В XIX веке была создана рефлекторная теория нервной деятельности. Были изучены спиномозговые рефлексы и проведен анализ рефлекторной дуги: Ч. Беллом, Ф. Мажанди и И. Мюллером обнаружено распределение центробежных и центростремительных волокон в спинномозговых корешках (закон Мажанди). В 20-х годах XIX века были проведены исследования Флурансом, который удалял у птиц большие полушария головного мозга и экспериментально доказал их роль в возникновении ощущений и произвольных движений.
Выдающееся значение имели труды И. М. Сеченова 1829-1905. В 1856 году он закончил медицинский факультет Московского университета и был направлен за границу, где проходил подготовку к профессорскому званию в лабораториях И.Мюллера, Э.Дюбуа-Реймона, К.Людвига, К.Бернара. По возвращении в Россию в 1860 году Сеченов защитил докторскую диссертацию «Материалы для будущей физиологии алкогольного опьянения».
Его работы по физиологии дыхания и крови, газообмену, растворению газов в жидкостях и обмену энергии заложили основы будущей авиационной и космической физиологи. Однако особое значение имеют его труды в области физиологии центральной нервной системы и нервно-мышечной физиологии. Во времена И.М.Сеченова представления о работе мозга были весьма ограниченными. В середине XIX века еще не было учения о нейроне как структурной единице нервной системы. Оно было создано лишь в 1884 году испанским гистологом, лауреатом Нобелевской премии(1906) С.Раймон-и-Кахалем 1852-1934. Не существовало и понятия о синапсе, которое было введено в 1897 году английским физиологом Ч.Шеррингтоном 1857-1952, сформулировавшим принципы нейронной организации рефлекторной дуги. Ученые того времени не распространяли рефлекторные принципы на деятельность головного мозга.
И.М.Сеченов первым выдвинул идею о рефлекторной основе психической деятельности и убедительно доказал, что «все акты сознательной и бессознательной жизни по способу происхождения суть рефлексы». Открытая им центральная (сеченовское) торможение в 1863 году, впервые продемонстрировало, что на ряду с процессом возбуждения существует другой активный процесс – торможение, без которого немыслима интегративная деятельность ЦНС.
Классическим обобщением исследований И.М.Сеченова явился его труд «Рефлексы головного мозга» (1863), который И.П.Павлов назвал «гениальным взмахом русской научной мысли». Суть его лаконично выражена в первоначальных названиях, измененных по требованию цензуры: «Попытка свести способ происхождения психических явлений на физиологические основы» и «Попытка ввести физиологические основы в психические процессы». Эта научная работа была написана И.М.Сеченовым по заказу редактора журнала «Современник» поэта Н.А.Некрасова. Перед И.М.Сеченовым была поставлена задача: дать анализ современного состояния естествознания. Прогрессивные естественнонаучные взгляды автора, подтвержденные описанием физиологических опытов, заставили цензуру признать это сочинение опасным: его публикация в журнале «Современник» была запрещена. Однако в этом же, 1863 году, работа Сеченова была опубликована в «Медицинском вестнике», затем вышла отдельным изданием и получила огромный резонанс в общественной и научной жизни России. Отстаивая принципы материалистического естествознания Сеченов утверждал, что «среда, в которой существует животное, оказывается фактором, определяющим организацию… организм без внешней среды… невозможен, поэтому в научное определение организма должна входить и среда влияющая на него».
И.М.Сеченов создал крупную физиологическую школу в России. Его учениками были Б.Ф. Вериго, Н.Е.Введенский, В.В.Пашутин, Г.В.Хлопин, Н.Н.Шатерников и многие другие.
Николай Евгеньевич Введенский 1852-1922 – преемник И.М.Сеченова на кафедре физиологии Петербургского университета – внес значительный вклад в развитие физиологии возбудимых тканей и нервной системы в целом. В 1887 году но защитил докторскую диссертацию «О соотношении между раздражением и возбуждением при тетанусе». Используя телефонный аппарат, но впервые прослушал ритмическое возбуждение в нерве (1884). Изучая явления тетануса, показал способность мионеврального синапса трансформировать импульсы и на этой основе открыл явления оптимума и пессимума (1886). Введенский ввел понятие лабильности и создал учение о парабиозе, которое изложено в его монографии «Возбуждение, торможение и наркоз» (1901). Дальнейшее развитие физиологии возбудимых тканей связано с работами А.А.Ухтомского, Б.Ф.Вериго, В.Ю.Чаговца, Д.Н.Насонова и других ученых.
Во второй половине XIX века было начато изучение функционального значения различных отделов центральной нервной системы, для чего применяли методики раздражения и удаления определенных участков головного или спинного мозга (исследования Фритша и Гитцига, Гольца, Мунка, В. М. Бехтерева, Лючиани).
Важное значение для развития физиологии в XIX веке имела разработка хирургической методики физиологического эксперимента, т. е. методики оперативного вмешательства, позволяющей осуществлять в относительно нормальных физиологических условиях хроническое наблюдение над функциями различных органов. Хирургическая методика получила особенно широкое распространение в физиологии после того, как начал применяться наркоз и были разработаны правила асептики и антисептики, обеспечившие предохранение оперированного животного от инфекции, лучшее заживление ран и выживание после операции. В XIX веке были разработаны десятки различных операций (В. А. Басов, Тири, Белла, Гейденгайн, И. П. Павлов) для изучения функций разных органов. С помощью оперативной фистульной методики была создана, главным образом трудами И. П. Павлова и его учеников, современная физиология пищеварения.
На протяжении XIX столетия, особенно его второй половины, физиологические знания чрезвычайно расширились и углубились. Успехи физиологии способствовали научному обоснованию материалистического миропонимания, которым в значительной степени прониклось естествознание этого столетия. Витализм, являвшийся преобладающим направлением в мировоззрении биологов начала XIX столетия, вынужден был сдать свои позиции. Все же в трудах разных ученых на протяжении всего столетия можно обнаружить виталистические и другие идеалистические концепции. Так, в это время среди физиологов, в особенности в Германии, распространились идеалистические направления: физиологический идеализм, агностицизм, кондиционализм и др. Физиологический идеализм — направление, развитое известным немецким физиологом Мюллером и получившее название от критиковавшего его философа-материалиста Фейербаха,— пытался обосновывать антинаучное представление о невозможности познания внешнего мира органами чувств. Доказывалось, что якобы этими органами воспринимаются качества, а не существующая вне нас реальная действительность. Агностицизм, пропагандировавшийся Дюбуа-Реймоном, состоит в признании, что некоторые проблемы естествознания, в том числе проблемы жизни и человеческого мышления, никогда не будут решены, что они являются непознаваемыми. Кондиционализм, представителем которого в физиологии был Фервори, отрицает причинное объяснение явлений.
Отходу ряда естествоиспытателей от материализма способствовало то, что последний еще оставался метафизическим, механическим, страдал ограниченностью: недостаточно понимались связи и переходы между отдельными явлениями. В XIX веке было накоплено множество научных фактов, которые не могли быть объяснены на основе существовавшей методологии, с позиций механического материализма.
РАЗВИТИЕ ФИЗИОЛОГИИ В XX СТОЛЕТИИ
В XX веке начался новый этап в развитии физиологии, характерной чертой которого был переход от узкоаналитического к широкому синтетическому пониманию жизненных процессов. Важнейшим достижением физиологии явилось созданное И. П. Павловым учение о высшей нервной деятельности. И. П. Павлов (1849-1936) чрезвычайно расширил и развил рефлекторную теорию и на ее основе раскрыл нервный механизм, обеспечивающий наиболее совершенные и сложные формы реагирования человека и высших животных на воздействия внешней среды. Этим механизмом является условный рефлекс, а органом высшей нервной деятельности — кора больших полушарий головного мозга.
В 1879 году Павлов окончил Медико-хирургическую академию и был приглашен С.П.Боткиным в физиологическую лабораторию при его клинике, где руководил физиологическими и фармакологическими исследованиями. В лаборатории С.П.Боткина И.П.Павлов выполнил свою докторскую диссертацию «Центробежные нервы сердца» (1883), а затем начал исследования по физиологии пищеварения. В течении двух лет (1884-1886) он работал в лабораториях Р.Гейденгайна и К.Людвига в Германии, после чего снова вернулся в лабораторию Боткина.
В 1890 году И.П.Павлов был избран профессором фармакологии (а в 1895 году профессором физиологии) Военно-медицинской академии и почти одновременно заведующим физиологическим отделом в Институте экспериментальной медицины в Петербурге. Исследования Павлова в области физиологии сердечно-сосудистой и пищеварительной систем и высших отделов центральной нервной системы являются классическими. В 1887 году вышли в свет его «Лекции о работе главных пищеварительных желез», явившееся обобщением научных исследований в области пищеварения – практически заново созданного им раздела физиологии. Несмотря на языковой барьер, работы И.П.Павлова и его сотрудников по Институту экспериментальной медицины стали известны во всем мире. В Каролинском институте (Швеция), который с 1901 года получил право присуждения Нобелевских премий по физиологии и медицине, имя И.П.Павлова часто называлось в списках кандидатов в лауреаты. Однако вызывало вопрос одно обстоятельство: сам И.П.Павлов редко фигурировал в качестве соавтора в работах своих сотрудников, и Каролинский институт направил в Петербург своего представителя профессора Карла Тигерштеда для того, чтобы выяснить, кто же возглавляет столь плодотворную научную деятельность этого коллектива. В результате в 1904 году И.П.Павлов был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине «в знак признания его работ по физиологии пищеварения, которые позволили изменить и расширить наши знания в этой области».
Исходя из тезиса «для естествоиспытателя – все в методе», И.П.Павлов ввел в практику физиологических исследований метод хронического эксперимента, благодаря которому стало возможным изучение целостного, практически здорового животного.
Опыты на «хронически оперированных» животных проводились физиологами и до Павлова. Однако они не были полноценными либо по замыслу, либо по методике выполнения. Так, метод изолированного «малого желудочка», предложенный Р.Гейденгайном лишал изолированный участок иннервации. Метод хронического эксперимента, разработанный И.П.Павловым, позволил ему экспериментально обосновать принцип нервизма – идею о решающей роли нервной системы в регуляции функционального состояния и деятельности всех органов и систем организма.
Методологической основой его концепции явились три основных принципа: единство структуры и функции, детерминизм, анализ и синтез. Изучая поведение животных, И.П.Павлов выявил рефлексы нового типа, которые формируются и закрепляются при определенных условиях окружающей среды. Павлов назвал их условными, в отличие от уже известных прирожденных рефлексов, которые имеются от рождения у всех животных данного вида (из Павлов назвал безусловными). Было показано также, что условные рефлексы вырабатываются в коре больших полушарий головного мозга, что сделало возможным экспериментальное изучение деятельности коры больших полушарий в норме и патологии. Результатом этих исследований явилось создание учения о высшей нервной деятельности – одного из величайших достижений естествознания XX века. Выяснение закономерностей высшей нервной деятельности животных позволило вплотную подойти к раскрытию законов деятельности головного мозга человека. Результатом этого явилось учение о двух сигнальных системах, из которых вторая, присущая только человеку, связана с речью и абстрактным мышлением.
Наряду с достижениями на пути синтетического изучения жизненных явлений дальнейших крупных успехов достигло в настоящее время аналитическое исследование физиологических процессов. Не только органы и ткани, но и отдельные клетки и даже структурные элементы клетки (ядра, митохондрии, одиночные нервные волокна) стали объектами физиологического и биохимического исследования. Развилась особая область науки, которую называют микрофизиологией, занимающаяся изучением, с одной стороны, микрообъектов, а с другой — процессов, протекающих в микроинтервалы времени (в промежутки, равные или меньшие тысячных долей секунды) и выражающихся в количественно очень малых изменениях. Возможность измерения чрезвычайно малых по величине и коротких по продолжительности процессов в организме и его структурных элементах явилась результатом использования в физиологии и биологической химии достижений физики и электроники, физической, неорганической и органической химии.
В XX веке были подвергнуты детальному исследованию процессы межуточного обмена, т. е. процессы последовательных превращений различных химических соединений в клетках, тканях и органах. От изучения химической статики исследователи перешли к выяснению химической динамики. В этом отношении очень большую помощь физиологии и биохимии оказала методика меченых атомов, т. е. введение в организм веществ, содержащих радиоактивные или тяжелые изотопы. Наличие в каком-либо соединении изотопа является как бы «меткой», позволяющей проследить за судьбой, т. е. за химическими превращениями, данного соединения в организме. Большое .применение получили методики микрохимического анализа для обнаружения следов некоторых веществ в тканях и их экстрактах. В этом отношении заслуживают упоминания методики электрофореза и хроматографии.
На основе изучения химической динамики в организме удалось установить связь различных химических процессов с функциональными изменениями, с физиологической деятельностью и зарвдилось направление, которое называют химической физиологией, или функциональной биохимией . Крупным достижением в этой области является выяснение химической динамики мышечного сокращения и установление источников энергии, используемой при работе мышц (Мейергоф, Я. О. Парнас, Лундсгаард). Оказалось, что отщепление молекулы фосфорной кислоты от некоторых органических соединений, содержащих ее остаток (адено-зинтрифосфат, креатинфосфат), сопровождается освобождением больших количеств энергии, используемой при работе мышц. Физиологи и биохимики выяснили природу мышечного сокращения: показано (В. А. Энгельгардт и М. Н. Любимова, Сцент-Дьордьи и др.), что при взаимодействии сократительных белков мышцы — миозина и актина — с аденозинтрифосфорной кислотой освобождается механическая энергия, т. е. выполняется внешняя работа.
Развитие исследований в области химической физиологии привело к созданию в XX веке новых дисциплин: эндокринологии, учения о витаминах и учения о медиаторах.
Эндокринология изучает физиологию, биохимию и патологию желез внутренней секреции — эндокринных желез, которые образуют и выделяют в кровь гормоны — химические соединения, обладающие высокой физиологической активностью, т. е. способностью в малых количествах резко изменять состояние и деятельность многих органов тела. Впервые обратили внимание на функции желез внутренней секреции врачи-клиницисты, связавшие происхождение некоторых заболеваний с патологией эндокринных желез. Лишь много позднее, в конце XIX столетия, физиологи Броун-Секар, Глей, Шарпей-Шефер, а затем в XX веке и другие исследователи доказали, что железы внутренней секреции — половые, надпочечные, поджелудочная, щитовидная, околощитовидные, гипофиз — образуют высокоактивные вещества. Детальное экспериментальное изучение функций эндокринных желез является достижением XX столетия. В этой области науки достигнуты крупные успехи: выяснен химический состав и механизм действия многих гормонов; ряд их получен путем химического синтеза в лабораториях; установлено, что некоторые заболевания являются результатом недостаточной, а другие, наоборот, избыточной продукции гормонов теми или иными железами внутренней секреции; разработаны на основе физиологических данных эффективные методы лечения многих заболеваний эндокринных желез.
Учение о витаминах — витаминология — посвящено, исследованию специальной группы веществ пищи, не относящихся к белкам, жирам, углеводам или минеральным солям, не являющихся источниками энергии для организма, но вместе с тем необходимых для регуляции процессов обмена веществ и роста. Витамины были открыты в 1880 г. Н. И. Луниным, однако всестороннее их исследование началось лишь с 1910—1912 гг. Термин «витамины» предложил польский ученый К. Функ. Новая область привлекла к себе внимание физиологов, биохимиков, химиков-синтетиков, патологов и представителей различных клинических специальностей. В настоящее время известно около 30 витаминов; определены химическая структура и механизм действия многих из них; разработаны способы очистки и химического синтеза большинства витаминов. Выяснено, что они необходимы для нормального течения процессов обмена веществ и что из некоторых витаминов образуются активные группы ферментов; установлена суточная потребность в витаминах людей разного возраста и профессий. Достигнуты исключительные успехи в распознавании, лечении и предупреждении заболеваний, наступающих при отсутствии или недостаточном содержании витаминов в пище.
Учение о медиаторах посвящено изучению физиологической роли некоторых химических соединений, образующихся в нервных окончаниях. Медиаторы — химические передатчики нервного импульса с нервного окончания на клетки периферических органов или на нервные клетки. Открытие медиаторов было сделано в 1920 г. Леви в опытах с раздражением нервов изолированного сердца лягушки. Это открытие получило подтверждение и развитие в исследованиях очень многих ученых (А. Ф. Самойлов, А. В. Кибяков и др. в СССР, Кеннон, Нахмансон в США, Дейл, Фельдберг в Англии, Бакк в Бельгии, Минц во Франции). В настоящее время установлено, что образование физиологически активных веществ происходит при возбуждении и торможении всех отделов центральной и периферической нервной системы. Показано, что медиаторами являются ацетилхолин и адреналин и его производное норадреналин, а также некоторые другие вещества; изучен механизм их действия. Исследования медиаторов дали практически важные результаты для клиники. Оказалось, что при ряде заболеваний нервной системы и при некоторых отравлениях нарушаются образование, действие или распад медиаторов. На этом основании рекомендованы и введены в практику новые методы лечения таких заболеваний и отравлений.
Благодаря достижениям эндокринологии, витаминологии и учения о медиаторах раскрылась чрезвычайно важная роль некоторых химических соединений в регуляции жизнедеятельности организма. Химические факторы участвуют в объединении, согласовании и регуляции функции. Воздействие на функции организма веществ, образующихся в одних клетках и тканях и приносимых к другим клеткам и тканям с кровью и тканевой жидкостью, обозначают понятием гуморальной регуляции (от лат. humor — жидкость). Неправильно, однако, считать, что гуморальная регуляция составляет особую, независимую от нервной системы, регуляторную систему. Образование и действие гуморальных, химических факторов в организме регулируется нервной системой. Гуморальный механизм регуляции подчинен нервному механизму, представляющему собой высшую форму объединения, взаимодействия и регуляции функций в целостном организме. Образование и действие гуморальных факторов регуляции составляет одно из звеньев в единой цепи нейро-гуморальной регуляции функций, учение о которой разрабатывалось при активнейшем участии советских исследователей Л. А. Орбели, К. М. Быкова, Л. С. Штерн и др. Значительными достижениями обогатило физиологию также физическое направление исследований. В первую очередь необходимо отметить успехи электрофизиологии, в большей степени обязанные использованию электроники и радиотехники. Применение в начале XX века струнного гальванометра (Эйнтховен, А. Ф. Самойлов), а затем электронных усилителей электрического тока или напряжения и осциллографов (Гассер, Эдриан) дало возможность провести детальный аналиа электрических явлений, протекающих в центральной и периферической нервной системе, сердце и мышцах.
Значение этих исследований состоит в том, что электрические изменения, так называемые токи, или потенциалы, действия, являются обязательными спутниками процесса. возбуждения. Электрофизиологические исследования нашли большое практическое применение в медицине. Так, регистрация электрических проявлений сердечной деятельности — электрокардиография — оказалась тонким диагностическим приемом, обнаруживающим нарушения сердечной деятельности при заболеваниях сердца. Изучение электрических проявлений деятельности головного мозга — электроэнцефалография — важно для диагностики-некоторых заболеваний головного мозга, в частности для установления локализации опухолей.
В XX веке физиологи стали использовать теории и методы физической химии, начавшей развиваться в конце XIX столетия. Первыми попытками применения законов физической химии для решения физиологических проблем были работы В. Ю. Чаговца (1896—1903), затем американского биолога Леба, немецких ученых — физиолога Бернштейна и физико-химика Нернста, а также русского физика и физиолога П. П. Лазарева. В. Ю. Чаговец применил теорию электролитической диссоциации Аррениуса для выяснения природы электрических явлений в живых тканях и пришел к заключению, что биоэлектрические потенциалы возникают в результате разницы концентрации электролитов в ткани. В дельнейшем В. Ю. Чаговец развил представление, что основу раздражения нерва составляет изменение концентрации ионов в раздражаемом участке. Бернштейном была развита мембранная теория биоэлектрических явлений. От этих работ ведет начало современная теория-о природе нервного процесса и электрических проявлений возбуждения (Ходжкин, Хаксли и др.), являющаяся крупнейшим достижением физиологии нашего времени.