內穩態理論

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更新時間: 2013-08-29

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內穩態(homeostasis)機制,即生物控制自身的體內環境使其保持相對穩定,是進化發展過程中形成的一種更進步的機制,它或多或少能夠減少生物對外界條件的依賴性。具有內穩態機制的生物藉助於內環境的穩定而相對獨立於外界條件,大大提高了生物對生態因子的耐受範圍。

內穩態理論 -簡介
亨德森(L·J·Henderson,1879—1942)是一位美國醫師,同時又是生理學家、哲學家和社會活動家。他從酸鹼平衡的研究中,發現了血液的緩衝作用;從體液平衡的角度為內環境的穩定提供了科學依據。
內穩態理論 -學習過程

在哈佛大學學習時,亨德森對阿倫尼烏斯的電離理論非常感興趣,並且堅信這個電離理論可以直接應用於生物學研究。大學畢業后,他到德國斯特拉斯堡跟著名膠體化學家霍夫邁斯特(F·Hofmeister,1850—1922)學習物理化學。在那裡他不僅受到了良好的科學訓練,而且深受德國分析學派思想的影響。他也曾確信一個生物學家必須使用物理化學方法去研究生物體的結構和功能。他們認為生命現象可以分解成物理化學中的分子、原子和離子,能用實驗證實。1904年他回到哈佛任教,在阿倫尼烏斯電離理論的基礎上著手研究酸鹼平衡問題。

亨德森通過精確測量水溶液中氫離子(H+)濃度與未解離的酸或鹽總量(關係)定量地描述了緩衝系統的作用和特點。向緩衝系統中加入酸或鹼,系統可以通過改變弱酸鹽或弱鹼鹽解離比率保證溶液中氫離子濃度相對穩定。我們的身體體液中包含著酸、鹼和鹽,一定存在著緩衝體系。於是,亨德森著手研究血液或組織液的緩衝作用。因為血液的組成成分相當複雜,他首先研究簡單的模擬血液中的緩衝系統,定量地測定了人造緩衝系統的物理化學特徵。不久他就發現血液中包含著多種緩衝體系,而且生理緩衝系統比人造緩衝系統有效得多。比如說碳酸和碳酸氫納在試管中只有中等的緩衝效力,但在血液中緩衝效力卻很大。通過對水溶液和模擬血液的研究之後,亨德森開始利用這些方法和原理全面系統地研究異常複雜的血液系統。他選擇了最重要的七種相互有關的變化成分進行深入細緻的研究,取得了大量的物理化學數據。他巧妙地利用了一種像笛卡爾列線圖(cartesian nomofram)一樣的圖解格式對七組數據進行了處理,終於找到了一種解釋和顯示他選出的七種變化成分相互作用的方式。他清楚的發現血液的總緩和勢並不是各組分緩衝勢的簡單累加。這些成就都概括在《作為物化體系的血液》一書中。

亨德森把貝爾納的內環境思想和自己的實驗結合起來,闡述了自己對生命現象的獨特見解。他認為生命系統是由相互作用的因子組成的,具有調節自己各種活動過程的能力。生理過程依賴於生命體內的物理和化學條件,但是通過孤立研究這個系統的任何組成部分都不能完全真正闡明生命現象的機理。亨德森承認物理一化學方法是一種重要的分析手段,但僅僅依賴它將會導致作出過於簡化或錯誤的結論。他特彆強調應該研究生命現象的整合作用和協調作用。這與貝爾納的思想是一脈相承的。亨德森是在美國傳播貝爾納思想的主要幹將。1927年他第一次把貝爾納的《實驗醫學研究導論》譯成英文。亨德森通過自己出色的工作大大地發展了貝爾納的思想。他的同事坎農在貝爾納和他工作的基礎上,結合謝靈頓的神經態合理論將內環境理論推向了一個新的高度——建立了內穩態理論。

坎農(W.B.Cannon,1871—1945)和亨德森一樣曾在哈佛受過良好醫學生理學訓練。通過對休克的研究,他清楚地意識到這種身體不能自我維持的生理狀態是機體調節機制衰竭的結果。他認識到全身生理過程的調節像溫度,代謝率、血糖水平、心博率和呼吸速率的調節等並不是完全像亨德森所強調的那樣依靠血液的緩衝作用,還要靠甚至更主要是靠神經系統和內分泌系統的相互作用來實現。這是一個異常複雜的問題。坎農先研究了脊椎動物身體上調節不隨意反應如營養,血管、生殖機能自主神經的交感分支。他發現交感神經系統起著主導作用,實際上控制著身體的其他調節系統。例如當氣溫升高時,交感神經系統一方面使皮膚表層的毛細血管舒張並刺激汗腺分泌汗液,另一方面促使腎上腺釋放更多的腎上腺素到血液加速身體的代謝過程。這些相互作用的結果將使體溫維持相對恆定。通過對腎上腺髓質機能的深入研究,坎農認識到腎上腺髓質的機能本質上是一種適應機制,一種有助於動物準備好逃跑或戰鬥應付緊急情況的機制。坎農通過對交感神經系統和與此相關的內分泌功能的研究,對貝爾納的內環境理論有了更深刻而具體的理解。1932年他在《人體的智慧》一書明確提出了內穩態理論。

內穩態這一術語描述了維持內環境穩定的自我調節過程。他提出內環境的穩定不是靠使生物與環境隔開,而是靠不斷地調節體內的各種生理過程。穩態是一種動態的平衡不是恆定不變;各個組成部分不斷地改變,而整個系統卻保持穩定。坎農雖然認識到了身體內環境的穩態是神經、內分泌以及血液緩衝作用的結果,但其具體作用機制仍然有待進一步探討。坎農和亨德森晚年一樣確信生命現象不能完全分成物理化學過程,即生命系統各部分的結構及其相互作用與簡單的物理化學過程不同。他將生物體視為一個整體,每一部分都有其自己的功能,但要通過各種控制過程對各部分進行整合。這反映了一個古老而時髦的哲學命題:整體大於部分的總和。

坎農和亨德森的工作合在一起再加上霍爾丹對呼吸速度調節機理的研究代表了20世紀新生物學或生理學中最有影響的理論取向。他們改變了一直在生理學中占重要地位的還原論研究方式。他們堅信生命系統各部分的作用遵循基本的物理一化學規律,但又強調整體的作用不能完全用物理一化學來解釋。他一方面避免陷入活力論,另一方面又擺脫了還原論的局限。宏觀與微觀相結合,理論與實驗相結合,為生理學乃至生物學的發展建立了良好研究方式。他們的這種方式被認為是唯理主義科學觀(rationalistic science)的重要組成部分。他們是整體唯物主義者,他們堅信事物起因的物質性,並且強調探索系統中各組成部分之間的相互聯繫。

一般認為內穩態理論是現代生理學建立的標誌,也是生理學進一步發展的基礎。進入20世紀后,生理學的發展出現了兩個激烈的領域:神經生理和內分泌生理。

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