Антропология. Учебное пособие Хасанова Галия
Другие ученые полагают, что морфологическим перестройкам и появлению чисто человеческих признаков также предшествовали обогащение рациона питания благодаря всеядности и в связи с этим изменение поведенческих реакций и формирование прямой походки.
Многие специалисты считают первым бесспорным гоминидом homo habilis, чей гоминидный статус доказывается прямохождением, высоким уровнем церебрализации, признаками орудийной деятельности на кисти и ассоциацией с орудиями олдувайской культуры. Большинство систематиков включают в семейство гоминид всех австралопитеков как двуногих гоминоидов, уже освоивших в той или иной мере новую адаптивную нишу и, следовательно, прибегавших к использованию, а затем и изготовлению искусственных средств культурной адаптации в новой экологической обстановке или потенциально способных к такой деятельности. Таким образом, за основу принимается морфологический комплекс прямохождения, который формировался опережающими темпами в сравнении с другими системами гоминизации и являлся первым и необходимым условием перехода к трудовой деятельности. Австралопитеки уже были высокоразвитыми прямоходящими гоминоидами, т. е. удовлетворяли главному условию систематического критерия гоминид. Уровень развития мозга и особенно руки у них был тоже выше, чем у современных приматов.
1.4. Концепции антропогенеза
Гоминизация (от лат. homo – человек) – процесс очеловечения обезьяноподобного предка от появления первых специфически человеческих особенностей до возникновения вида человека разумного (homo sapiens). Это комплексный феномен, включающий развитие прямохождения, прогрессивные преобразования мозга и особенно его эволюционно более позднего отдела – неокортекса, адаптацию руки к трудовой деятельности, изменения зубочелюстного аппарата, формирование членораздельной речи, концептуального мышления, сознания, интеллекта, перестройку онтогенеза, развитие социальной организации, материальной культуры и другие аспекты.
Чем же объяснить генезис гоминизации?
На эту проблему существует множество различных взглядов. Всем известна теистическая концепция, согласно которой Бог создал человека по образу и подобию Своему. Мир появился потому, что так сказал Бог. Вот единственная причина его сотворения. В данной концепции отсутствует то главное, что делает эту теорию научной, – объяснение естественных причин и закономерностей появления и развития мира и человека. Но и по сей день она распространена, хотя в 1950 г. папа Пий XII в специальной энциклике «Происхождение человека» согласился с правомерностью эволюционного взгляда на возникновение человеческого тела, подчеркнув, что душа человека создана Богом.
Справедливости ради нельзя оставить без внимания еще одну теорию антропогенеза. Ее особенно любят фантасты, но к ней же склоняются и некоторые ученые. Она привлекательна тем, что освобождает человека от неприятной для многих связи с животным миром вообще и обезьянами в частности и не требует непременной веры в Бога. Это теория внешнего вмешательства. У нее тоже немало вариаций, простейшая из которых такова: в незапамятные времена на Землю высадились инопланетные гуманоиды, которые по какой-то причине утратили связь со своим миром и постепенно одичали, после чего история земной цивилизации началась как бы с нуля.
Другая версия сводится к тому, что высокоразвитая цивилизация инопланетян (необязательно гуманоидов) вырастила в пробирке или вывела путем селекции популяцию разумных существ, наиболее пригодных для земных условий, и люди – прямые потомки этих существ.
Наконец, есть предположение, что гуманоиды-предки дали начало роду человеческому, скрещиваясь с земными приматами. Но в этом случае теория внешнего вмешательства теряет всю свою прелесть, потому что в число предков человека вклиниваются-таки обезьяны. А если принять тезис о происхождении человека от обезьяны, то инопланетяне становятся, по сути, и не нужны.
Как и всякая теория, претендующая на научность, идея происхождения человека в результате вмешательства извне имеет свою систему доказательств. Даже если оставить в стороне таинственные рисунки в пустыне Наска, изображения космонавтов в скафандре на стенах пещер, необъяснимые знания некоторых первобытных племен о звездах, которые нельзя увидеть невооруженным глазом, и другие подобные факты и явления, все равно у сторонников инопланетной теории останется главный козырь – кости человека разумного и металлические изделия в слоях земной коры, возраст которых сотни тысяч и даже миллионы лет.
Если принять во внимание эти находки, то получается, что человек разумный – не потомок австралопитеков и питекантропов, а их ровесник, что возможно только в том случае, если разумная жизнь привнесена на Землю извне.
Впервые в истории науки близко к правильному пониманию проблемы происхождения человека подошел французский ученый-естествоиспытатель Ж. Б. Ламарк. Он считал, что когда-то наиболее развитое «четверорукое» перестало лазить по деревьям и приобрело привычку ходить на двух ногах. Через несколько поколений новая привычка укрепилась, существа стали двурукими. Вследствие этого изменилась и функция челюстей: они стали служить только для пережевывания пищи. Произошли изменения и в строении лица. После завершения «реконструкции» более совершенная порода должна была, по мнению Ламарка, расселиться по всей Земле в удобных для нее областях и изгнать все другие породы. Таким образом, их развитие прекратилось. Из-за роста потребностей новая порода совершенствовала свои способности и в конечном счете – средства к существованию. Когда общество таких совершенных существ стало многочисленным, возникли сознание и речь.
И хотя Ламарк не смог вскрыть причины человеческого генезиса, его идеи оказали огромное влияние на развитие научной мысли, в частности великого английского естествоиспытателя Ч. Дарвина, с именем которого неразрывно связана победа эволюционного учения.
Дарвин собрал и обобщил огромный материал, накопленный до него наукой, и выдвинул концепцию происхождения человека от высокоразвитых обезьяноподобных предков путем последовательных изменений в результате естественного отбора. Его теория дала причинное объяснение развития видов и показала, что нет ничего противоестественного в происхождении человека.
Великий естествоиспытатель считал, что происхождение человека от более низких форм жизни доказывается, во-первых, сходством в строении тела и его функциях у человека и у животных, во-вторых, сходством некоторых признаков зародыша и его развития, в-третьих, наличием у человека рудиментарных (унаследованных от низших животных) органов. Последнему признаку Дарвин уделил гораздо больше внимания, чем двум первым. Дело в том, что первые два доказательства признавали и противники его теории, в том числе и защитники религии: ведь они не противоречили христианскому мифу о божественном творении человека. Но было совершенно ясно, что разумная «воля Творца» не могла «сотворить» бесполезные органы у человека (например, маленькую соединительную перепоночку во внутреннем углу глаза – остаток мигательной перепонки рептилий, или волосяной покров на теле, копчиковую кость, аппендикс, грудные железы у мужчин).
Подробно рассмотрел Дарвин и «способ» развития человека от некой низшей формы. Творец эволюционной теории постарался учесть при этом все возможные факторы: влияние среды, тренировки отдельных органов, остановки в развитии, связь между изменчивостью различных частей организма. Он отметил, что огромное преимущество по сравнению с другими видами живых существ люди получили благодаря прямохождению, формированию руки, развитию мозга, возникновению речи. Все эти свойства, по мнению Дарвина, человек приобрел в процессе естественного отбора.
К недостаткам дарвиновских положений следует отнести переоценку роли естественного отбора в истории развития стран и народов. Дарвин не смог выделить основное свойство развившегося человека и поэтому утверждал, что между человеком и обезьяной нет качественных различий. Отсюда неправильное представление о роли труда в процессе эволюции человека, непонимание значения его способности к труду, к общественному производству. Вот почему Дарвин не мог осветить обратное влияние общественного производства на естественный отбор, показать, что с возникновением человека на смену биологическим законам пришли социальные закономерности.
Решающим фактором гоминизации явилась трудовая деятельность. Вопрос о качественном своеобразии этого процесса впервые был решен Ф. Энгельсом, выдвинувшим концепцию – трудовую теорию антропогенеза, которая в своем первоначальном классическом варианте была изложена в его известной работе «Роль труда в процессе превращения обезьяны в человека», написанной в 1873–1876 гг. и впервые опубликованной в 1896 г.
Основу концепции Энгельса составляет понятие о труде как первом основном условии всей человеческой жизни, и притом в такой степени, что мы в известном смысле можем сказать, что «труд создал самого человека». В названной работе устанавливается последовательность основных этапов гоминизации с выделением прямохождения как решающего шага на пути очеловечения обезьяны; дается определение руки как органа и продукта труда; рассматривается возникновение звукового языка и членораздельной речи, человеческого мышления как следствия общественного развития; подчеркивается качественное своеобразие антропогенеза как процесса активного приспособления человека к среде, экологическое превосходство человека разумного над другими видами.
Энгельс считал, что труд не отменяет действия биологических законов, но преобразует характер действия естественного отбора. Труд в процессе становления развивает в человеке способность преобразовывать природу по своим меркам, а также способствует формированию самого человека. Именно с трудовой деятельностью Энгельс связывает развитие речи, руки, мозга, мышления, сотрудничество людей и сплочение их в социальные коллективы. Причем важным моментом является то, что любой труд связан с изготовлением орудий труда, в которых закрепляется социальный опыт человека, его навыки, умения, способ мышления. Орудия труда являются и основным способом передачи социального опыта, т. е. лежат в основе новой, социальной формы наследования, которую Дарвин не рассматривал.
Очевидно, переход к изготовлению орудий произошел на анатомической основе, характерной для австралопитеков и еще очень близкой к таковой высших человекообразных обезьян. С этим был согласен и К. Фабри. По его мнению, только обезьяна (конечно, не современная) могла стать предком человека. Одной из предпосылок антропогенеза, считает он, было развитие руки, точнее ее гаптических (хватательных) способностей, обязательных для манипулирования предметами. Передние конечности должны быть свободны и как можно меньше участвовать в передвижении. Обезьяны передвигались по деревьям на задних конечностях, хватаясь за ветки. Подобный способ передвижения способствовал усилению подвижности пальцев и противопоставлению первого пальца остальным. Рука развивалась в сторону увеличения полноты обхвата предметов и увеличения гибкости, вариабельности хватательных движений. В связи с этим улучшались возможности для манипулирования. А манипулирование – это естественная потребность обезьян. По мнению Фабри, только такое развитие могло служить достаточной эволюционной основой для зарождения употребления орудий труда. Он обратил внимание на то, что в природных условиях деятельность обезьян очень ограниченна (гнездостроение, обработка съедобных плодов, минимальная орудийная деятельность). В искусственных же условиях, например в клетке, где мало предметов для манипулирования и внимание обезьяны не распыляется, она способна решать очень сложные задачи, что говорит скорее о потенциальных возможностях этих животных, чем о характере их естественного поведения, это рудименты прежних способностей. Поэтому можно предположить, что наш общий предок был лучше развит, чем современные обезьяны.
При каких же условиях биологическая способность использовать орудия смогла перерасти в трудовую деятельность? Фабри полагает, что для этого должны были наступить коренные изменения в поведении нашего предка в результате экстремальных условий. Как у обезьян в пустой клетке происходит коренная перестройка манипуляционной активности, так и наш предок должен был попасть в подобные обедненные условия.
И действительно, в конце миоцена и в плиоцене началось быстрое сокращение тропических лесов в связи с природными катаклизмами. Большинство их обитателей вымерло. Выжившие же оказались в полуоткрытых, даже открытых местностях. Преимущество имели те, кто смог выработать походку на двух ногах, освободив руки. По-видимому, выжил только наш непосредственный предок. И в обедненной среде обитания, где было мало предметов, у него возникли такие формы манипулирования, которые привели к сильной концентрации психомоторной активности, к орудийной деятельности, созданию орудий труда, к общественной жизни, появлению речи. Следовательно, по мнению Фабри, становление человека и общества – процесс взаимосвязанный, процесс антропосоциогенеза, и главная роль в нем принадлежит трудовой деятельности.
Таким образом, на данном этапе гоминизации главную роль сыграло не столько увеличение объема мозга (размеры которого близки у австралопитеков и понгид), сколько изменение качества его работы, связанное со значительным возрастанием числа межнейронных связей и обусловившее существенные перестройки поведения (в частности, широкое использование орудийной деятельности).
Однако многие исследователи трудовую теорию антропогенеза Энгельса считают ошибочной. Обезьяна стала ходить на двух ногах не оттого, что она взяла в лапы орудие труда – палку, как утверждал Энгельс. В южной Италии, например, обнаружены следы ориопитеков – прямоходящих приматов, живших 8 млн лет назад. О какой трудовой деятельности тогда могла идти речь? Более того, существуют карликовые шимпанзе, которые изначально ходят на двух ногах, используя руки точно так же, как люди. Но от этого они не перестают быть шимпанзе и в людей не превращаются.
Кроме того, теория Энгельса не выдерживает критики и с точки зрения психологии. Трудовое усилие совершается только после того, как мозг завершит какую-то мыслительную операцию. Тогда уж надо говорить о первичности мысли, а не трудовой деятельности. В любом действии нужны план его реализации, абстрактное мышление, логика, нужна структурированная мысль. На это обезьяна принципиально не способна. Она не концентрирует мысль, она мыслит хаотично: видит банан – хватает, видит яблоко – переключается на яблоко. Поэтому сознанием обезьяны невозможно управлять. Она утратила разум, остались только эмоции и инстинкты.
Таким образом, то, что труд создал человека, – это метафорическое утверждение, схема, упрощение. Речь идет о том, что в процессе своего развития предок человека, еще животное, вынужден был накапливать такие средства и навыки выживания, которыми его природа не наделила, и он вынужден был дополнить их своим интеллектом. Конечно, не таким могучим, как у настоящего человека. Но все-таки достаточным, чтобы усовершенствовать свою жизнь. Животное начинает не просто использовать палку или камень для добычи пищи, а изготавливает эту палку или другое орудие, полезное для добывания пищи. С этого момента и начинается человек.
Трудовая деятельность стала важнейшим фактором дальнейшей эволюции человека. Поскольку использование орудий при высокоразвитой социальности (начинавшей формироваться еще у низших антропоидов) давало человеку огромные преимущества и позволяло осваивать новые места обитания и новые природные ресурсы, естественный отбор благоприятствовал таким изменениям организации древних людей, которые позволяли совершенствовать трудовую деятельность и социальное поведение. Это были в первую очередь прогрессивные изменения структуры и массы головного мозга, а также мускулатуры и скелета передних конечностей, развитие механизмов тонкой нервной координации движений. Далее отбор благоприятствовал развитию у людей таких форм поведения, которые облегчали их общение в процессе трудовой деятельности, в организации совместной охоты или защиты от нападений хищников. В связи с этим должны были совершенствоваться способы обмена информацией, в частности система звуковой сигнализации, развитие которой привело к формированию членораздельной речи, а на ее основе – второй сигнальной системы, сыгравшей огромную роль в формировании человеческого интеллекта и культуры.
Как подчеркнул Я. Я. Рогинский, сообщества древних людей подвергались групповому отбору, благоприятствовавшему сохранению тех коллективов, в которых преобладали более развитые в социальном отношении индивиды. Это выражалось в совершенствовании тормозных механизмов мозга (позволявших снизить взаимную агрессивность), а также в развитии свойств, способствовавших обогащению знаний на основе своего и чужого опыта.
Важнейшей чертой человеческого общества является наличие некоторого фонда социальной или культурной информации, биологически не наследуемой и передающейся от поколения к поколению посредством обучения (а на гораздо более поздних этапах развития общества – кодируемой письменно) и в форме созданных предыдущими поколениями орудий труда и других материальных и культурных ценностей. В результате роста и развития этого социального фонда (или фонда материальной культуры) постепенно уменьшается зависимость человеческого общества от природы. Это не могло не привести к существенным изменениям самого характера эволюционных преобразований человека. Для любой конкретной человеческой популяции фонд материальной культуры, накопленный предшествующими поколениями, оказывается, в сущности, важнейшей частью среды ее обитания. Естественный отбор должен был приспосабливать человеческие коллективы к этой их специфической среде (отбор в пользу индивидов, более способных к обучению и трудовой деятельности, и групповой отбор в пользу коллективов, в которых преобладали индивиды с более развитым социальным поведением). Зато снижалось давление отбора на совершенствование индивидуальных приспособлений, повышавших устойчивость отдельных особей к неблагоприятным факторам среды (поскольку фонд материальной культуры, социальная организация и трудовая деятельность опосредовали влияние неблагоприятных факторов внешней среды, играя в этом аспекте защитную роль).
Сегодня предложен ряд гипотез о факторах, которые могли вызвать первоначальные изменения в морфологии или поведении предковой формы и повлиять на ход гоминизации и ее темпы. Среди них: кратковременное повышение фона радиации, обусловленное тектоническими перемещениями, разломами земной коры и усиленным вулканизмом, инверсии геомагнитного поля Земли, иные стрессовые ситуации, изоляция, гетерозис, а также вызванные изменениями экологической обстановки перемены в поведенческих реакциях, начиная с пищевого поведения и «стратегии размножения» и кончая «предкультурным поведением».
Важным и даже первостепенным фактором гоминизации многие исследователи считают развитие механизма защиты с помощью бросания камней и особенно охоту, которая могла повлечь за собой переход к бипедии, изготовление орудий, развитие руки и мозга.
Одним из факторов, обусловивших изменения поведения в ходе гоминизации, была нейроэндокринная система, которая могла быть точкой приложения отбора. В частности, возможна роль первичной реорганизации структур лимбической области, в известной мере контролирующей эмоциональное поведение, а также и некоторых других структур, участвующих в становлении и развитии социального и коммуникативного поведения предков человека.
Другая позиция исходит из первичной роли крупных мутаций, вызвавших значительные анатомические изменения при переходе к прямохождению. Повышение уровня радиации в Восточной и Южной Африке привело к появлению ранних гоминид, тогда как «необлученные» приматы из Экваториальной и Западной Африки морфологически не изменились.
В рамках сформировавшегося в последнее время такого направления научных исследований, как космический катастрофизм, выдвинута гипотеза о возникновении современного человека в связи со вспышкой близкой сверхновой звезды. Зафиксировано то обстоятельство, что вспышка близкой сверхновой звезды по времени (один раз в 100 млн лет) приблизительно соответствует возрасту древнейших останков человека разумного (примерно 35–60 тыс. лет назад). Кроме того, ряд антропологов считают, что появление современного человека обусловлено мутацией клеток мозга. А известно, что импульс гамма– и рентгеновского излучения от вспышки близкой сверхновой звезды сопровождается кратковременным (в течение года) увеличением числа мутаций. В этом случае на поверхности Земли резко возрастает интенсивность ультрафиолетового излучения, являющегося мутагенным агентом, который в свою очередь инициирует появление других мутагенных агентов. Можно предположить, что жесткое излучение, порожденное взрывом сверхновой звезды, могло вызвать необратимые изменения в клетках мозга некоторых животных, в том числе гоминид, или рост самого мозга, что привело к формированию разумных мутантов вида человека разумного. Во всяком случае, со вспышкой сверхновой звезды связано образование солнечной системы, происхождение жизни, возможно, происхождение современного типа человека с его цивилизацией.
Следующая гипотеза исходит из того, что современный человек – мутант, возникший вследствие инверсии земного магнитного поля. Установлено, что земное магнитное поле, которое в основном задерживает космические излучения, по неизвестным до сих пор причинам иногда ослабевает; тогда и происходит перемена магнитных полюсов, т. е. геомагнитная инверсия. Причем ученые пришли к выводу, что в течение последних 3 млн лет магнитные полюса четырежды менялись местами. Во время таких инверсий степень космических излучений на нашей планете резко возрастает, что может привести к мутациям.
Эту гипотезу усиливает следующий факт: человек появился в то время и в тех местах, в которых сила радиоактивного излучения оказалась наиболее благоприятной для изменения человекообразных обезьян. Именно такие условия возникли около 3 млн лет назад в Южной и Восточной Африке – в период отделения человека от мира животных. По мнению геологов, в этом регионе в силу сильных землетрясений обнажились залежи радиоактивных руд. Это, в свою очередь, вызвало мутацию у определенного вида обезьян, который был наиболее предрасположен к изменению генетических черт. Возникший вид, физически более слабый, чем окружение, должен был, чтобы выжить, изготавливать орудия труда, вести общественный образ жизни и развить разум как мощный инструмент слабого от природы существа, не обладающего естественными достаточными органами защиты.
Ряд ученых, в том числе шведский исследователь Я. Линдблад, размышляя над тем, чем отличался современный человек от современных же человекообразных обезьян, пришли к выводу, что это голая кожа везде, кроме головы и некоторых других, незначительных по масштабам, участков тела; более толстый жировой слой; большая грудь у женщин; выдающийся вперед нос, ноздри которого направлены вниз; глаза, способные хорошо видеть под водой; умение плавать. Кроме того, человек, в отличие от обезьян, великолепно плавает. Более того, он способен нырять и проводить под водой несколько минут, уходя на довольно большую глубину. Доказано, что роды в воде проходят менее болезненно, более быстро и легко и с меньшим стрессом для новорожденного, который мгновенно всплывает на поверхность и приобретает умение плавать с первых минут жизни.
Перечисленные признаки, по мнению некоторых ученых, являются следствием приспособления к водному образу жизни. Например, Линдблад предполагает, что из больших молочных желез удобнее сосать молоко под водой и, кроме того, они выполняют и другую функцию – сохранение тепла, поскольку утоплены в жировую ткань, обильно пронизанную кровеносными сосудами. Молоко для ребенка должно быть теплым. Длинные волосы, характерные для людей всех рас, кроме негроидной, необходимы были для жизни в воде, чтобы детеныши могли, плавая, хвататься за них.
Таким образом, основная идея данной концепции заключается в том, что от кениапитека 10 млн лет назад произошла обезьяна «икспитек», ведущая полуводный образ жизни. Именно особенности образа жизни водяного гоминида (меньшую часть суток он проводил на берегу) способствовали тому, что мутационные изменения наследственных структур и отбор были направлены именно на приспособление к водной среде. А дальнейшее развитие черепа и мозга привело к появлению человека современного типа.
Как это могло происходить? Во времена миоцена климат был влажный, дожди шли гораздо чаще, чем в наши дни, девственный лес переживал период своего расцвета. В том, что этот период не продлился вечно, виновата засуха плиоцена. Она стала самым настоящим климатическим катаклизмом, тянувшимся 12 млн лет. Большая часть антропоидов миоцена не смогла выжить, кроме тех, кто жил около воды.
Сначала в течение 2 млн лет приспособления к новой жизни вдали от лесов, на берегах океанов, а также из-за все более частых и продолжительных погружений в воду из страха перед голодным зверьем и засухой, становившейся адски невыносимой, водная обезьяна, видимо, вела амфибийную жизнь, распределяя свое время между морем и землей. Мало-помалу контакт с водой заставил ее потерять шерсть. Она сохранилась лишь под мышками и частично на половых органах для защиты от ударов и царапин и на голове (здесь волосы исполняли другую функцию, чем шерсть на теле, тем более что животное большую часть времени проводило на поверхности). Почему произошла эта потеря? По той же самой причине, по которой лишились шерсти все млекопитающие, окончательно вернувшиеся в море после пребывания на земле в течение нескольких миллионов лет (китообразные). Чтобы противостоять холоду, у всех этих животных шерсть была заменена слоем подкожного жира.
Ноги водной обезьяны приобрели новую форму, удобную для плавания и хождения по дну: стопа не разлапистая, как у обезьяны, а удлиненная, ластовидная, все пальцы соединены вместе и направлены вперед. Ходить по дну удобнее на двух ногах. И чем длиннее ноги, тем глубже можно зайти, не отрываясь от дна. Да и для плавания лучше иметь удлиненное тело и широкую амплитуду колебания ласт. Так что будет правомерно предположить, что рано или поздно ноги водной обезьяны стали такими длинными, что у нее просто не было больше возможности ходить по-обезьяньи, опираясь на руки. Руки были слишком короткими, а ноги – чересчур длинными.
Когда же 8 млн лет назад в Африке наступила великая сушь, водоемы стали пересыхать, на леса наступали саванны, водную обезьяну спасло лишь то, что она могла ходить на двух ногах не только по дну. Когда группы этих обезьян перебирались из пересохшего водоема в еще уцелевший, до цели порой доходили не все. Выживали те, кто передвигался по суше наиболее успешно. И в их потомстве закреплялась способность к наземному прямохождению.
И когда эта большая водная обезьяна вышла из воды после 10–12 млн лет трансформаций, она должна была уже достаточно походить на своего сегодняшнего «кузена» – homo sapiens: безволосое тело и развитый слой подкожного жира; на голове длинные волосы; у женщин большая грудь с хорошей теплоизоляцией; у детенышей в первые годы жизни особенно мощный слой подкожного жира; ноги длиннее рук, большие пальцы ног не противопоставляются и направлены вперед; осанка при ходьбе более прямая. Другими словами, у икспитека был вполне «человеческий» вид.
Вызывает интерес и гипотеза о росте массы мозга у гоминид в силу его адаптации к экстремальному тепловому стрессу. Согласно этой гипотезе наиболее ранней формой охоты у гоминид была охота индивидуальным способом, «состязание на выносливость». Такая охота требует многочасовых марш-бросков в тропической саванне и должна вызывать сильный тепловой стресс, который угрожает расстройством деятельности нейронов коры, весьма чувствительных к росту температуры. Отсутствия волосяного покрова и наличия богатой системы потовых желез недостаточно для устранения угрозы перегрева крови в сосудах мозга в таких условиях. В результате увеличилось число нейронов и, соответственно, число связей между ними. Все нацелено на то, чтобы функционирование мозга как целостности оставалось действенным даже тогда, когда нарушается деятельность части нейронов. Такая адаптация вытекает из теории Дж. фон Неймана, согласно которой стабильность функционирования сложной системы, состоящей из нестабильных элементов, может быть достигнута увеличением числа элементов и числа связей между ними.
Подобный естественный отбор рассчитан на создание мозга, устойчивого к периодическим экстремальным стрессам, а его «разумность» – это только побочный эффект. Эти новые потенции мозга были потом использованы совсем не по назначению, а для «абстрактного мышления», символической коммуникации и пр., а также для усовершенствования техники охоты. И с этого момента дальнейшая эволюция мозга гоминид происходила уже путем отбора на «разумность».
Такова общая теоретическая ситуация разработки проблемы антропогенеза на сегодняшний день. Не все в ней до конца выяснено и объяснено, не во всем ученые согласны между собой. Но тот факт, что человек – это продукт естественного развития природы, можно считать доказанным.
1.5. Расогенез
Расы – это исторически сложившиеся в определенных географических условиях группы людей, обладающих некоторыми общими наследственно обусловленными морфологическими и физиологическими признаками. Расы человека по происхождению соответствуют подвидам.
В классической литературе господствует мнение о том, что черты человеческих рас – это результат приспособительной эволюции к тем или иным условиям. Так, темная окраска кожи у представителей негроидной и австралоидной рас, очевидно, является адаптацией к жизни в тропическом поясе, защищая организм от действия ультрафиолетового облучения. Точно так же курчавые волосы, образующие густую «шапку», предохраняют голову от перегрева, а характерные для южных рас пропорции тела с относительно коротким телом и длинными конечностями более благоприятны для увеличения теплоотдачи.
Противоположный тип телосложения монголоидной расы позволяет, напротив, уменьшить теплоотдачу (за счет уменьшения отношения поверхности тела к его массе), что может иметь приспособительную ценность в условиях резко континентального климата Центральной Азии, с сильными морозами и ветрами в зимний период. Характерный узкий разрез глаз представителей монголоидной расы, прикрытых продольными складками верхних век, может быть, уменьшает риск засорения глаз пылевыми частицами при сильном ветре.
Труднее указать приспособительный смысл основных характеристик европеоидной расы (светлая кожа, высокая переносица и длинный узкий нос, обильный третичный волосяной покров и др.). Возможно, некоторые из них (как и вообще многие внешние отличительные расовые признаки человека), не имея собственной приспособительной ценности, возникли коррелятивно (как результат плейотропного эффекта генов или взаимодействия разных морфогенетических систем в онтогенезе) при отборе каких-либо приспособительно важных, но менее заметных признаков (например, большей устойчивости к простудным заболеваниям или артритам, столь обычным во влажном и прохладном климате Европы).
У представителей разных рас, кроме обозначенных выше, имеются и физиологические отличия: уровень потоотделения с единицы площади кожи, показатели уровня холестерина в крови и некоторые другие. Однако они не отличаются по числу хромосом (у каждого человека их 46), уровню развития мозга, соотношению лицевого и мозгового отделов, строению стоп и рук. В смешанных браках представителей разных рас рождаются полноценные, здоровые дети.
Данная гипотеза всем была бы хороша, если бы не ряд противоречий, с которыми она сталкивается. Так, узкоглазость – признак, характерный не только для жителей монгольских степей, но и для более древних народов, обитающих на северо-востоке Евразии (например, чукчи), где пылевых бурь нет. Подобных противоречий множество, а самое главное, в последнее время появились и молекулярно-биологические данные, свидетельствующие, что эволюция рас – не есть процесс приспособительной эволюции. Что же тогда получается, что формирование рас – это процесс, не согласующийся с теорией естественного отбора?
Конечно же, никакого противоречия здесь нет. Дело в том, что элементарное эволюционное событие, под которым подразумевают смещение частот тех или иных генов в популяции, может происходить не только вследствие естественного отбора. Существует еще один фактор, который получил название «дрейф генов». Это случайные ненаправленные изменения частот в малых замкнутых популяциях. Если же учесть, что расселение людей по миру происходило именно малыми группами, скорее всего это были групповые брачные союзы, то появление локальных популяций, отличающихся от остальных группировок какими-то признаками, – более чем вероятно. Благодаря тому, что в локальных малых популяциях возникали новые сочетания признаков, и появилось то многообразие рас, которое мы сейчас наблюдаем. Лишь те расы, которые обладали наибольшим приспособлением к тем или иным условиям, стали доминирующими в том или ином биотопе. Негроиды – в Африке, европеоиды – в Европе.
Итак, по морфологическим и отчасти физиологическим признакам традиционно выделяют три основные расы: европеоидную, австрало-негроидную и монголоидную.
Существует три основных подхода к классификации рас:
1) без учета происхождения;
2) с учетом происхождения и родства;
3) на основе популяционной концепции.
При первом подходе выделяют три большие расы, которые включают в себя 22 малые, часть из которых – переходные. Само существование переходных рас свидетельствует, с одной стороны, о динамизме расовых признаков, с другой – об условности деления человечества даже на большие расы. Переходные малые расы совмещают в себе не только морфологические признаки, но и генетические характеристики больших. Отсюда можно сделать вывод, что малые расы либо возникли в результате смешанных браков, либо сохранили более древние черты, существовавшие еще до формирования больших рас.
В рамках второго подхода в основе классификации лежит выделение признаков архаичности (древних) и эволюционной продвинутости отдельных рас. Но такое разделение морфологических признаков спорно и субъективно. Как судить, продвинут признак или архаичен? И если архаичен – это хорошо или плохо? Например, эпикантус – кожная складка на веке. Что это – очень древний признак, который сохранился только у монголоидов и исчез у представителей других рас? Или это, напротив, новообразование, которого не было у предковых форм и которое появилось у монголоидов в связи с жизнью в условиях частых песчаных бурь? Эти вопросы показывают, как несовершенна такая классификация.
Третий подход связан с популяционной концепцией в классификации рас, которая базируется на данных палеоантропологических исследований. Они показывают, что вплоть до верхнего палеолита практически нигде не были сформированы расовые типы человека, с которыми были бы генетически связаны современные большие расы. Например, в Сунгирском погребении найдены останки возрастом около 26 тыс. лет. У всех черепов из этого погребения имеется мозаичное сочетание расовых признаков, они не могут быть отнесены ни к одной из современных рас. Второй пример – ископаемые скелеты Южной Калифорнии, возраст которых 21,5 тыс. лет. У них отсутствуют выраженные монголоидные черты, несмотря на то, что аборигенное население Америки – монголоиды.
Только более поздние мезолитические находки свидетельствуют о формировании у человека расовых признаков. Известны мезолитические черепа с территории Северной Америки возрастом 8-10 тыс. лет с явными признаками не просто негроидной, а малой эфиопской расы. Сходные данные получены на территории Европы и в других регионах. Все это указывает на то, что процесс формирования рас шел на рубеже верхнего палеолита и мезолита параллельно в разных регионах на фоне исходной разнородности расовых признаков.
Первичное появление в процессе эволюции признаков малых, а не больших рас позволяет сделать вывод о том, что европеоидная, монголоидная и негроидная расы имеют множественное происхождение и представляют собой крупные популяции, объединенные не столько общностью происхождения, сколько климатогеографическими характеристиками условий существования и адаптивностью большинства основных признаков. Суть популяционной концепции рас в том, что большие расы представляют собой огромные популяции, малые расы – субпопуляции больших, внутри которых конкретные этнические образования (нации, народности) являются более мелкими популяциями.
Получается структура, включающая в себя уровни иерархии: индивидуум – этнос – малая раса – большая раса.
В пользу популяционной концепции говорят данные многих биологических наук. Давайте познакомимся с этими данными.
Исследования распределения различных групп крови и белков в популяциях человека показали, что расовые признаки составляют около 8 % от общего генетического разнообразия человечества. Между тем, по разнообразным варьирующим признакам различия даже между соседями по дому могут составлять более 80 %. Немец генетически может быть ближе к полинезийцу, чем к другому немцу. Географическое распределение частот генов групп крови, различных форм ферментов и иммуноглобулинов не соответствует ареалам ни одной из рас. По группам крови АВО и MN европейцы ближе к африканцам, а по системе иммуноглобулинов – к монголоидам Азии. Эти данные говорят о том, что общий биохимический полиморфизм человека эволюционно возник раньше, чем комплекс расовых признаков.
Чем же можно объяснить различия между расами? Как протекала эволюция, приведшая к возникновению генетических различий между ними? Главным фактором эволюции внешних признаков (фенотипов) является естественный отбор, обусловливающий приспособление к различным условиям окружающей среды. Однако чтобы действие отбора закрепилось, необходимо наличие репродуктивной изоляции. Существовал ли исторический период, когда все человечество было разделено на три более или менее изолированные группы?
Существуют различные точки зрения на то, каким образом и когда появились расовые различия. По мнению многих ученых, в частности М. Уолпоффа, только архаичные люди появились в Африке. Предполагают, что миллион лет назад общая популяция человека на Земле насчитывала 125 тыс. индивидуумов. В каменном веке популяция, вероятно, разделилась на большое количество мелких популяций, насчитывавших по несколько сотен людей или даже меньше.
Со временем небольшие группы захватывали другие районы. Популяции первобытного человека распространились по Европе и Азии, а позднее на американском и австралийском континентах. Эти группы были в значительной степени генетически изолированными. Мутации, происходившие в каждой маленькой популяции, могли быстро закрепляться. Отбор способствовал сохранению тех признаков, которые давали возможность выживания. Одни популяции, такие, как предки современных негроидных и монголоидных групп, процветали. Со временем они произвели большое количество индивидуумов. Другие, такие, как австралийские аборигены, оставались малочисленными и отсталыми. Эта гипотеза мультирегиональной эволюции человечества основывается на палеонтологическом сходстве между современными людьми и далекими предками, жившими в местах их обитания.
Согласно другой точке зрения, на протяжении большей части последнего Ледникового периода (около 100 тыс. лет назад) громадная площадь Земли была покрыта льдом. Гималаи и Алтайские горы с расположенными на них ледниками разделили евроазиатский континент на три области, создав тем самым условия для раздельной эволюции белых на западе, монголоидов на востоке и негроидов на юге. Современные области расселения трех больших рас не совпадают с теми областями, в которых они формировались, но это можно объяснить более поздними миграциями. По каким же признакам шел отбор? Скорее всего, это были приспособления к конкретным природно-климатическим условиям.
Наиболее заметное различие между расами – по цвету кожи. Большинство современных приматов имеют темную пигментацию. Возможно, что и древний человек был темнокожим. Почему же слабо пигментирована кожа европейцев и монголоидов? Существует гипотеза, согласно которой в местах их расселения произошла адаптация к низкому уровню ультрафиолетового излучения. Ультрафиолет участвует в превращении в коже человека провитамина D в сам витамин, который необходим для кальцификации костей, его нехватка приводит к рахиту. Одно из проявлений рахита – деформация таза, усложняющая роды. В условиях первобытного строя это могло породить сильное давление отбора. В районах обитания людей с высокой степенью пигментации кожи отмечается высокая интенсивность ультрафиолетового излучения. Зависимость между местом обитания и пигментацией кожи не подтверждается только в двух случаях: для эскимосов и африканских пигмеев. Обе популяции состоят из темнокожих индивидов, хотя и в арктических районах, и под пологом влажного тропического леса ультрафиолета сравнительно мало. Но в случае с эскимосами можно предположить, что они получают витамин D из печени рыбы и морских млекопитающих – основных продуктов питания.
Примерно так же, как цвет кожи, формировались и другие расовые признаки: разрез глаз, курчавые волосы. Можно предполагать, что небольшой рост и плотное телосложение эскимосов, характерный для них относительно толстый слой подкожного жира дают преимущества в холодном климате, а широкая грудная клетка южноамериканских индейцев, живущих высоко в Андах, связана с адаптацией к разреженному воздуху высокогорий.
У. Хавеллз же утверждает, что человек современного типа появился в Восточной Африке 200 тыс. лет тому назад. Эта гипотеза получила название «Ноев ковчег», потому что по Библии все расы и народы произошли от трех сыновей Ноя: Сима, Хама и Иафета. В соответствии с этой версией питекантроп, синантроп и неандерталец – не предки современного человека, а различные группы гоминид (человекообразных существ), вытесненных «человеком прямоходящим» из Восточной Африки. В пользу данной гипотезы свидетельствуют генетические исследования, которые не всеми антропологами и палеонтологами признаются надежными.
Итак, мы познакомились лишь с некоторыми точками зрения на механизм формирования рас. Однако из изложенного понятно, что человечество образует единый вид – homo sapiens, а расовые признаки имеют адаптивный характер. Они не затрагивают мозга и того, что отличает человека от животных, – способности к абстрактному мышлению и самопознанию. Человек, по философскому определению, – это материя, познающая самое себя.
Биологи утверждают: генетическое разнообразие, так же как и разнообразие языков, культуры, традиций, – самое главное сокровище, основа и залог приспособляемости и долговечности. Нам не дано знать, кто прав, а кто отстал, зашел в тупик или идет не туда. Только максимальное разнообразие, сохранение всего, что способно сохраниться, – надежный путь к устойчивости вида.
Во всяком случае, какую бы из этих концепций ни принимать, фактом остается биологическое единство современного человечества, будущее развитие которого, несомненно, должно привести к постепенному слиянию всех рас.
Глава 2
Человек как индивид
2.1. Понятие о человеке как индивиде
Человек в качестве индивида предстает в своих природных, биологических особенностях как человеческий организм. В основе понятия индивида, по Леонтьеву, лежит факт неделимости, целостности человека, наличия свойственных ему особенностей. «Индивид – это прежде всего генотипическое образование». Понятие «индивид» выражает неделимость, целостность и особенности конкретного субъекта, возникающие уже на ранних ступенях развития жизни. Индивид как целостность – это продукт биологической эволюции, в ходе которой происходит процесс не только дифференциации органов и функций, но также и их интеграции, их взаимного «слаживания». В понятии индивида содержится указание на подобие человека всем другим людям, на его общность с человеческим родом. Человек как индивид является продуктом филогенетического и онтогенетического развития.
Специфика человеческой индивидности опосредована всей историей вида, которая преломилась в наследственной программе человека. Так, только человеку присущи рекордная продолжительность периода детства; возможность пребывать при рождении в состоянии крайней «беспомощности»; вес мозга ребенка при рождении составляет всего лишь около четверти мозга взрослого человека (у обезьян это соотношение составляет две трети). С момента своего рождения человеческий индивид является носителем специфически человеческой биологии, сформированной предшествующим развитием в филогенезе.
2.2. Генетика
В молекулярной биологии твердо установлено, что любая клетка в организме содержит копию модели всего организма, закодированную в ДНК, однако все клетки, за исключением половых, используют только часть информации ДНК, чтобы выполнять присущие им функции в организме.
Миллиарды клеток, из которых построено человеческое тело, берут начало от одной-единственной клетки – зиготы, образованной слиянием яйцеклетки и сперматозоида. Любая клетка состоит из цитоплазмы, в которой вырабатываются различные вещества, необходимые для роста и жизнедеятельности организма, и ядра, обеспечивающего программирование этой активности и определяющего ее общее направление.
Ядро у человека содержит 23 пары хромосом. Каждая хромосома несет в себе многие тысячи генов, ответственных за различные аспекты строения организма и разнообразные функции (размеры тела, цвет глаз, волос и кожи, выработка тех или иных ферментов, рост и развитие, продолжительность жизни и т. д.).
Носителем наследственности с ее генетическим кодом служит ДНК, которая передает заложенную в ней информацию в цитоплазму через другую, синтезируемую с ее помощью кислоту – РНК. Таким образом, именно РНК, выходя из ядра, будет налаживать «работу» цитоплазмы и заставлять ее вырабатывать все необходимые белки в соответствии с «генеральным планом», заданным ДНК.
С момента образования зиготы весь процесс роста организма происходит за счет последовательных клеточных делений. Ядро клетки при этом делится надвое, что приводит к разделению генетического материала между двумя образующимися ядрами и к восстановлению в каждом из них 23 пар хромосом.
Исключение из этого правила составляют лишь половые клетки, или гаметы, ответственные за размножение. Когда для образования яйцеклеток в яичниках или сперматозоидов в семенниках клетки-предшественники подвергаются делению, оно происходит таким образом, что каждая из дочерних клеток в результате получает только 23 хромосомы (по одной из каждой пары) и поэтому содержит лишь половину той генетической информации, которой располагают мать и отец.
Набор из 46 хромосом восстанавливается только в момент оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом. Генетическая информация, которую вносят в зиготу сперматозоид и яйцеклетка, зависит, таким образом, от того, как распределился генетический материал во время образования каждой из половых клеток. Число возможных сочетаний генетического материала в оплодотворенной яйцеклетке огромно, чем и определяется уникальность каждого появляющегося на свет человека.
Существенное различие между мужчинами и женщинами выявляется в структуре 23-й пары хромосом. Если у девочек она образована двумя большими X-образными хромосомами, то у мальчиков состоит из большой X-образной хромосомы и более мелкой Y-образной. Таким образом, при образовании гамет все яйцеклетки получают X-хромосому, а сперматозоиды – либо X-, либо Y-хромосому. Поэтому в момент оплодотворения яйцеклетка с 50 %-ной вероятностью может получить две X-хромосомы и с такой же вероятностью – одну X– и одну Y-хромосому; в первом случае из зиготы разовьется девочка, а во втором – мальчик.
Восстановление полного набора хромосом в ядре зиготы приводит к тому, что каждый ген здесь будет представлен двумя «экземплярами», по одному от матери и отца, и признаки нового индивидуума будут определяться их совместным действием. В зависимости от того, однако, является ли ген доминантным или рецессивным, это действие будет проявляться по-разному. Если ген доминантный, то признак, за который он ответствен, проявляется во всех случаях автоматически. Напротив, если ген будет рецессивным, то в присутствии доминантного гена он обречен на «безмолвие» и способен проявиться только в том случае, если второй ген той же пары будет тоже рецессивным. Поэтому некоторые наследственные признаки одного из родителей у ребенка могут навсегда остаться в скрытом состоянии и снова проявиться лишь в следующем поколении. Подобным образом дело обстоит с голубым цветом глаз и с некоторыми наследственными заболеваниями.
Итак, с развитием зиготы начинается развертывание, реализация информации, заключенной в генах. Этот процесс очень сложный, многоступенчатый, многое в нем остается для нас пока загадкой. Гены в своем действии взаимосвязаны, т. е. формирование каждого признака и свойства организма происходит под контролем всего генотипа. Вместе с тем на реализацию генетической информации огромное влияние оказывают факторы внешней и внутренней среды, т. е. условия, окружающие организм в целом, и внутриклеточное состояние. Эти факторы среды могут модифицировать действие гена в определенных границах, предусмотренных генотипом. Пределы проявления модификаций признака при данном генотипе называют нормой реакции. Каждый организм, каждый его признак и свойство имеют свою норму реакции: одни признаки более широкую, другие – более узкую.
Таким образом, можно заключить, что наследуется ген, определяющий не какой-то стабильный признак, а его норму реакции, т. е. пределы изменчивости данного признака в зависимости от условий среды. У людей индивидуальность полностью проявляется лишь в результате взаимодействия генетических задатков и внешней среды, причем к действующим факторам среды наряду с питанием и физическими условиями относятся и играют столь же решающую роль воспитание и общественные отношения. Это касается и умственных способностей. Умственные способности – весьма сложное качество, состоящее из целого ряда составных компонентов. И наследуются не сами способности как таковые, а их задатки, которые в пределах нормы реакции могут проявиться в зависимости от условий среды в большей или меньшей степени.
Взаимодействие наследственности и среды в развитии человека имеет место на всем протяжении его жизни. Но особую важность оно приобретает в периоды формирования организма: эмбрионального, грудного, детского, подросткового и юношеского. Именно в это время наблюдается интенсивный процесс развития организма и формирования личности.
Наследственность определяет то, каким может стать организм, но развивается человек под одновременным влиянием обоих факторов – и наследственности, и среды. Сегодня становится общепризнанным тот факт, что адаптация человека осуществляется под влиянием двух программ наследственности: биологической и социальной. Все признаки и свойства любого индивида (за исключением тех, которые касаются биологии организма и не поддаются влиянию среды, например, группа крови, отпечатки пальцев, структура самого генотипа) являются, таким образом, результатом взаимодействия его генотипа и среды. Поэтому каждый человек есть и часть природы, и продукт общественного развития.
Наследственные различия в физических, физиологических и других признаках между разными людьми обусловлены различиями в генотипе. Но эти различия могут быть не только по признакам нормальным, но и аномальным, т. е. с какими-то отклонениями от нормы (физические уродства, наследственные заболевания).
Известно, что одной из причин аномалий в развитии людей служат изменения числа хромосом в генотипе. Если при образовании яйцеклетки или сперматозоида разделение хромосомного материала произойдет неправильно, то гаметы либо не получат надлежащего числа хромосом, либо, наоборот, получат лишнюю хромосому. Последнее, например, бывает при синдроме Дауна. Это заболевание обусловлено присутствием одной лишней хромосомы в 21-й паре. Чаще всего это происходит, если мать перешла некий критический возраст, хотя в одном из четырех случаев такая аномалия может быть обусловлена неправильным образованием сперматозоида. Последствия этого заболевания проявляются главным образом во внешнем облике больного, особенно в чертах лица, и в задержке умственного развития. Ребенок может оказаться и носителем трех хромосом 23-й пары (XXY) – это синдром Клайнфельтера. Этот синдром характеризуется развитием мужских половых органов в сочетании с типично женскими вторичными половыми признаками.
Однако изменения могут касаться не только числа половых хромосом и аутосом (хромосом соматических клеток), но и структуры хромосом и отдельных генов. Все эти изменения в генетическом материале носят наследственный характер, и их называют мутациями. Мутации постоянно возникают в природе у самых различных организмов. Человечество в результате возникновения мутаций в каждом поколении обладает значительным количеством дефектных генов и хромосомных аномалий, вызывающих разного рода наследственные заболевания. В каждом поколении рождается около 6 % детей, отягощенных наследственными заболеваниями.
По характеру происхождения мутации делятся на спонтанные, возникающие естественным путем в условиях природы, и индуцированные, вызываемые человеком искусственно действием различных факторов. Причины возникновения спонтанных мутаций пока до конца не выяснены, они могут корениться в условиях среды, в особенностях химического процесса обмена веществ и т. п. Однако установлены основные факторы, вызывающие их. Это так называемые мутагены, рождающие изменения. Известно, например, что мутации могут вызываться некоторыми общими условиями, в которых находится организм: его питанием, температурным режимом.
Как правило, мутагены, загрязняющие пищу, обладают слабой или средней мутагенной эффективностью. Поэтому обнаружить их не всегда удается. Вместе с тем, зная эффект суммирования действия мутагенов и учитывая постоянное употребление человеком такой загрязненной пищи, становится очевидным, что их вред превосходит сильные мутагенные соединения, с которыми человек, как правило, весьма ограниченно контактирует. Примером подобных мутагенов, поступающих через пищу, служит кофеин. Большая часть кофеина в организм человека поступает за счет чая или кофе. И при их ежедневном потреблении концентрация кофеина постепенно увеличивается.
Высоким мутагенным эффектом обладают и многие лекарственные препараты. Особый интерес вызывают биологические факторы мутагенеза человека. Имеется ряд организмов, которые, проникая в клетки человека, становятся источником поражения ДНК хозяина. К ним относятся, в частности, вирусы. Вирусы – мельчайшие из живых частиц. Они не имеют клеточного строения, не способны сами синтезировать белок, поэтому получают необходимые для их жизнедеятельности вещества, проникая в живую клетку и используя чужие органические вещества и энергию. У человека вирусы вызывают множество заболеваний, включая грипп и СПИД.
Мутагенными свойствами обладают и некоторые живые вакцины. Живые вакцины с подавленной вирулентностью способны индуцировать мутации. А ведь известно, что вакцинациям против оспы, кори, гриппа и других инфекций подвергаются массы людей.
Зависят мутации и от некоторых экстремальных факторов, таких, как действие отравляющих веществ, радиации, в результате которых количество мутаций увеличивается в сотни раз, причем возрастает оно пропорционально дозе воздействия. Химические вещества, поступающие в организм с пищей, водой и воздухом, и некоторые продукты, образуемые в ходе внутреннего клеточного метаболизма, тоже иногда являются причиной естественно возникающих мутаций.
Все приведенные факты свидетельствуют о гигантском разнообразии мутагенных источников в среде, окружающей человека. Они вызывают индуцированные мутации в соматических и половых клетках человека. Известно, что соматические мутации увеличивают количество злокачественных опухолей, влияют на продолжительность жизни и другие признаки и исчезают со смертью индивида. Мутации же, возникшие в гаметах родителей, проявляются в их потомках в виде наследственных болезней и уродств.
Необходимость исправления «ошибок природы», генной терапии наследственных болезней выдвигает на первый план такую область молекулярной генетики, которую называют генной инженерией. Генная инженерия – это раздел молекулярной биологии, прикладная молекулярная генетика, задачей которой является целенаправленное конструирование новых, не существующих в природе сочетаний генов при помощи генетических и биохимических методов. Она основана на извлечении из клеток какого-либо организма гена или группы генов, соединении их с определенными молекулами нуклеиновых кислот и внедрении полученных гибридных молекул в клетки другого организма. Исследования ведутся очень интенсивно, хотя до реализации программы лечения для большинства наследственных заболеваний предстоит еще длинный путь.
2.3. Физиология человека
Организм человека представляет собой сложнейшую систему иерархически организованных подсистем и систем, объединенных общностью строения и выполняемой функцией. Элементом системы является клетка. В организме человека более 100 трлн клеток. Клетки в свою очередь представляют собой микросистему, отличающуюся сложной структурно-функциональной организацией и многосторонним взаимодействием с другими клетками. Совокупность клеток, сходных по происхождению, строению и функции, образует ткань. Основные типы тканей: эпителиальная, соединительная, костная, мышечная и нервная. Каждая из тканей выполняет определенную функцию и обладает специфическими свойствами.
Ткани образуют органы. Органы занимают в теле постоянное положение, имеют особое строение и выполняют определенную функцию. Например, сердце играет роль насоса и обеспечивает поступление крови во все органы и ткани; почки осуществляют выделение конечных продуктов обмена веществ и т. д. Орган состоит из нескольких видов ткани, но одна из них всегда преобладает и определяет его главную, ведущую функцию.
Органы, совместно выполняющие определенную функцию, образуют систему органов. Например, слюнные железы, желудок, печень, поджелудочная железа, кишечник объединены в систему пищеварения.
Деятельность всех структур организма, начиная с клетки и кончая системой органов, согласованна и подчинена единому целому. Каждая структурная единица вносит свой вклад в функционирование организма, но организм – не сумма отдельных структур, а единое целое и как целое приобретает свои особые свойства, осуществляет свою жизнедеятельность и взаимодействует со средой.
Все процессы жизнедеятельности организма могут осуществляться только при условии сохранения относительного постоянства внутренней среды организма. К внутренней среде организма относят кровь, лимфу и тканевую жидкость, с которой клетки непосредственно соприкасаются. Способность сохранять постоянство химического состава и физико-химических свойств внутренней среды называют гомеостазом. Мир вокруг нас постоянно меняется. Но независимо, например, от температуры окружающей среды температура тела здоровых людей практически всегда постоянна. Режим питания и состав пищи у всех разные, однако содержание сахара в крови у всех здоровых людей также практически одинаковое. Это постоянство поддерживается непрерывной работой систем органов кровообращения, дыхания, пищеварения, выделения и других, выделением в кровь биологически активных химических веществ, обеспечивающих взаимодействие клеток и органов.
В организме непрерывно происходят процессы саморегуляции физиологических функций, создающие необходимые для существования организма условия. Саморегуляция – свойство биологических систем устанавливать и поддерживать на определенном, относительно постоянном уровне те или иные физиологические или другие биологические показатели. Одним из условий саморегуляции является обратная связь между регулируемым процессом и регулирующей системой, поступление информации о конечном эффекте в центральные регулирующие аппараты. В организме саморегуляция осуществляется двумя механизмами.
Гуморальная регуляция (от лат. humor – жидкость) – один из механизмов координации процессов жизнедеятельности в организме, осуществляемой через жидкие среды организма (кровь, лимфу, тканевую жидкость) с помощью биологически активных веществ, выделяемых клетками, тканями и органами. Этот тип регуляции является наиболее древним.
В процессе эволюции по мере развития и усложнения организма в осуществлении взаимосвязи между отдельными его частями и в обеспечении всей его деятельности первостепенную роль начинает играть нервная регуляция, которая осуществляется нервной системой. Нервная система объединяет и связывает все клетки и органы в единое целое, изменяет и регулирует их деятельность, осуществляет связь организма с окружающей средой. Центральная нервная система и ее ведущий отдел – кора больших полушарий головного мозга, весьма тонко и точно воспринимая изменения окружающей среды, а также внутреннего состояния организма, своей деятельностью обеспечивают развитие и приспособление организма к постоянно меняющимся условиям существования. Нервный механизм регуляции более совершенен.
Нервный и гуморальный механизмы регуляции взаимосвязаны. Активные химические вещества, образующиеся в организме, способны оказывать свое воздействие и на нервные клетки, изменяя их функциональное состояние. Образование и поступление в кровь многих активных химических веществ находится, в свою очередь, под регулирующим влиянием нервной системы. В этой связи правильнее говорить о единой нервно-гуморальной системе регуляции функций организма, создающей условия для взаимодействия отдельных частей организма, связывающей их в единое целое и обеспечивающей взаимодействие организма и среды.
Эндокринная система. В регуляции функций организма важная роль принадлежит эндокринной системе. Органы этой системы – железы внутренней секреции – выделяют особые вещества, оказывающие существенное и специализированное влияние на обмен веществ, структуру и функцию органов и тканей. Железы внутренней секреции отличаются от других желез, имеющих выводные протоки (желез внешней секреции), тем, что выделяют продуцируемые ими вещества прямо в кровь. Поэтому их называют эндокринными железами. К железам внутренней секреции относятся гипофиз, эпифиз, поджелудочная железа, щитовидная железа, надпочечники, половые, паращитовидные железы.
Поджелудочная и половые железы – смешанные, так как часть их клеток выполняет внешнесекреторную функцию, другая часть их клеток – внутрисекреторную. Половые железы вырабатывают не только половые гормоны, но и половые клетки (яйцеклетки и сперматозоиды). Часть клеток поджелудочной железы вырабатывает гормон инсулин и глюкагон, другие ее клетки вырабатывают пищеварительный и поджелудочный сок.
Эндокринные железы человека невелики по размерам, имеют очень небольшую массу, богато снабжены кровеносными сосудами. Кровь приносит к ним необходимый строительный материал и уносит химически активные секреты.
К эндокринным железам подходит разветвленная сеть нервных волокон, их деятельность постоянно контролирует нервная система. Железы внутренней секреции функционально тесно связаны между собой, и поражение одной железы вызывает нарушение функции других желез.
Специфические активные вещества, вырабатываемые железами внутренней секреции, называются гормонами. Гормоны обладают высокой биологической активностью. Они сравнительно быстро разрушаются тканями, поэтому для обеспечения длительного действия необходимо их постоянное выделение в кровь. Только в этом случае возможно поддержание постоянной концентрации гормонов в крови.
Гормоны действуют на обмен веществ, регулируют клеточную активность, способствуют проникновению продуктов обмена веществ через клеточные мембраны, влияют на дыхание, кровообращение, пищеварение, выделение; с ними связана функция размножения. Рост и развитие организма, смена различных возрастных периодов также связаны с деятельностью желез внутренней секреции.
Механизм действия гормонов до конца не изучен. Считают, что гормоны действуют на клетки органов и тканей, взаимодействуя со специальными участками клеточной мембраны – рецепторами. Рецепторы специфичны, они настроены на восприятие определенных гормонов. Поэтому, хотя гормоны разносятся кровью по всему организму, они воспринимаются только определенными органами и тканями, получившими название органов и тканей-мишеней.
Гипофиз расположен в основании мозга. Это «главная» железа, которая не только вырабатывает собственные гормоны, но и регулирует деятельность большинства других эндокринных желез. Обильно снабжаемый кровью, гипофиз непрерывно оценивает уровень в крови различных гормонов, в результате чего он может регулировать их содержание. Его передняя доля выделяет гормоны, вызывающие активацию щитовидной железы, коры надпочечников и половых желез, а также гормон роста (соматотропин) и пролактин, стимулирующий выработку молока у матери после родов. Задняя доля гипофиза продуцирует два гормона: вазопрессин, вызывающий повышение кровяного давления, и окситоцин, способствующий сокращениям матки во время родов.
Щитовидная железа расположена на уровне шеи, под гортанью. Она секретирует тироксин, который содержит до 65 % йода и играет важную роль в обмене веществ, а также влияет на настроение и побуждения человека. Недостаточная секреция тироксина, связанная, например, с отсутствием йода, участвующего в синтезе этого гормона, у грудных детей может вызвать кретинизм, а у взрослых может быть причиной апатии. Избыточная секреция тироксина может привести к чрезмерной нервозности.
Паращитовидные железы, расположенные по обе стороны от щитовидной железы, играют важную роль в регуляции содержания в крови кальция, необходимого для нормальной работы мышц и нервов.
Тимус (вилочковая железа) лежит за грудиной. По-видимому, он участвует в процессе роста организма и в его иммунологической защите. В период полового созревания тимус атрофируется.
Поджелудочная железа кроме экзокринной функции (выделение панкреатического сока во время пищеварения) вырабатывает два гормона – инсулин и глюкагон. Инсулин позволяет запасать в печени сахар, поступающий в кровь после переваривания пищи. Глюкагон способствует противоположному процессу – освобождению из печени накопленного в ней сахара, что делает его доступным для «сжигания» в мышцах.
Надпочечники прилегают к верхушкам почек. В них различают наружную и внутреннюю части. Наружная часть – корковое вещество – вырабатывает кортикостероиды. Это разнообразные гормоны, которые ответственны за регуляцию относительного содержания калия и кальция в организме и участвуют в углеводном обмене и синтезе белков. Внутренняя часть надпочечников – мозговое вещество – секретирует два очень близких по структуре гормона, адреналин и норадреналин, называемые гормонами стресса. Адреналин вырабатывается главным образом при обстоятельствах, требующих от организма быстрой мобилизации всех его сил; он вызывает расширение кровеносных сосудов в мышцах, учащение сердечного ритма, сужение сосудов желудка и кишечника. Главная функция норадреналина состоит в освобождении накопленного в печени сахара в тот момент, когда организму требуется много энергии, также он служит нейромедиатором, повышающим возбудимость нервной системы.
Половые железы ответственны не только за выработку половых клеток, но и за развитие вторичных половых признаков в период полового созревания и регуляцию половых функций. У женщин они вырабатывают эстрогены, регулирующие овуляцию, и прогестерон, инициирующий подготовку стенки матки к внедрению в нее оплодотворенной яйцеклетки. У мужчин они секретируют андрогены и тестостерон, усиливающие половое влечение.
Эндокринная система играет важную роль в процессах приспособления организма к меняющимся условиям внешней среды, поддержания гомеостаза, роста, развития и размножения, а также регулирует различные стороны поведения.
Опорно-двигательный аппарат. К опорно-двигательному аппарату относятся скелет и мышцы, объединенные в единую костно-мышечную систему. Скелет и мышцы являются опорными структурами организма, ограничивающими полости, в которых расположены внутренние органы. С помощью опорно-двигательного аппарата осуществляется одна из важнейших функций организма – движение. Движение – основное внешнее проявление деятельности организма и вместе с тем необходимый фактор его развития. В условиях ограничения движений резко замедляется как физическое, так и психическое развитие. Двигательная активность, в особенности движения рук, является одним из необходимых условий нормального развития мозга, его речевой функции и мышления, а также играет важнейшую роль в обменных процессах, положительно влияет на работу внутренних органов.
Скелет построен из костной ткани, нормальное строение которой является результатом тонко сбалансированного обмена между ней и внешней средой. Поддержание определенного уровня минеральных веществ (они составляют 45 %) достигается благодаря действию гормонов, витаминов, а также минеральных веществ, поступающих с пищей. Рост скелета управляется гормоном (соматотропином), который вырабатывается в гипофизе. Многие другие эндокринные железы (половые, щитовидная, кора надпочечников) также влияют непосредственно на рост и строение скелета.
Некоторые витамины, особенно A, C, D, имеют большое значение для нормального функционирования костной ткани. Например, при недостатке витамина D у ребенка может развиться рахит – заболевание, при котором кости размягчаются и легко искривляются.
В соответствии со структурой и функциями мышцы подразделяются на два типа: гладкие и поперечнополосатые.
Гладкая мускулатура состоит из медленно сокращающихся мышечных клеток в стенках внутренних органов. Таким образом, она тесно связана с «вегетативной жизнью» организма и обеспечивает деятельность его кровеносной, дыхательной, пищеварительной и других систем. Деятельность гладкой мускулатуры регулируется симпатическим и парасимпатическим отделами вегетативной нервной системы.
Поперечнополосатая мускулатура получила свое название по причине исчерченности, обусловленной строением тех многих сотен мышечных волокон, из которых состоят скелетные мышцы. Мышечные волокна имеют толщину от 0,01 до 0,1 мм и способны быстро сокращаться под действием нервных импульсов. Эти импульсы приходят по двигательным нервным волокнам, каждое из которых иннервирует определенное число мышечных волокон. Чем точнее работа, которую должна совершать мышца, тем меньшее число мышечных волокон иннервируется одним нервным волокном (как, например, в мышцах, приводящих в движение пальцы рук). Степень сокращения поперечнополосатых мышц регулируется при участии чувствительных нервных волокон, посылающих в нервные центры сигналы обратной связи от находящихся в мышцах рецепторов – мышечных веретен.
Поскольку поперечнополосатые мышцы осуществляют всю произвольную двигательную активность, их функции могут быть очень разнообразными. Они могут быть инициаторами движения, прямо участвуя в его выполнении, или антагонистами, когда путем противодействия инициированному движению они, в зависимости от характера требуемого действия, участвуют в регулировании движения конечности. Некоторые мышцы действуют как синергисты, помогая друг другу, или как фиксаторы, обеспечивая неподвижность того или иного сустава при выполнении определенного движения. Наконец, существуют и «антигравитационные» мышцы, которые участвуют в поддержании равновесия тела, давая ему возможность противостоять силе тяжести.
Кровь. Клетки, ткани и органы организма могут существовать и нормально функционировать только в определенных условиях, которые создаются внутренней средой организма и к которой они приспособились в ходе эволюционного развития. Внутренняя среда обеспечивает возможность поступления в клетки необходимых для их жизнедеятельности веществ и вывод продуктов обмена. Благодаря поддержанию ее определенного состава клетки функционируют в постоянных условиях.
В организме на относительно постоянном уровне поддерживаются кровяное давление, температура тела, осмотическое давление крови и тканевой жидкости, содержание в них белков и сахара, ионов натрия, калия, кальция, хлора и т. д.
Кровь вместе с лимфой и тканевой жидкостью образует внутреннюю среду организма. Функции крови следующие:
– поддержание гомеостаза;
– транспортная – перенос газов крови, питательных веществ, продуктов распада;
– терморегуляторная – охлаждает энергоемкие органы и согревает органы, теряющие тепло;
– защитная – участие в иммунных реакциях.
Обмен крови в организме человека составляет 4–6 литров (или 6–8% от массы тела). Всего 40–45 % крови движется по сосудам; при нагрузках на организм кровь выходит из кровяных депо (селезенка, печень, легкие) и ее обмен увеличивается.
На каждые 100 частей крови приходится 45 % форменных элементов, а 55 % это жидкая часть крови – плазма. Цвет крови различается: артериальная кровь алая, венозная – темно-вишневая.
Форменные элементы крови (клетки) разделяются на эритроциты, лейкоциты и тромбоциты. Все клетки крови живут определенное время, после чего разрушаются. В кроветворных органах (костном мозге, лимфатических узлах, селезенке) происходит непрерывное образование новых клеток крови.
Эритроциты – красные кровяные клетки. Их основная функция – транспортная: перенос кислорода и углекислого газа за счет содержимого эритроцитов – гемоглобина.
Лейкоциты – белые кровяные клетки. Важнейшей функцией их является защита от попадающих в кровь микроорганизмов и токсинов. Защитная функция лейкоцитов связана с их способностью передвигаться самостоятельно к пораженному участку, обволакивать инородное тело и переваривать его. Важным фактором, определяющим защитные свойства лейкоцитов, является их участие в иммунных механизмах.
Тромбоциты – красные кровяные пластины – выполняют также защитную функцию, участвуя в механизмах свертывания крови. При ранении кровеносных сосудов тромбоциты разрушаются, при этом из них выходят в плазму вещества, необходимые для формирования кровяного сгустка – тромба. Время свертывания крови в норме составляет от 3 до 5 минут. В нормальных условиях кровь в неповрежденных кровеносных сосудах не свертывается благодаря наличию в организме противосвертывающих факторов. Если работа свертывающей системы нарушена, тромбы образуются чаще и мешают нормальному кровообращению, закупоривая сосуды, что приводит к тяжелым болезням (инфаркт, инсульт).
Постоянство химического и клеточного состава крови регулируется различными способами, отклонение от него – сигнал тревоги. Клетки крови недолговечны: эритроциты живут около 4 месяцев, некоторые виды лейкоцитов – 3 дня и даже несколько часов. Но их численность не уменьшается, несмотря на то что клетки, циркулирующие в крови, утрачивают способность к делению. В таких быстро обновляющихся клеточных системах, как кровь, присутствуют малодифференцированные клетки, из которых при надобности образуются все разнообразные клетки крови.
После того как в 1901 г. было обнаружено, что при одних сочетаниях плазмы и эритроцитов разных людей наблюдается агглютинация (т. е. склеивание эритроцитов), а при других – нет, появилась классификация групп крови, которая учитывается при ее переливаниях.
Система кровообращения. Система кровообращения у человека – это сердце и замкнутая система кровеносных сосудов, включающая артерии, вены, капилляры. Кровь движется по сосудам главным образом за счет работы сердца. Сокращаясь, сердце выбрасывает порцию крови (70 мл) в артерии, при расслаблении сердца в него вливается кровь из вен. Сердце сокращается ритмично, частота сердцебиений составляет 75 раз в минуту. Объем крови, перекачиваемый сердцем за 1 минуту, составляет 6 л, но может достигать и 30 л/мин, если человек находится в состоянии возбуждения или выполняет большую физическую нагрузку.
Сердце человека состоит из двух половин – правой и левой. В каждой из них имеются две камеры: предсердие и желудочек, отделенные друг от друга клапанами, т. е. сердце у человека четырех камерное.
Из левого желудочка артериальная кровь выталкивается в самую крупную артерию – аорту. Аорта дает начало большому кругу кровообращения, назначение которого – питание кровью, богатой кислородом и питательными веществами, всего тела человека. В капиллярах, имеющих микроскопическую величину (2,5-30 мкм), артериальная кровь насыщается углекислым газом и продуктами распада и превращается в венозную. Венозная кровь собирается сначала в мелкие, а затем в крупные вены и, наконец, по двум полным венам возвращается в правое предсердие. Здесь заканчивается большой круг кровообращения.
Малый (легочный) круг кровообращения начинается из правого желудочка, откуда кровь направляется в легкие. Там благодаря газообмену венозная кровь превращается в артериальную, затем возвращается в левое предсердие, а оттуда – в левый желудочек.
Частота сердечных сокращений обычно измеряется по пульсу и в норме составляет 75 раз в минуту. Величина кровяного давления в норме – 110–125/70-85 мм рт. ст.
Дыхательная система. Основная функция органов дыхания – обеспечение тканей организма человека кислородом и освобождение их от углекислого газа. Наряду с этим органы дыхания участвуют в голосообразовании, обонянии и других функциях. В дыхательной системе выделяют органы, которые выполняют воздухопроводящую (полость носа, носоглотка, гортань, трахея, бронхи) и газообменные функции (легкие). В процессе дыхания атмосферный кислород связывается кровью и доставляется в клетки и ткани организма. Внутриклеточное дыхание обеспечивает освобождение энергии, необходимой для поддержания процессов жизнедеятельности. Образующийся при этом углекислый газ переносится кровью к легким и удаляется с выдыхаемым воздухом.
Поступление воздуха в легкие (вдох) является результатом сокращения дыхательных мышц и увеличения объема легких. Выдох происходит вследствие расслабления дыхательных мышц. Регуляция дыхания осуществляется центральной нервной системой, специальные области которой обусловливают автоматическое дыхание (чередование вдоха и выдоха) и произвольное дыхание, обеспечивающее приспособительные изменения в системе органов дыхания, соответствующие конкретной внешней ситуации и осуществляемой деятельности. Группа нервных клеток, ответственная за осуществление дыхательного цикла, называется дыхательным центром. Дыхательный центр располагается в продолговатом мозге, его разрушение приводит к остановке дыхания.
Пищеварительная система. Пищеварительная система человека состоит из пищеварительной трубки (длиной 8–9 м) и тесно связанных с нею крупных пищеварительных желез: печени, поджелудочной железы, слюнных желез. Пищеварительная система начинается полостью рта и заканчивается анальным отверстием. Сущность пищеварения состоит в физической и химической переработке пищи, в результате которой становится возможным всасывание питательных веществ через стенки пищеварительного тракта и поступление их в кровь или лимфу.
К питательным веществам относятся белки, жиры, углеводы, минеральные вещества, витамины. В пищеварительном аппарате происходят сложные физико-химические превращения пищи: от формирования пищевого комка в полости рта до всасывания и удаления непереваренных ее остатков. Эти процессы осуществляются в результате двигательной, всасывающей и секреторной функций аппарата пищеварения. Все эти три функции регулируются нервным и гуморальным путем. Нервный центр, регулирующий функции пищеварения, а также пищевую мотивацию, находится в гипоталамусе (промежуточный мозг), а гормоны большей частью образуются в самом желудочно-кишечном тракте.
В ротовой полости осуществляется первичная химическая и физическая переработка пищи. Слюноотделение происходит рефлекторно. Оно усиливается, когда мы чувствуем приятные запахи или, например, при попадании инородных частиц в ротовую полость. Слюна обладает бактерицидными свойствами. Физическая обработка пищи включает размельчение и формирование пищевого комка. Кроме того, в ротовой полости происходит формирование вкусовых ощущений.
После глотания пища попадает в желудок. В зависимости от состава пища находится в желудке разное время. Желудочный сок имеет очень сложный состав: пепсиногены, расщепляющие белки; липазы, расщепляющие жиры; соляная кислота, придающая соку кислую реакцию, и слизь, предохраняющая стенку желудка от самопереваривания.
Почти полное освобождение желудка происходит через 2–3 часа после приема пищи. При этом он начинает сокращаться в режиме 3 раза в минуту. В двенадцатиперстной кишке пища подвергается действию желчи, поджелудочного сока и кишечного сока. В тонком кишечнике сочетаются три взаимосвязанных процесса – полостное (внеклеточное) пищеварение, пристеночное (мембранное) и всасывание. Переваривание здесь продолжается 5–6 часов. Клетки кишечного эпителия покрыты микроворсинками, через которые происходит всасывание простых молекул в кровь и в лимфу. Так, белки всасываются в кровь в виде аминокислот, углеводы – в виде глюкозы и других моносахаридов, а жиры – в виде глицерина и жирных кислот в лимфу и частично в кровь. Процесс пищеварения заканчивается в толстом кишечнике, железы которого секретируют слизь. В толстом кишечнике благодаря населяющим его бактериям происходит брожение клетчатки и гниение белков, в результате чего образуется ряд ядовитых продуктов, которые, всасываясь в кровь, обеззараживаются в печени. Печень выполняет барьерную (защитную) функцию, синтезируя из ядовитых веществ безвредные для организма вещества. В толстом кишечнике завершается активное всасывание воды и формирование каловых масс. Микрофлора толстого кишечника осуществляет биосинтез некоторых биологически активных веществ (например, витаминов группы В и К).
Обмен веществ и энергии. Французский ученый К. Бернар установил, живой организм и среда – это единая система, т. е. между ними происходит непрерывный обмен веществами и энергией. Энергия необходима организму для поддержания всех его жизненных функций. Единицы измерения энергии – это калория или джоуль. Откуда же берется в организме энергия? Она выделяется за счет окисления сложных органических соединений, т. е. белков, жиров и углеводов, поступающих в организм с пищей. Основным аккумулятором и переносчиком энергии является АТФ. Поэтому АТФ – это универсальный источник энергии в организме человека. Высвобождение энергии происходит за счет гидролиза АТФ, когда разрывается химическая связь концевой фосфатной группы и высвобождается энергия. Часть этой энергии выделяется в виде теплоты (например, при сокращении мышц около 80 % энергии теряется в виде тепла и только 20 % превращается в механическую работу).
Обмен веществ, или метаболизм, состоит из двух противоположных и взаимосвязанных процессов: анаболизма и катаболизма.
Анаболизм – это процессы биосинтеза органических веществ (например, синтез белков из аминокислот). Анаболизм обеспечивает рост, развитие организма, обновление его структур. Этот процесс требует затраты энергии.
Катаболизм – это процессы расщепления сложных молекул до простых веществ с образованием энергии в виде АТФ.
Конечные продукты катаболизма – вода, углекислый газ, аммиак, мочевина, мочевая кислота и другие – удаляются из организма.
Соотношение этих двух процессов определяет три различных состояния: динамическое равновесие, рост, частичное разрушение структур тела. При динамическом равновесии, когда процессы анаболизма и катаболизма уравновешены, общее количество ткани не изменяется. Превалирование анаболических процессов приводит к накоплению ткани, происходит рост организма; преобладание катаболизма над анаболизмом приводит к разрушению ткани, уменьшению массы организма – его истощению. У взрослых обычно при нормальном состоянии организма эти процессы находятся в состоянии равновесия.
Обмен белков. Белки в обмене веществ занимают особое место.
Белки – это вещества, состоящие из аминокислот (их 20), а также азота. Они входят в состав цитоплазмы, гемоглобина, плазмы крови, многих гормонов, иммунных тел, поддерживают постоянство водно-солевой среды организма. Без белков нет роста. Ферменты, обязательно участвующие во всех этапах обмена веществ, – тоже белки.
Продукты расщепления белков – аминокислоты, из них синтезируются специфические для данного организма белки. Некоторые аминокислоты (лейцин, метионин, фенилаланин и др.) незаменимы для организма. Если в пище отсутствует такая аминокислота, то синтез белков резко нарушается. К полноценным белкам, содержащим весь необходимый для синтеза набор аминокислот, относят преимущественно животные белки (белки мяса, яиц, молока, рыбы).
Кроме строительной, белки выполняют и энергетическую функцию. Так, при сгорании 1 г белка в организме высвобождается 4,1 ккал энергии. В сутки человек должен потреблять не менее 85–90 г белка. Но не следует потреблять их больше этой нормы, так как про запас белки не откладываются, наоборот, может ухудшиться аппетит, нарушиться кислотно-щелочное равновесие.
Обмен жиров. Поступивший с пищей жир в организме расщепляется на глицерин и жирные кислоты. Из этих веществ, а также из продуктов обмена углеводов и белков синтезируется жир, который используется организмом как богатый источник энергии. При сгорании в организме 1 г жира высвобождается 9,3 ккал энергии. Кроме того, жир является обязательной составной частью многих клеточных структур. Неизрасходованный в организме жир откладывается в подкожной жировой клетчатке, в оболочках вокруг внутренних органов.
Некоторые непредельные жирные кислоты, необходимые организму, должны поступать с пищей, так как он не способен их синтезировать. Содержатся эти кислоты в растительных маслах. С жирами в организм поступают растворимые в них витамины (А, D, Е и др.), имеющие для человека жизненно важное значение. В сутки потребность в жирах составляет 80-100 г.
Обмен углеводов. Углеводы являются основным источником энергии. Наибольшее количество углеводов содержится в злаках, картофеле. Богаты углеводами также овощи и фрукты. Расщепившись в пищеварительном тракте до глюкозы, углеводы всасываются в кровь и усваиваются клетками организма. Неиспользуемая глюкоза в печени синтезируется в гликоген – полисахарид, откладывающийся в печени и мышцах и являющийся резервом углеводов в организме. При отсутствии углеводов в пище они могут вырабатываться из продуктов распада белков и жиров. Особенно чувствительной к снижению уровня глюкозы в крови (гипогликемии) является ЦНС. Уже незначительное снижение сахара в крови вызывает слабость, головокружение, при значительном падении углеводов наступают разные вегетативные расстройства, судороги, потеря сознания.
Глюкоза входит в состав нуклеиновых кислот, цитоплазмы и, следовательно, необходима для образования новых клеток, особенно в период роста. Потребность в углеводах составляет в сутки 350–450 г.
Таким образом, соотношение в пищевом рационе основных питательных веществ составляет 1: 1: 4 (белков, жиров, углеводов).
В состав пищи входят также вода, минеральные вещества и витамины. Витамины – это особая группа веществ, не синтезируемых вовсе или синтезируемых в малых количествах в организме человека. Однако эти различные по своей химической природе вещества необходимы для нормального обмена веществ, роста, развития человека, поддержания его здоровья. Все витамины можно подразделить на водо– и жирорастворимые. К первой группе относят витамин С, витамины группы В. Они содержатся в основном в продуктах растительного происхождения (овощах, фруктах). Источником жирорастворимых витаминов (А, Д, Е и К) является пища животного происхождения (молоко, яйца, мясо, печень и т. д.). Некоторые витамины синтезируются микрофлорой кишечника (витамин К, В6). При полном отсутствии витаминов в пище возникают авитаминозы, которые могут сопровождаться различными заболеваниями. В настоящее время мы чаще сталкиваемся (особенно в зимнее время) с гиповитаминозами – с недостаточным поступлением витаминов с пищей. Этот недостаток легко можно устранить приемом поливитаминов, содержащих весь комплекс витаминов и минеральные добавки.
Физиология выделения. К выделительным органам относят почки, кожу, кишечник, легкие. Легкие удаляют из организма углекислый газ, пары воды, летучие вещества. Из кишечника удаляются с калом соли тяжелых металлов, избыток невсосавшихся пищевых веществ. Потовые железы кожи выделяют воду, соли, органические вещества. Но основная роль в выделительных процессах принадлежит почкам.
Органы мочевыделения – это почки, мочеточники, мочевой пузырь, мочеиспускательный канал. Основная функция почек – экскреторная – удаление из организма вредных и чужеродных для него веществ путем образования и выведения мочи.
Почки располагаются в брюшной полости по обе стороны от позвоночного столба, имеют форму боба и массу около 120 г каждая. На вогнутом крае почки имеется углубление – почечные ворота, через которые проходят сосуды, нервы и мочеточник. Почки получают крови больше, чем любой другой орган, в них происходит образование мочи из веществ, приносимых кровью.
Почки каждую минуту пропускают более 1 л крови, а всего ими за сутки фильтруется и очищается 170 л крови. Моча выделяется в количестве 1–1,5 л в сутки и содержит вредные продукты метаболизма: мочевину, мочевую кислоту, аммиак, а также воду, неорганические вещества и пигмент урохром. В норме у здорового человека не должны содержаться в моче глюкоза, белок, кровь. Присутствие их может быть связано с различными заболеваниями (сахарный диабет, нефрит и др.).
Кожа – крупнейший орган нашего тела; ее разнообразные специализированные клетки образуют сложные структуры и подсистемы. По современным представлениям кожа обладает способностью включать в действие мощные защитные силы, она является активным элементом иммунной системы человека. Кожа состоит из эпителиальной и соединительной тканей, содержащих рецепторы, нервные волокна, кровеносные сосуды, потовые и сальные железы. Функции кожи: участие в поддержании постоянства внутренней среды как органа выделения; обеспечение контактов организма с внешней средой; защитная; терморегуляционная (через кожу осуществляется 80 % теплоотдачи); дыхательная (через кожу поступает 1,5 % кислорода).
Выделительная функция кожи осуществляется потовыми железами. Их количество колеблется от 2 до 3,5 млн. Потовые железы на теле распределены неравномерно, больше всего их в подмышечных впадинах, на ладонях и подошвах ног, меньше на спине, голенях и бедрах. С потом выделяется из организма значительное количество воды и солей, а также мочевина. Суточное количество пота у взрослого человека в покое – 400–600 мл в сутки, с потом выделяется около 40 г поваренной соли и 10 г азота.
Нервная система. Мозг реального живого человека, действующего в мире природы и социальной истории, представляет собой продукт длительной эволюции Вселенной, и поэтому он сам является отражением мира.
Из всех известных человеку систем его нервная система – самая сложная. Она содержит 50 млрд нервных клеток, объединенных в невероятно сложную сеть. В мозге находятся чувствительные центры, анализирующие изменения, которые происходят как во внешней, так и во внутренней среде. Мозг управляет всеми функциями организма, включая мышечные сокращения и секреторную активность желез.
Таким образом, нервная система выполняет две важнейшие функции. Первая из этих функций коммуникационная. С одной стороны, это передача различным нервным центрам информации, получаемой рецепторами, находящимися в коже, глазах, ушах, носу, рту и других органах; с другой – это проведение сигналов от нервных центров к железам и мышцам, что дает возможность адекватным и специфическим образом реагировать на те события во внешней среде, с которыми сталкивается организм. Эту двоякую функцию обеспечивает периферическая нервная система.
Второй важной функцией нервной системы, без которой теряет смысл и ее первая функция, является интеграция и переработка получаемой информации и программирование наиболее адекватной реакции. Эта функция принадлежит центральной нервной системе и включает широкий диапазон процессов – от простейших рефлексов на уровне спинного мозга до самых сложных мыслительных операций на уровне высших отделов головного мозга.
Функциональная и структурная единица нервной системы, приспособленная для осуществления приема, обработки, хранения, передачи и интеграции информации, – нейрон. Популяция нервных клеток почти полностью «укомплектована» уже к моменту рождения, и ни один из нейронов, если он отомрет, не замещается новым. Другая особенность нейронов – они ничего не продуцируют, не секретируют и не структурируют, единственная их функция – проведение нервной информации.
В нейроне различают тело и отростки разного типа (аксон и дендриты), выполняющие строго определенные функции. Тела нейронов образуют так называемое серое вещество. Одни нейроны (чувствительные) передают возбуждение от периферии к ЦНС, другие (двигательные) – проводят импульсы от ЦНС к рабочим органам – мышцам и железам. Отростки вставочных нейронов не выходят за пределы ЦНС. Там они образуют цепи, осуществляющие анализ вводной сенсорной информации, хранение опыта в виде памяти и формирование соответствующих нервных команд.
Большинство нервных волокон (отростков нейронов) покрыто оболочкой из миелина. Она с регулярными промежутками в 1–2 мм прерывается перетяжками, которые увеличивают скорость пробегания нервного импульса по волокну, позволяя ему «перепрыгивать» с одного перехвата на другой, вместо того чтобы постепенно распространяться вдоль волокна. Сотни и тысячи собранных в пучки аксонов образуют нервные пути, которые благодаря миелину имеют вид белого вещества. Скопление нервных волокон, покрытых соединительно-тканной оболочкой, называют нервом.
Важнейшее свойство нервных (а также мышечных) клеток – способность возбуждаться в ответ на действие раздражителя. Возбуждение способно распространяться, перемещаться из одного места клетки в другое и из одной клетки в другую. Обязательным признаком возбуждения является изменение электрического состояния поверхностной клеточной мембраны. Именно электрические явления обеспечивают проведение возбуждения в возбудимых тканях. Но в деятельности всех отделов нервной системы важную роль играет и процесс торможения, результатом которого является ослабление или подавление возбуждения.
Информация поступает в нервные центры, перерабатывается там и затем передается эффекторам (рабочим органам, например, мышцам) в виде нервных импульсов, пробегающих по нейронам и соединяющим их нервным путям. Независимо от того, какую информацию передают нервные импульсы, пробегающие по миллиардам нервных волокон, они ничем не отличаются друг от друга. Качественные различия между ними определяются не самими этими сигналами, а тем местом, куда они приходят: если это мышца, она будет сокращаться или растягиваться; если это определенная область мозга, в ней будет формироваться зрительный образ внешнего стимула или же сигнал подвергнется расшифровке в виде, например, звуков. Теоретически достаточно было бы изменить ход нервных путей, например, часть зрительного нерва в зону мозга, ответственную за расшифровку звуковых сигналов, чтобы заставить организм «слышать глазами».
Как же передается возбуждение? Нервные импульсы передают по дендритам и аксонам не сам внешний стимул как таковой и даже не его энергию. Внешний стимул лишь активирует соответствующие рецепторы, и эта активация преобразуется в энергию электрического потенциала, который создается на кончиках дендритов, образующих контакты с рецептором. Возникающий при этом нервный импульс можно грубо сравнить с огнем, бегущим вдоль бикфордова шнура, только почти сразу же после прохождения разряда потенциал нервного волокна восстанавливается.
От одной нервной клетки к другой импульс передается химическим путем с помощью особого вещества – посредника, или медиатора. Некоторые медиаторы всегда оказывают только возбуждающее действие (ацетилхолин, норадреналин), другие – только тормозное (ингибирующее – гамма-аминомасляная кислота), а третьи – в одних отделах нервной системы играют роль активаторов, а в других – ингибиторов.
Читать бесплатно другие книги:
