczulnej (zstpujcych drg odrodkowych), Pa oglne cinienie ttnicze w warunkach ptli zamknitej. Reprezentuje ono ujemne sprzenie zwrotne dziaajce na baroreceptory, a zarazem jest cinieniem ttniczym rwnowagi homeostatycznej, ustalanej sygnaem nastawczym (regulacyjnym) I. jest zahamowaniem neuronw przedniego (dogowowego) brzusznobocznego obszaru rdzenia prze- duonego (RVLM), ktre utrzymuj toniczn aktywno wkien wspczulnego ukadu autonomicznego zwajcych naczynia krwionone i pobudzajcych serce (p. rozdz. 14.1.13). Odruchowe zahamowanie tej aktywnoci powoduje rozszerzenie naczy krwiononych i zmniejszenie objtoci krwi wyrzucanej przez serce w cigu minuty (pojemnoci minutowej serca, p. rozdz. 18.10.3). W rezultacie cinienie ttnicze obniy si. Jeli natomiast cinienie ttnicze spadnie pod wpywem rnych zakce, jak np. przybranie postawy stojcej czy utrata krwi, wwczas dochodzi do odbarczenia baroreceptorw, odhamowania wspczulnego ukadu autonomicznego, zwenia naczy krwiononych, zwikszenia pojemnoci minutowej serca i w rezultacie do wyrwnania obnionego cinienia ttniczego. Zatoka szyjna, a take uk aorty, gdzie rwnie zlokalizowane s baroreceptory, nale do caego zbiornika ttniczego. Ozna- cza to, e wszelkie zmiany oglnego cinienia prze

25. REGULACJA CZYNNOCI FIZJOLOGICZNYCH 25 nosz si na baroreceptory jako sygna ujemnego sprzenia zwrotnego. Ukad regulacyjny dziaa wtedy w warunkach ptli zamknitej. Jeli oglne cinienie ttnicze z jakichkolwiek powodw bdzie wzrasta, wzrasta bdzie tak samo cinienie pobudzajce baroreceptory. Dlatego linia rosnca oglnego cinienia, dziaajcego na baroreceptory w zatoce szyjnej i w uku aorty, przetnie si w pewnym punkcie z krzyw cinienia spadajcego odruchowo pod wpywem pobudzenia baroreceptorw (ryc. 1.6). Stopie nachylenia krzywej spadajcej cinienia jest miar wzmocnienia odruchu z baroreceptorw ttniczych. Punkt przecicia obu tych mmHg MAP. 20 0 18 0 16 0 r 14 0 12 0 - 10 0 - 80 - 60 40 20 - i i i l i i 1 > I I 2 0 4 0 60 8 0 1 0 0 m m 12 0 H g 140 160 180 200 MAP Ryc. 1.6. Charakterystyka dynamiki liniowej neurogennej regulacji cinienia ttniczego przez odruch z baroreceptorw ttniczych. MAP rednie cinienie ttnicze, MAPS cinienie ttnicze dziaajce jako bodziec sprzenia zwrotnego ujemnego na baroreceptory ttnicze, Si funkcja przenoszenia odruchu z baroreceptorw przy prawidowym wzmocnieniu G ptli regulacyjnej, Sia funkcja przenoszenia odruchu przy przesuniciu orodkowym poziomu regulacji cinienia w d z zachowanym nie zmienionym wzmocnieniem ptli regulacyjnej, S2 funkcja przenoszenia przy osabionej pobudliwoci odruchu z baroreceptorw. Czarne kka oznaczajce punkty przecicia krzywej odruchu w warunkach otwartej ptli z lini prost reprezentujc przebieg zmian oglnego cinienia ttniczego wskazuj poziom rwnowagi cinienia w warunkach zamknitej ptli regulacyjnej. linii wznoszcej, reprezentujcej cinienie oglne wywoujce odruch, i spadajcej stanowicej efekt odruchu wyznacza stan rwnowagi. Jest to warto, przy ktrej cinienie ttnicze ustabilizuje si. W stanie rwnowagi cinienie ttnicze bdzie tym wysze, im mniejsze wzmocnienie, czyli bardziej paski przebieg funkcji odruchu z baroreceptorw (S2). Warto cinienia moe by wysoka nawet przy nie zmienionym wzmocnieniu odruchu, jeli poziom, na ktrym przebiega caa funkcja jest przesunity w gr (S,). Poziom ten odpowiada wartoci regulowanej (nastawczej) ptli regulacyjnej (p. ryc. 1.3). Odwrotnie, due wzmocnienie odruchu lub niski poziom nastawczy powoduj, e cinienie ttnicze w warunkach rwnowagi homeo- statycznej jest niskie (S2). Podobne modele regulacji oparte na zasadzie ujemnego sprzenia zwrotnego mona konstruowa dla innych parametrw fizjologicznych, utrzymywanych na wzgldnie staym poziomie spoczynkowym, np. dla regulacji temperatury wewntrznej ciaa, dugoci mini szkieletowych w spoczynku rozciganych stale ciarem ciaa, prnoci (cinienia parcjal