Принцип целесообразности Тренировочные задачи

ЧАСТЬ II. ЗАДАЧИ С РЕШЕНИЯМИ

Прежде чем перейти к решению задач, обратите внимание на следующее. Принципы системного подхода универсальны, их можно использовать в любой области. В том числе и при решении задач очередной, 6-й главы, предназначенной для понимания принципов физиологического мышления. Но поскольку эти принципы имеют самодовлеющее значение, то необходимо сосредоточить внимание именно на них, не используя при этом уже упоминавшиеся четыре правила. Чтобы не смешивать два разных подхода. Во всех же остальных главах использовать эти правила необходимо. В этом основное предназначение данных глав, построенных параллельно учебному курсу физиологии.

Некоторые вводные задачи весьма просты. Можно попытаться решить их без использовния правил. В более сложных случаях правила необходимы. Вначале всегда попытайтесь найти нужное правило самостоятельно, в этом и состоит важная цель обучения. Если не удастся, загляните в конец книги. Там помещен перечень правил, которые нужно использовать при решении той или иной конкретной задачи.

И только в случае полной неудачи обратитесь к решениям, приводимым в конце главы. Не ищите готовый ответ сам по себе. Главное – понять логику решения.

Глава 6. Основные принципы физиологического мышления

1. Почему у тюленей, китов, моржей имеется мощный подножный слой жира?

Решение. Ответ не представляет труда – для предотвращения больших потерь тепла в холодной воде.

2. Знаменитые горбы у верблюда содержат большие запасы жира – до 100-120 килограммов. В чем физиологический смысл этого? И почему жир запасен в горбах, а не под кожей, как у некоторых водных животных?

Решение. О холоде, разумеется, речи быть не может – верблюд живет в пустыне. Здесь другая проблема – нехватка воды. Тогда будем искать полезную для организма связь между нехваткой воды и избытком жира в организме. Дело в том, что при окислении углеводов и, особенно, жиров образуется так называемая метаболическая вода. За ее счет верблюд может не пить 45 дней и при этом первые две недели нормально работать. Жиры дают больше воды, чем углеводы (почему?), поэтому запасаются именно они. А почему не под кожей как у водных животных? Для верблюда это было бы не только нецелесообразно, но просто гибельно из-за перегревания. У других пустынных животных тоже имеются скопления жира и, конечно, опять-таки не под кожей, а в определенных местах, например, у основания хвоста.

3. У некоторых антарктических рыб кровь бесцветная. С чем это связано?

Решение. Красный цвет крови обусловлен наличием эритроцитов, содержащих гемоглобин. Следовательно, у этих рыб эритроцитов нет.

В чем физиологический смысл такой несколько необычной особенности? В антарктических морях вода очень холодная. Рыбы пойкилотермные животные и в этих условиях метаболизм у них низкий. Кроме того, у них имеются компенсаторные приспособления для поступления кислорода через кожные сосуды, сеть которых очень развита. В результате можно обойтись и без гемоглобина.

4. Для самых различных млекопитающих установлена математическая зависимость между диаметром аорты (d) и величиной систолического объема сердца (С), d = 0,013С (размерности не учитываются). Чем можно объяснить наличие такой универсальной зависимости?

Решение. Физиологический смысл данной зависимости сразу найти довольно трудно. Здесь потребуется привлечь на помощь не только физиологию, но и биофизику. Начнем с того, что при данном диаметре аорты увеличение систолического объема приведет к повышению линейной скорости кровотока. И наоборот, при данном систолическом объеме уменьшение диаметра аорты также вызовет повышение скорости кровотока. Следовательно, вопрос сводится к тому, что физиологически невыгодно, чтобы скорость кровотока превысила некоторый определенный предел. Почему? Вот здесь и потребуются сведения из биофизики или просто физики. Существует закон Рейнольдса, из которого, в частности, следует, что при достижении определенного уровня скорости течения жидкости или газа поток из ламинарного становится турбулентным. А при таком течении резко возрастает сопротивление.

Таким образом природа и здесь нашла оптимальный вариант – у всех млекопитающих аорта имеет такой диаметр, при котором течение крови не переходит в турбулентное и не возрастает нагрузка на сердце.

5. После предыдущей задачи эта не должна представить никаких трудностей.

Если бы гемоглобин содержался непосредственно в плазме, а не в эритроцитах, то присоединение кислорода происходило бы быстрее. Почему же в ходе эволюции весь гемоглобин был «упакован» в огромное количество эритроцитов?

Решение. Гемоглобин – хромопротеид и содержит белок – глобин. Раствор такого вещества в плазме повысил бы вязкость крови в несколько раз. Взгляните на рис. 3.1. Ясно, что сопротивление кровотоку значительно возросло бы, а это в свою очередь приведет к существенному повышению КД. Расплачиваться же за все это опять-таки пришлось бы сердцу.

6. Возможно, Вы не знаете, что у комаров, которые иногда так нам досаждают, существует «разделение труда». Кусаются и пьют кровь только самки, а самцы ведут себя гораздо безобидней и довольствуются пищей растительного происхождения. А где здесь физиологический смысл?

Решение. Самки отличаются от самцов прежде всего тем, что им приходится производить потомство. А это требует дополнительных расходов. В частности, необходимо получать больше белка. Вот и приходится добывать его из крови.

Способность находить аналогии – весьма полезное качество ума. Поэтому прежде чем перейти к следующей задаче, подумайте чем можно объяснить существование насекомоядных растений?

7. Исходя из принципа целесообразности, можно предсказать, что должны существовать только две группы физиологических механизмов, которые в конечном счете позволяют ему приспособиться к гипоксии любого происхождения. Какие же это механизмы?

Решение. Если денег маловато, есть только два выхода. Или как-то раздобыть дополнительное их количество, или научиться жить «по средствам». Так же действует и организм в условиях гипоксии. Или усиливается деятельность средств доставки кислорода – кровообращение, дыхание, дыхательная функция крови, или происходят изменения в тканях, позволяющие им существовать в среде с пониженным содержанием кислорода.

8. А что Вы думаете относительно содержания миоглобина в мышцах ныряющих животных?

Решение. После предыдущей задачи эту Вы должны решить, что называется, на ходу. Миоглобин – родной брат гемоглобина. Как показывает название, содержится он в мышцах. При восстановлении миоглобин, как и гемоглобин, отдает кислород. Когда ныряльщик, например, тюлень уходит под воду, то взять кислород из воздуха он уже не может. А мышцам кислород по прежнему нужен. Поэтому ясен физиологический смысл того, что в мышцах тюленя миоглобина в семь раз больше, чем, например, у быка, который, как известно, не ныряет. А в мышцах китов миоглобина еще больше.

9. У собак слюна выделяется только во время еды, а у человека постоянно. В чем физиологический смысл такого различия? Зачем нужна слюна, если во рту ничего нет?

Решение. В последнем вопросе условия содержится подсказка. Значит, слюна нужна не только для еды. После выхода организмов из воды на сушу у всех них появилась проблема борьбы с высыханием. Так, слеза защищает от высыхания роговицу глаза. Слюна делает то же самое по отношению к слизистой полости рта. Почему же человеку в отличие от собаки требуется непрерывная секреция слюны для защиты от высушивания? Потому что он значительно чаще открывает рот в связи с речевой артикуляцией. Речь сопровождается движением воздуха, что способствует подсыханию слизистых.

Для дополнительной тренировки попробуйте ответить самостоятельно на следующие вопросы.

Происходит ли непрерывная секреция слюны у человека в связи не только со звуковой, но и с мысленной речью?

Имеется ли такая особенность слюноотделения у глухонемых от рождения?

10. У икроножных мышц по сравнению с другими мышцами особенно выражена выносливость к статическим усилиям. С чем это связано?

Решение. Как Вы понимаете, это простая задача. Поддержание позы, например, стояние требует постоянного сокращения ряда мышц, в том числе и икроножных. Этим и объясняется их выносливость к статическим усилиям.

11. Глаз воспринимает всю видимую часть спектра. Но не видит тепловую, инфракрасную часть его. Не обделила ли нас природа? Ведь тогда мы могли бы ориентироваться в темноте. Разве это физиологически плохо?

Решение. У Вас уже достаточно опыта, чтобы понимать – если в ходе эволюции не появилось какое-то кажущееся полезным свойство, значит, этому мешали серьезные причины.

Свет воспринимают рецепторы сетчатки. Они находятся в глубине глаза,.Прежде чем достигнуть сетчатки, свет проходит через роговицу, хрусталик и стекловидное тело. Эти образования, как и другие ткани тела излучают тепло. Поэтому, если бы глаз мог воспринимать инфракрасные лучи, то мы ничего не видели бы, кроме постоянной пелены перед глазами.

12. В суставной 'полости существует отрицательное давление. Чем это полезно?

Решение. Отрицательное давление – это, иначе говоря, некоторое разрежение. В разреженном пространстве находящиеся в нем предметы более тесно прилегают друг к другу. Поэтому в суставной полости кости, образующие сустав, взаимно притягиваются. При нарушении целости суставной сумки отрицательное давление исчезает, кости могут легко разъединяться и сустав не сможет работать надежно.

13. Если Вы не помните, как влияют на величину просвета сосудов углекислый газ, молочная и пировиноградная кислоты, то не попытаетесь ли Вы ответить на этот вопрос, исходя из принципа целесообразности?

Решение. Все перечисленные вещества являются метаболитами. Их содержание в крови увеличивается, если организм производит какую-либо работу. Очевидно, при этом кровоснабжение органов должно увеличиться. В таком случае логично предположить, что указанные метаболиты расширяют сосуды. В действительности так и происходит.

14. Некоторые рыбы имеют электрические органы. Возникающее в них напряжение может достигать 600 В. Немудрено, что возникающий при разряде такого органа ток может оказаться для жертвы смертельным. Однако столь высокое напряжение существует только в электрических органах пресноводных рыб. У обитателей же морей оно в 8-10 раз меньше. С чем это связано?

Решение. Для морских рыб физиологически нецелесообразно расходовать дополнительную энергию, чтобы повысить напряжение в электрическом органе. Ведь морская вода соленая и хорошо проводит ток. Поэтому и при относительно невысоком напряжении разрядный ток окажется достаточно сильным. Пресная же вода значительно худший проводник. Приходится увеличить напряжение, чтобы получить нужный эффект.

Задачи для самоконтроля

15. Интенсивность метаболизма у тюленей и китов в два раза выше, чем у наземных животных с такими же размерами тела. В чем физиологический смысл этого?

16. Массы тела землеройки и горбатого кита различаются почти в сто миллионов раз. А размеры эритроцитов у них почти одинаковы – 7,5 и 8,2 мкм. Не представляется ли это Вам странным?

17. Почему ни одно из насекомых не достигает больших размеров, свойственных многим другим! животным?

18. При физической нагрузке сердце, как всем известно, усиливает свою работу. У насекомых роль сердца выполняет особый спинной сосуд. Он сокращается и проталкивает гемолимфу по остальным сосудам. Однако даже при усиленной работе насекомого спинной сосуд сокращается по прежнему. Почему?

19. Кенгуровые крысы – типичные пустынные животные. В связи с этим в ходе эволюции у них выработались различные приспособления к условиям пустыни.

Если бы Вам довелось исследовать гипофиз у кенгуровой и белой лабораторной крысы, то где бы Вы обнаружили большее количество АДГ?

20. Даже очень тренированный человек не может пробыть под водой больше 5-6 минут. Углекислый газ, накапливающийся в избытке в связи с задержкой дыхания, раздражает дыхательный центр и, в конце концов, происходит вдох. В таком случае как же некоторые ныряющие животные могут оставаться под водой достаточно долго, иногда до часа (киты) и при этом не дышать?

21. Если человек натренирован к выполнению значительной мышечной работы, то каких изменений щелочного резерва крови следует у него ожидать?

22. Некоторые животные постоянно совершают очень большую мышечную работу. Например, крот в ходе рытья может выбросить количество земли, в 20 раз превышающее его собственный вес. Какие особенности содержания гемоглобина у кротов по сравнению с другими животными имеют место?

23. Лиса раскапывает мышиную нору, а кошка терпеливо сидит у норы в ожидании появления добычи. Как при этом обстоит дело с выделением слюны?

24. У мужчин преобладает брюшной тип дыхания, а у женщин – грудной. Чем можно объяснить это различие?

25. У совы шейная часть позвоночника обеспечивает поворот головы почти до 180 градусов. Можно ли объяснить такую анатомическую роскошь?

26. Чувствительность уха огромна. Мы воспринимаем звуки, вызывающие ничтожные перемещения барабанной перепонки. Но, если повысить чувствительность органа слуха дополнительно всего в 100 раз, то вместо ожидаемых преимуществ появится очень большой недостаток. Какой?

27. Явление доминанты в головном мозге выражается, в частности, в способности нервного центра, находящегося в состоянии доминантного возбуждения, «притягивать» возбуждения, адресованные другим центрам. и тем самым усиливать собственное возбуждение. В чем физиологический смысл этой особенности?

28. При воздействии катехоламинов на альфа – адренорецепторы сосуды суживаются, а раздражение бета-адренорецепторов приводит к расширению сосудов. В чем физиологический смысл того, что у здорового человека в коронарных сосудах сердца количество бета – адренорецепторов значительно превышает число альфа – адренорецепторов?

29. Выносящая артериола в почках, которая получает кровь из капилляров клубочка, имеет меньший диаметр, чем приносящая артериола, доставляющая кровь в клубочек. В чем состоит физиологический смысл этого анатомического различия? Что произошло бы, если соотношение диаметров данных сосудов изменилось бы на противоположное?

Решения задач для самоконтроля

15. Значение метаболизма прежде всего в том, что он доставляет энергию, необходимую для протекания всех жизненных процессов. Но у гомойотермных животных метаболизм обеспечивает и выработку тепла, что позволяет поддерживать постоянную температуру тела. Киты и тюлени живут в холодной воде. Чтобы компенсировать увеличенные теплопотери, им приходится вырабатывать дополнительные количества тепла, что и достигается усилением метаболизма.

На этом примере видно, что принцип целесообразности во многих случаях связан с экологическим подходом. Это означает. что в ходе эволюции у организмов вырабатывались приспособления именно к тем условиям среды, в которых они постоянно находились на протяжении сотен и тысяч поколений.

16. Каждая клетка получает все необходимое ей из крови, притекающей по капиллярам. Поскольку клетки имеют микроскопические размеры (почему?), то и диаметр капилляров должен быть очень малым, независимо от того, в каком организме находятся снабжаемые кровью клетки. Эритроциты проходят по капиллярам в один ряд. Физиологический смысл этого понятен – облегчается и ускоряется газообмен. Поэтому размер эритроцитов никак не связан с размерами животного, а согласуется только с диаметром капилляров.

17. Если искать ответ беспорядочным перебором вариантой, то, как Вы уже знаете, это не лучший путь. Нужно подумать, какие особенности насекомых, точнее, особенности какой их системы не позволяют увеличивать размеры тела сверх определенного предела. Это – система трахейного дыхания. Воздух и, стало быть, кислород поступают в клетки через огромное количество мельчайших трубочек – трахей. Но эта система недостаточно эффективна. По трахеям воздух не может проникать на большие расстояния. Отсюда и необходимость ограничивать размеры тела.

18. Эта задача непосредственно связана с предыдущей. В чем физиологический смысл усиления деятельности сердца при выполнении работы? Прежде всего в том, что в работающие органы доставляется повышенное количество кислорода.

Но, как уже говорилось выше, у насекомых кислород поступает непосредственно в клетки через систему трахей. Гемолимфа же кислород не переносит и поэтому ускорение ее движения за счет усиления работы спинного сосуда ничего не даст.

19. Достаточно знать, в чем состоит действие АДГ и ответ становится ясным.

Этот гормон увеличивает реабсорбцию воды в канальцах почек и тем самым уменьшает величину диуреза. Очевидно, что удержание воды в организме особенно важно для кенгуровой крысы – жителя пустыни. Тогда понятно, почему в ее гипофизе содержание АДГ в несколько раз больше, чем у белой крысы.

20. Чудес в природе не бывает. Если углекислый газ накапливается, а дыхательный центр не возбуждается, значит, его возбудимость при нырянии резко снижается.

21. Физиологический смысл наличия щелочного резерва крови в том, что он связывает кислые продукты, которые в избытке образуются при мышечной деятельности. Отсюда становится ясным ответ – у тренированного человека эти продукты должны связываться быстрее (это один из эффектов тренировки на биохимическом уровне), следовательно, щелочной резерв увеличен.

22. Подобного типа задачи Вы теперь должны решать, как говорится, сходу.

Усиленная мышечная работа требует потребления больших количеств кислорода. Поэтому ответ очевиден – у кротов содержание гемоглобина в крови очень высокое.

23. У лисы раскапывание норы содержит комплекс условных раздражителей, сигнализирующих о скором получении пищи. Поэтому во время раскапывания интенсивно выделяется слюна. Подобное происходит и у голодного человека, который наблюдает за тем, как накрывают стол для трапезы. Кошка же хищник засадный. Она может часами терпеливо сидеть у мышиной норы в ожидании добычи. Выделение слюны во время засады физиологически нецелесообразно – ведь неизвестно, сколько еще придется ждать. За это время можно просто истечь слюной.

24. Очевидно, брюшной тип дыхания может быть для женщин невыгоден, затруднен. Если не всегда, то хотя бы в определенные моменты. Например, при беременности. Поэтому природа предпочла такой тип дыхания, при котором трудности не возникают.

25. Анатомия (структура) всегда связана с физиологией (функция). Глаза у совы устроены так, что обеспечивают видение только прямо перед собой. Но зато можно поворачивать голову в разные стороны в широких пределах. Сова охотится ночью, используя в первую очередь свой очень острый слух.

Для точного определения местонахождения источника звука тоже приходится вертеть головой.

26. Природа и здесь остановилась на важном рубеже. Если бы огромная чувствительность уха была повышена еще сравнительно немного, то оно бы оказалось в состоянии реагировать на тепловое,движение молекул воздуха. И тогда бы в наших бедных ушах днем и ночью стоял постоянный шум.

27. Лучше всего рассмотреть этот вопрос на конкретном примере. Во время глотания центр этого рефлекса находится в состоянии доминанты. Физиологически очень важно, чтобы пищевой комок был проглочен, а не застрял в горле. Сильное постороннее раздражение может затормозить многие рефлексы. Но, если какая-то реакция в данный момент является жизненно важной, то ее центр приобретает свойства доминанты. И тогда посторонние раздражители не тормозят, а даже усиливают эту реакцию, что физиологически целесообразно.

28. Катехоламины (А и НА) выделяются при возбуждении СНС. Это происходит всякий раз, когда организму предъявляются повышенные требования (физическая нагрузка, стресс и т. п.). В таких условиях работа сердца значительно возрастает и кровоснабжение его должно усилиться. Этому способствует избыточное количество бета-адренорецепторов в стенках сосудов сердца, обеспечивающее их расширение. При атеросклерозе количество данных рецепторов уменьшается. Поэтому теперь катехоламины воздействуют преимущественно уже,на альфа – адренорецепторы, что может привести к спазму коронарных сосудов.

29. В почечных клубочках протекает первая стадия образования мочи – фильтрация. Важную роль в этом играет величина кровяного давления. Более узкий выносящий сосуд создает дополнительное сопротивление и поэтому перед ним – в капиллярах клубочка давление повышается, что способствует фильтрации. При обратном же соотношении диаметров сосудов давление повышалось бы перед приносящим сосудом и после его преодоления кровь приходила бы в клубочек при пониженном давлении. Образование мочи резко снизилось бы. Поэтому склеротическое перерождение приносящих сосудов весьма опасно для почек.

Дата добавления: 2014-01-11