稳态及其调节

稳态及其调节

提要本文介绍了对高等动物内环境稳态及其调节机制方面的基本认识及进展，提出了神经系统、内分泌系统和免疫系统所形成的调节网络是维持稳态的主要机制。

稳态是生理学发展史上早已提出的一个经典概念。随着生理学及其

它学科的发展，这个概念的地位得到巩固和扩展，其内涵也不断充实。现在，稳态不仅是人体及动物生理学科的基本概念之一，也已成为生命科学的现代概念之一。人类研究生命现象的主要目的是揭示生命的奥秘，进而为认识自然(包括人类自身)、改造自然服务。稳态是生命体存在的前提条件，揭示稳态的机制也就成了生命科学研究的一个重要内容。高等生物具有维持稳态的机制是生物长期进化的结果，现代科学的发展将从不同的角度与不同的水平对其作出解释。因此，稳态又是一个尚待进一步阐释的现代概念。

1稳态概念的提出与现代发展

1.1内环境及内环境恒定概念的提出经典稳态概念的形成分别得益于两位著名生理学家的杰出工作。第一位是法国著名的实验生理学家伯尔纳(C. Bernard);第二位是美国著名生理学家坎农(W. B. Cannon)。伯尔纳对生理学的研究非常广泛，几乎涉及生理学的每个部分，对生理学的贡献极多，意义最大的是于1857年提出的内环境及内环境恒定概念。他认为，多细胞生物每一细胞的外液是机体所有细胞生活的直接环境，其整体即构成了机体的内部环境。内环境不仅为机体所有细胞的营养供应与代谢物的排出提供了中介介质，更重要的是为各种细胞的生存与活动提供了一个较为稳定的理化环境，使得机体外部生活环境的变化难以直接影响各种细胞的生理活动。在提出内环境概念之后，伯尔纳进一步发现内环境具有自我保持稳定的特性。这一发现主要依据其对肝脏活动与血糖浓度间存在互动关系的研究结果。即,肝脏能通过释放或储存葡萄糖来维持血糖浓度的恒定。伯尔纳认为，“内环境恒定是机体自由和独立生存的首要条件”。机体内的生理过程与生理机制种类繁多且功能各异，均是机体所不可缺少的，但它们都围绕着一个共同的目标而活动，即维持内环境的稳定。机体的各个系统、器官和组织，乃至各个细胞都在进行各自相对独立而又相互关联的生理活动。一方面，它们均通过以内环境为媒介来获得活动所需的各种营养物质和调节信息，并同时经由内环境来输出活动信息和排除代谢产物；另一方面，它们的各种活动都体现出保持内环境恒定的特点。因为，维持内环境恒定是各个细胞赖以生存及正常活动的前提条件，也是机体能成为统一整体的条件。由此可见，伯尔纳当时虽只是根据内环境中血糖这种化学物质浓度的稳定现象而提出内环境恒定的概

念，但后来不断证明这种恒定特性具有普遍意义，认识到组成内环

境的各种化学成分及其理化特性均具有保持恒定的特征。

1.2内环境稳态概念的提出在伯尔纳提出内环境恒定概念之后约50年，美国一位从事内环境研究的生理学家坎农发展并完善了这个概念。坎农认为内环境并不是处于一种静止的、固定不变的状态，而是处于一种可变、可动的稳定状态，并用稳态（homeostasis这一术语予以概括。坎农主要从事交感神经与肾上腺系统功能的研究工作，这是一个动态的、具有相对稳定性活动的调节系统。交感神经兴奋促使肾上腺髓质激素的分泌，而激素分泌水平的信息又反馈作用于神经系统。其结果是，交感神经与肾上腺间构成双向性联系，使得这个系统的输出结果一一激素的浓度维持着动态的稳定。坎农受到这种生理现象的启发，提出内环境的动态稳定，即稳态，就是由机体各部分生理调节机制对所有生理过程进行精密调节而使之达到协调一致，最终保持内环境的动态稳定。他进一步认为，内环境的任何微小的变化都会触发机体调节机制的活动，从而得以消除

或减少内环境上发生的这些变化。因此，稳态的实质是指不断变化的内环境，在机体的代偿性调节反应作用下所维持着的相对稳定状态。在这种状态下，内环境的组成要素或特性，并非像伯尔纳所认为的那样是固定不变的，而是不断产生着一些波动，但这种波动始终是限定在一定范围内，似潮涨潮落般周而复始，使内环境成为一潭“活水”。

1.3稳态的现代概念上述经典的稳态概念源自内环境的研究，专指内环境的相对稳定状态。随着生命科学的发展，人们发现许多生命活动都有类似于内环境所具相对稳定的特性。有人提出，稳态概念是适用于生命科学的一大基本概念，它描述了普遍存在于生命活动过程中的一个共同规律。现在生命科学正在从分子、细胞、器官等各个层次上阐述生命现象的机理，不断证实生命活动中普遍存在着动态稳定，即稳态现象。在分子水平上，如基因表达的稳态调节、酶活性的稳态调节；在器官水平上，如心脏活动的稳态调节（血压、心率）、消化液分泌的稳态调节；在宏观水平上，如种群数量或结构的稳态调节等。稳态概念亦被生命科学以外的其它学科所延用，如人的心理活动过程中也存在相对稳定的调节问题（情绪的稳态及调节）。心理平衡调适能力的训练，即是培养维持心理稳态的能力。

由此看来，稳态概念本源自生理学，最初用以描述生理学中内环境相对稳定状态这一特性，现在它仍是生理学的一个重要概念。但从这个概念的形成、含义等方面分析，稳态应是适用于生命科学乃至其它相关学科的一个现代概念，用于描述处于相对稳定状态的现象和机制。

2稳态的维持机制

2.1经典的观点伴随稳态现象的提出，生理学家就开始寻求其维持机制。随着生理学的发展，人们对这种机制的认识也不断深入。最初，伯尔纳曾推测内环境恒定的机制主要依赖于神经系统的活动。随后，坎农从其研究的领域出发，特别重视交感神经与肾上腺系统这种神经一体液机制在稳态维持中的

作用，由此形成了对稳态维持机制的经典解释。即在机体调节机制，特别是神经调节和以内分泌系统为主的体液调节的共同协调作用下，通过机体各个器官系统的统一活动而达到的。这种笼统且不完善的解释一直被人们所采

用。

控制论观点为解释稳态机制提供了一些重要的概念和思想。现在，一般生理学教材中对机制的介绍大多引用控制论或工程学中自动控制系统的概念与原理，认为维持稳态机制的主要组件可分为探测器（感受器）、控制中心（神经中枢或内分泌调节中枢）、受控部分倣应器或内分泌器官）等三部分。

并认为，控制中枢与受控部分之间的双向联系（反馈联系），以及受控部分对控制中心的反馈调节作用（特别是负反馈调节），是稳态得以维持的最为重要的机制。恒温水浴的自动调节原理也被用来解释机体生理活动的稳态机制，这显然

具有直观且易于理解的优点，但应特别强调生物生理系统是远非机械的自动控制系统所能比拟的，不看到两者的本质区别，极易得出科学上错误的结

论，对此应有清醒的认识。

2.2神经免疫内分泌调节网络观点近几十年来生物科学飞速发展，现已可从分子水平上用综合的系统观与信息观，更详细地解释稳态现象的机制。现已证实，机体的调节系统主要有三个，即神经系统、内分泌系统和免疫系统。前两个系统是经典的调节系统，其作用一直受到重视。它们通过各自分布在机体各个地方，位置相对固定的感受器细胞，感受内外环境变化的刺激，再以神经反射或体液途径的方式来发挥调节作用。神经调节回路上传送的信息是电形式的神经冲动；内分泌调节通过释放激素这类化学物质经体液途径传递化学调节信息。这两个系统在结构和功能上密切联系，互相协调。免疫系统一直被认为是机体的防御系统，通过免疫活性细胞、免疫活性分子起作用。研究不断发现，免疫系统在机体功能的调节中起重要作用，有人称之为“游动的脑”。它能通过游走的免疫细胞感受神经系统和内分泌系统不能感知的其它类型刺激（如异物

或外来抗原物质之类的刺激），并通过释放细胞因子（CK）或形成致敏淋巴细胞，消除这些引起内环境波动的因素。

现代生命科学研究热点之一就是神经免疫内分泌学。研究认为，神经系统、内分泌系统和免疫系统之间的关系非常密切，三者间具有共同的语言一一信息分子共享。机体稳态调节机制中传递信息的分子除了体液因子外，许多新的生物活性分子不断被发现，众多的多肽激素是参与机体稳态调节的信息分子。这三个系统各自以自身特有的方式发挥着调节作用，三者间形成了一个稳固的“调节三角”。它们两两间形成了双向往返联系，使这三个系统的作用相互协调、共同一致，以维持机体的完整统一。现已证明，神经内分泌系统通过释放多类激素或神经递质作用于免疫系统，调节免疫系统的功能；而免疫系统则通

过释放多种细胞因子等生物活性分子作用于神经内分泌系统，从而使机体的调节系统间形成完整的调节网络，使机体的稳态（包括内环境的稳态）得以保持