ОРГАНИЗМЕННЫЕ БАРЬЕРЫ

Барьерные функции животного организма – функции, осуществляемые особыми физиологическими механизмами.– барьерами, способствующими защите организма или отдельных его частей от изменений окружающей среды, а также одновременно регулирующими необходимый для их жизнедеятельности обмен с внешней средой.

Одним из основных этапов развития жизни на земле является образование клеточных мембран (оболочек) вокруг первичного органического вещества. Возникшие клеточные мембраны обладали избирательной проницаемостью для веществ из окружающей среды, а также служили механическим и химическим барьером от внешней среды. Это двуединое свойство живых клеточных мембран получило название «полупроницаемость».

Обе эти функции в равной мере важны для клетки. Каждая из них по-своему обеспечивала деятельность живой клетки. Избирательная проницаемость клеточных мембран регулировала и осуществляла обмен веществ, а барьерная функция защищала клетку от нежелательного воздействия окружающей среды. Обе эти функции носили избирательный характер. В процессе развития и дифференциации клеток функция мембран также менялась путем усиления одних и ослабления других. При этом основная суть их не менялась.

По мере развития многоклеточных организмов барьерные функции усиливались у периферических клеток. Они принимали на себя защиту внутренних клеточных структур. Такая стратегия развития живых организмов привела к тому, что у высокоорганизованных существ на месте одного внешнего слоя клеток появился целый специализированный орган – кожа.

Кожа состоит из двух основных слоев. Поверхностный слой носит название эпидермис. Под ним находится соединительно-тканный слой – дерма. Под дермой находится дополнительный слой – гиподерма, в определенных местах превращающаяся в подкожную жировую клетчатку. На поверхности кожи располагаются многочисленные бороздки и выступы, образующие сложный рисунок на коже пальцев ладони и подошвы. У приматов и у человека они имеют оригинальный характер и неповторимы. В коже человека имеется ряд так называемых придатков: потовые и сальные железы, волосы, ногти.

У человека кожа является первым и основным барьером, обеспечивающим защиту организма от неблагоприятного воздействия внешней среды. Барьерной функцией кожи являются: а) механическая защита, б) химическая защита, в) инфекционная защита, г) лучевая защита (в том числе и тепловая). Чаще всего внешнее воздействие бывает комбинированным или комплексным, что и объясняет многофункциональный характер барьерной защиты кожи. У теплокровных живых существ защитные барьеры приобрели регуляторные функции.

Таким образом, кожа человека стала высокоорганизованным механизмом поддержания гомеостаза организма в целом. Регуляторные функции предопределяют изменчивость морфологических свойств кожи. Избыточное механическое воздействие на кожу вызывает разрастание многослойного поверхностного эпителия вплоть до образования мозолей или ороговения кожи. Живой организм за каждое новое приобретение вынужден, к сожалению, платить тем, что каждая функция может вовлекаться в патологический процесс.

Ороговение многослойного эпителия кожи является одним из самых ярко выраженных симптомов псориаза. Сказанное является примером того, что в высокоорганизованных живых системах, коей является и человек, любое понятие является условным, отражая лишь часть описанного свойства. Однако барьерная функция кожи в ряду других качеств является главной.

Кожа человека способна противостоять и более глубоким механическим воздействиям, но в этом случае восстановление ее анатомической целостности происходит с дефектом. На(месте раны образуется рубец, который может осложнять, например, движения, препятствуя работе суставов или других частей тела. Без видимых последствий остаются только такие повреждения кожи человека, которые затрагивают лишь верхние слои плоского эпителия. В животном же мире существуют мощные механические устройства, такие как чешуя или панцирь, способные противостоять значительно более сильным воздействиям.

Сухая кожа человека обладает большой устойчивостью к химическим воздействиям щелочей и кислот. Эта устойчивость кожи определяется в основном состоянием эпидермиса, его внешних слоев, а степень ее повреждения во многом зависит от плотности находящихся в коже потовых и жировых желез. Через указанные органеллы кожи химические вещества легко проникают в глубь кожных покровов, создавая глубокие и обширные очаги поражения. На механизмах химического воздействия на ткани построено и поражение боевыми отравляющими веществами кожно-нарывного действия. Химические реакции имеют некоторый латентный период перед началом анатомических и клинических проявлений поражающего эффекта. Это время может быть использовано для удаления или нейтрализации воздействующего агента. Условно этим интервалом времени может быть измерена барьерная функция химической защиты кожи, однако заранее получить индивидуальные значения невозможно.

Кожные покровы выполняют еще одну немаловажную функцию защиты организма: предотвращают проникновение во внутреннюю среду живых антигенов (микробов, простейших, грибков и других микроорганизмов), а также осуществляют защиту от поступления неживых антигенов растительного и животного происхождения, токсинов, ксенобиотиков и других химических соединений. Для борьбы с инфекцией и неживыми антигенами предназначены специфические механизмы. В жировом слое содержится некоторое количество химических соединений, обладающих бактерицидными свойствами. Они поступают на поверхность кожи, поэтому в течение некоторого времени (от нескольких минут до нескольких часов, в зависимости от вида инфекционного агента) происходит гибель микробиологических организмов.

Большинство бактерицидных веществ являют собой неспецифическую (общую) защиту. Они в равной степени «нетерпимы» к любому микробиологическому организму. К этим веществам бактерицидной защиты относятся лизоцим, интерферон, лактоферрин, естественные глобулины и некоторые другие малоизученные химические соединения органической природы. Особое место в защите организма отводится системе комплемента, обладающей кроме непосредственного воздействия на микробы, способностью участвовать в ряде иммунологических реакций.

Особенно важно, что уже на внешних границах организма стоит большая «армия» клеточных элементов, обладающих свойствами распознавать «чужое», вступать с ним во взаимодействие, вызывать гибель микроорганизма, удалять чужеродного агента из организма, а также давать информацию другим иммунокомпетентным клеткам, чтобы последние могли подготовиться к эшелонированной защите.

К этим клеткам в первую очередь необходимо отнести местных макрофагов, полиморфно-ядерные лейкоциты, естественных киллеров и другие иммунокомпетентные клетки. Макрофаги-резиденты вместе с бактерицидными белками кожи формируют первичный барьер, защищающий организм от суперинфекции или вредных макромолекулярных комплексов. Эти клетки всегда находятся в коже и первыми встречают чужеродных агентов, фагоцитируют (поедают) их и элиминируют (выбрасывают), а антигенную информацию передают по цепи иммунных реакций организма. Активно помогают защите организма циркулирующие в крови макрофаги и нейтрофилы, которые быстро подключаются к уничтожению чужеродных субстанций. В защите «рубежей» человеческого организма активное участие принимают лимфоидные клетки, расположенные между эпителиоцитами кожи.

В коже находится ассоциированная с данными структурами лимфоидная ткань. Она представлена различными лимфоидными образованиями и различного вида лимфоидными клетками. Кожные покровы и входящие в эту систему слизистые оболочки вместе с описанными клеточными структурами представляют собой подсистемы общего комплекса защиты организма, получивший название иммунобиологический надзор.

Основная роль иммунобиологического надзора состоит в распознавании «своего» и «чужого», в препятствовании проникновения в организм инородных тел. Используются для этого физические барьеры и естественные факторы уничтожения микроорганизмов. При этом осуществляется презентация в иммунную систему и ее инициация к защите организма как на региональном, так и организменном уровнях. Иммунологический надзор не только препятствует поступлению извне чужеродных агентов, но и следит за возникновением мутаций собственных клеток организма и за их дальнейшим развитием.

Таким образом, главный смысл иммунобиологического надзора сводится к защите организма от микроорганизмов, экзогенных веществ, несущих признаки антигенности, и соматических мутаций.

Продолжением кожного барьера, но уходящим внутрь организма являются слизистые оболочки желудочно-кишечного тракта, верхних дыхательных путей и мочеполовой системы. Их функции строго дифференцированы не только в сопоставлении друг с другом, но и по протяженности каждой из них. Единым для всех остается только иммунобиологический барьер, ибо в нем не может быть каких-либо разрывов, через которые могут проникнуть внутрь чужеродные биологические объекты. Функционирует он так же, как в коже. Детальные различия не имеют принципиального значения.

Лучевая защита человеческого организма имеет особое значение в связи с составом солнечного излучения, падающего на землю. Оно включает в себя 3 основных компонента, влияющих на живые организмы: инфракрасное излучение, световая составляющая и ультрафиолетовый диапазон. Инфракрасная, или тепловая составляющая, определяет жизненный цикл хладнокровных животных, диктуя им, по сути, условия существования. Теплокровные выработали для себя систему защиты как от избыточного излучения, так и от его дефицита. При этом немаловажную роль в регуляции поступления или оттока тепла имеет сосудистая сеть. Хорошо известна такая реакция организма, как покраснение или бледность кожных покровов, вызываемая тепловым излучением. Недостаточная эффективность тепловой защиты при перегреве ведет к возникновению так называемого «теплового удара», способного привести человека к смерти. Воздействие минусовых температур, в свою очередь, в его крайней степени может привести к смерти от холода. Диапазон регуляторных возможностей человека хорошо согласуется с колебаниями температур в течение года в центральных районах Африки, которая, по мнению современных ученых, является прародиной человека. Освоение высоких широт привело к использованию одежды для защиты от теплового воздействия.

Диапазон светового излучения в «чистом» виде может быть опасен только для зрения человека, а цветовая составляющая имеет связь с психологическим статусом человека, влияя в основном на его настроение. Кожные покровы обладают небольшой чувствительностью к цветовому потоку и практически на него не реагируют.

Третий диапазон излучения, начиная с ультрафиолетового, по мере увеличения частоты способен вызвать существенные изменения в организме человека. Кожа приобрела защиту от ультрафиолета за счет специализированных пигментных клеток, так называемых меланоцитов, расположенных непосредственно под эпидермисом. Опасность ультрафиолетового излучения состоит в его способности вызывать мутацию соматических клеток. Меланоциты призваны задерживать эти потоки излучения путем увеличения количества пигмента. Наши африканские прародители, ходившие постоянно без одежды, приобрели благодаря скоплению большого количества пигмента черную окраску кожных покровов. В свою очередь человеческие расы, переместившиеся в северные и южные широты, благодаря одежде и некоторому уменьшению светового потока посветлели. Более высокие по частоте излучения (рентгеновское и гамма-излучение), хотя и вызывают усиление пигментации, практически кожей не задерживаются.

Сопряженные с кожей слизистые оболочки желудочно-кишечного тракта, верхних дыхательных путей и мочеполовой системы несут такие же защитные функции потому, что тоже имеют непосредственный контакт с внешней средой. Однако механизмы защиты существенно меняются. Механическая защита в желудочно-кишечном тракте осуществляется не только пассивным сопротивлением, но и путем ферментативного расщепления поступающего внутрь твердого тела. Расщеплению доступны вещества органической природы. Твердые предметы неорганической природы легко могут повредить верхние отделы желудочно-кишечного тракта, главным образом пищевод. Желудок довольно легко «переносит» попавшие в него металлические предметы. Из хирургической практики известны случаи, когда из желудка извлекалось до двух десятков столовых приборов, проглоченных чаще всего психическими больными. Последствий их пребывания в желудке, как правило, не наблюдается. Кишечный отдел обладает особой пластичностью, он мягко обхватывает твердые предметы и перистальтическими сокращениями постепенно перемещает их к выходу. Даже такие острые предметы, как бритвенные лезвия, не вызывают повреждения слизистой кишечника. Только в выходном отделе могут произойти повреждения из-за «грубой» функции наружного жома.

Химический барьер слизистых оболочек не обладает высокой надежностью, и по сравнению с кожей они легко повреждаются. В клинической практике хорошо известны химические ожоги пищевода и верхних дыхательных путей.

Верхние дыхательные пути обладают хорошими свойствами защиты от холода. Специальные исследования показали, что дыхание при температуре -50 °C в течение нескольких часов не вызывает заметного снижения температуры тканей легких. Конечно, определенную роль в притоке тепла из внутренних сред организма играют кровеносные сосуды. Это их совместная защитная функция. Основная функция легких состоит в обеспечении обмена газами между внешней средой и организмом. Для азота и инертных газов действуют известные законы физики, т. е. перемещение этих газов напрямую зависит от величины давления по обе стороны мембраны клеток. Для кислорода и углекислого газа, а также для угарного газа (СО) природа сделала исключение, добавив еще избирательное сродство гемоглобина с указанными газами. Этот механизм повышенного сродства гемоглобина и кислорода в некоторой мере защищает человека от кислородного голодания при подъеме в горы. Некоторые выдающиеся альпинисты сумели подняться на высочайшую гору земли Эверест (высота около 9 км) без кислородных масок, хотя для отдельных здоровых людей высота в 3 км может оказаться непреодолимой.

Защитным барьером человека является и слизистая оболочка мочеиспускательных путей. Имея прямой или опосредованный контакт с окружающей средой, слизистая препятствует проникновению во внутренние среды человека так называемой восходящей инфекции. Хотя мочу нельзя считать стерильным продуктом выделения человека, слизистая оболочка мочеиспускательных путей обладает практически всеми защитными средствами противомикробной борьбы, и у здорового человека вполне справляется с этой задачей.

Половые органы у взрослого человека подвергаются механическим и инфекционным «атакам». Слизистые оболочки хорошо противостоят естественным механическим воздействиям, но имеют известный предел этой устойчивости, который определяется в основном степенью эластической упругости всей стенки половых органов. В период активной половой и детородной жизни женщины половые пути претерпевают широкий диапазон изменений, оставаясь в нормальных условиях жизни вполне дееспособной формой защиты от физических воздействий. Защита от микробного проникновения в организм происходит с помощью механизмов, описанных ранее.

Барьерную функцию у кожных покровов и слизистых оболочек принимают на себя кровеносные сосуды. Поступающие в кровь из внешней среды вещества разносятся по всему организму, но каждый орган человеческого тела избирательно поглощает необходимые компоненты и отвергает ненужные. Эта нормальная жизнедеятельность внутренних органов обеспечиваются гистогематическимы барьерами, которые ограждают отдельные органы от непосредственного воздействия чуждых или вредных для них веществ и содействуют их нормальной жизнедеятельности. Эти барьеры, регулирующие отношения между кровью, с одной стороны, и тканевой жидкостью и омываемыми этой жидкостью клеточными элементами – с другой, находятся на грани между этими двумя средами; отсюда и название «гистогематические барьеры».

Морфологическим субстратом этих барьеров являются в основном стенки кровеносных капилляров, их эндотелиальный покров, структура которого различна в разных органах. Таким образом, переход веществ из крови в непосредственную питательную среду органов количественно и качественно регулируется гистогематическими барьерами. Отсюда становится понятным, что всякое нарушение гистогематических барьеров ведет к болезни отдельных органов или организма в целом.

Последним барьером на пути проникновения вредоносного агента в основной материальный субстрат живого организма у многоклеточных существ является непосредственно клеточная оболочка. Врожденная или приобретенная патология клеточной мембраны – еще один из механизмов болезненного процесса.

Таким образом, у человека (и у животных) существует три анатомических защитных барьера: кожный барьер совместно со слизистыми оболочками, гистогематический барьер и последний на пути к клетке – клеточная мембрана.

К функциональному барьеру, осуществляющему защиту всего живого организма в целом, начиная с внешних покровов и заканчивая клеткой, следует отнести иммунобиологическую систему, ведущую постоянную борьбу с проникающими в организм инородными биологическими объектами.