S~第01章_绪论.doc
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第01章_绪论
Introduction to Physiology
生理学研究的主题-稳态
Homeostasis-the Theme of Physiology
Physiology一词来源于希腊语(physio＝nature，-logy＝study of)，其原意是指对自然界的生物体和非生物体进行系统的探索和研究。生理学是生物科学的一个分支，本教材为人体生理学(human physiology),观察物件为生物机体(livingorganisms)和人体，研究人体各种生命现象和生命过程(Phenomena of life & life process)发生的机制、条件，探索各器官系统是如何相互协调，维持一个生命活动所必需的前提-稳态(homeostasis)。19世纪法国生理学家Claude Bernard于1865年首次把浸浴细胞的细胞外液(extracellullar fluid，ECF)称之为内环境(internal environment)，内环境的各种理化成分(如温度、PH值、渗透压、Na+、K+、Ca2+、Cl-、O2分压、CO2分压以及葡萄糖浓度等)保持相对稳定。在此基础上美国生理学家Cannon(1871-1945)于1929年提出稳态的新概念。通过各种生理机制的相互协调，维持内环境各种理化成分的相对稳定称为稳态。
人体生活在充满空气的外环境，每个细胞已不直接和外环境进行物质交换，而是从ECF中获取O2和营养物质，而把CO2和代谢废物首先排入ECF，通过ECF这一内环境从肺获得O2并排出CO2，从消化道获取水、各种营养物质和矿物质，把代谢废物通过肾脏排出体外。(图1-1)
一、生理学研究的三个水准(Functions at Three Levels)
生理学研究生命活动，例如心脏搏动和血液回圈、呼吸运动、消化吸收和泌尿等等。要研究循环系统的功能，必须从以下三个水准去观察分析。
(一)细胞分子水准(Cellular and Molecular Level)
这一水准的研究要回答生命活动发生的分子生物学机制，而机制(mechanism)一词有必要在此作一解释。从生理学的观点来看，所有的生命现象(biological phenomena)最终要用物理学和化学的原理加以解释，而解释生命现象的理化原理称为机制。例如心脏有规律的搏动，是因为特殊传导系统中窦房结的起博细胞4期自动去极化，其离子机制是外向电流Ik在复极达最大复极电位时开始关闭，Ik进行性衰减是4期自动去极化的第一部分。当4期去极化达-50mv时，启动T-型Ca2+离子通道，内向电流Ica-T是4期自动去极化的后一部分。窦房结每分钟自动去极化的频率高达100次/min，成为心脏的起博点(pacemaker)，是正常的心脏节律，称为"窦性心律"。这一水准研究所积累资料称为细胞生理学(cell physiology)或普通生理学(general physiology)。
(二)器官、系统水准(Organ or System Level)
这一水准的研究着重阐明器官和系统是如何进行正常活动。例如在一个心动周期内心脏各部分如何配合完成射血机能，由于窦房结4期自动去极化，兴奋波通过特殊传导系统，依次兴奋心房、心室，引起有次序的房、室舒缩活动，加上瓣膜开闭的配合，引起血液在房室和动脉之间的定向流动，完成向动脉射血，从静脉接受血液充盈，在一个心动周期中产生压力、容积的规律性变化。这一水准研究所获得的资料称为器官生理学(organ physiology)，如心血管生理学(cardiovascular physiology)、胃肠生理学(gastrointestinal physiology)。
(三)整体水准(Organismal Level)
整体水准强调各器官、系统之间的相互影响和配合。在某一特定情况下，例如剧烈运动，在神经、内分泌系统的调节下，心跳加快加强，心输出量增加，而血管系统中的血流量发生重新分配，骨胳肌血流量增多，消化、内分泌系统机能相对减少，尿量减少。呼吸系统活动增强，呼吸加深加快以满足氧耗量的增加和加快对CO2的清除。
二、生理学研究的方法(Methods Used for Physiology)
生理学研究生物体生命活动的规律，是一门实验性的科学。若要从事实验性的研究，正确的方法包括以下几个方面。
(一)生理学研究的方法和步骤(Steps in the Scientific Methods)
首先通过长期的观察捕捉"有趣的现象"(interesting phenomena)。例如科学家观察到神经、肌肉细胞膜内外存在着一个内负外正的电位差，许多人考虑为什么？于是，1902年Berenstein提出假说(hypothesis)，膜电位是由于膜内外K+分布不均，而静息细胞膜只对K+有通透性，但他未能加以证实。后来由Hodgkin和Huxley设计一系列严密的实验(experiment)，特别是找到了一个理想的实验材料-枪乌鲗的巨大神经(squid axon)，证明Berenstein的假说基本上是正确的。得出静息膜电位接近K+的平衡电位的结论(conclusion)，而这一结论又被许多实验室加以再验证(retesting)，由此，科学家们发表了一系列出色的研究论文(publication)。总之，正确的科研思维方法是：observationg →interesting phenomena →hypothesis →experiment →conclusion →retesting →publication。
(二)动物实验(Experiment on Animals)
一般可分为急性实验和慢性实验(acute/chronic experiment)。急性实验又分为离体(in vitro)和在体(in vivo)两类。离体实验是指将动物的器官、组织或细胞游离出来，在适当条件下进行实验。例如，坐骨神经腓肠肌标本，蛙心灌流等。在体实验，大多数是在麻醉条件下，观察某一器官系统的功能活动。例如在家兔颈总动脉插入套管测定动脉血压，刺激减压神经、静脉注射某些药物时观察动脉血压的变化。急性实验一般取得实验结果后，动物按法规处死。慢性实验，一般是指首先在麻醉条件下，例如摘除某一内分泌腺，等动物恢复后数天，观察可能出现的机能变化。再例如Ivan Pavlov(1849-1936)在狗的腹部做一个胃瘘，长期观察分析胃液分泌。
80年代分子生物学的进展，生理学的研究也可以用分子克隆技术将某种受体的基因加以分离，从DNA序列和氨基酸的序列研究受体的特性。采用什么方法技术加以研究，要根据实验研究的目的来确定。
第二节生理功能的稳态调节
Homeostatic Regulation of Physiological Functions
上述已经提出细胞正常的功能活动必须维持一个相对稳定的内环境，而稳态则是通过许多生理机制的协调所维持的内环境理化性质的稳定。机体对各种功能活动的调节方式主要有：神经调节(nervous regulationg)、体液调节(humoral regulation)和自身调节(autoregulation)。
一、神经调节(The Nervous System in Homeostatic Control)
神经系统是主要的稳态调节系统之一，其调节的主要方式是反射(reflex)，结构基础是反射弧。例如通过位于主动脉弓、颈动脉窦的压力感受器(baroreceptors)监测动脉血压的变化，把血压突然升高的变化转变为神经冲动，沿着传入神经(迷走神经、舌咽神经)抵达延髓心血管中枢，兴奋心迷走中枢，抑制心交感中枢和交感缩血管中枢，通过心迷走神经、心交感神经和交感缩血管神经，使效应器-心脏搏动频率减慢，心输出量减少，外周血管阻力降低，动脉血压降至正常水准，这个反射称为动脉压力感受器反射，将在第四章循环系统中详细讨论。如上所述，神经调节需要感受器(sensors)监测内外环境的变化，需要效应器(effector)对环境变化的刺激作出应答性反应。
二、体液调节(The Endocrine System in Homeostatic Control)
由内分泌细胞释放的一些特殊化学物质，即激素(hormone)，进入血流运输到某些器官组织的靶细胞(target cells)，与相应的受体(receptor)相结合，调节着靶细胞的活动。和神经调节相比，体液调节发生作用较缓慢，持续作用时间较长。其作用的范围，有的弥散而广泛，例如甲状腺素(thyroxine)刺激全身细胞的代谢。有的作用局限，例如精氨酸升压素(arginine vasopressin，VP)，只增加肾集合管上皮细胞对水的通透性，使水分重吸收增加，尿量减少，故又称抗利尿激素(antidillretic hormone，ADH)。只有那些具有相应受体的靶细胞才能对某一激素发生反应。一般来说，激素在调节代谢、生长和生殖中起重要作用。
上述神经调节和体液调节的界线并不是十分清楚的。首先，神经系统调控着内分泌腺的功能。例如下丘脑调控腺垂体的激素分泌，下丘脑的肽能神经元分泌下丘脑调节肽，调节腺垂体激素的合成和释放(详见第11章)。下丘脑的室上核、室旁核的大神经内分泌细胞合成血管升压素和催产素(oxytocin，OXT),称神经内分泌细胞(neuronendocrine cells)。另外，某些由神经末梢释放的神经递质(neurotransmitter)也是激素，包括血管升压素、胆囊收缩素(cholecystokinin，CCK)、脑腓肽(enkephalins)、去甲肾上腺素(norepinephrine，NE)，促胰液素(secretin)，血管活性肠肽(vasoactive intestinal peptide，VIP)等等。因此，判断某一种化学物质是激素还是递质有时是很困难的。
三、自身调节(Autoregulation)
器官或组织不依赖外来神经和体液因素的作用，自身对刺激产生的适应性反应，称为自身调节。例如在一定范围内，心肌收缩前的初长度对收缩力量起调节作用，即静脉回流量增多，心室舒张期血液充盈量增加，心室舒张末期容积(即初长度)增大，心肌收缩力增大而每博输出量增多，称为Frank-Starling定律(详见第4章)。又如肾血流量具有自身调节机制，动脉血压变动于80-180mmHg范围内，肾小球毛细血管血压维持稳定，肾小球滤过率基本保持不变。
一般来说，自身调节的幅度较小，有一定的生理范围。
第三节稳态系统
Homeostatic System
机体维持稳态的各种机制统称为稳态系统或控制系统(control system)。稳态系统有五个组成部分。(图1-2)
一、稳态系统的组成(Components of a Homeostatic System)
(一)调节变数(Regulated Variable)
机体的体温、血压(blood pressure)、血液葡萄糖、O2含量和K+水准等等都是受调节的变数，一般来说机体通过各种机制，把这些"调节变数"维持在一定的水准。但是，不可以把所有的变数称为调节变数。例如心率(heart rate)、心输出量(cardiac output)、血管阻力(vascular resistance)、呼吸频率(breathing rate)和尿量(urine output)等并不是调节变数，这些虽然可以发生变化，但是这些量的改变是属于后面要提到的"效应器活动的变化"，是为了使调节变数保持稳定在某一水准。
(二)调定点(Set Point)
每一个调节变数都有一个调定点，例如体温为37℃，平均动脉血压为100mmHg，调节要以调定点作为参照水准。在生理学的学习过程中，了解正常调定点是重要的，而且在疾病情况下调定点可以发生变化。例如，在原发性高血压病人，血压的调定点被设置在较高水准，因此动脉血压保持在高于正常的水准，称为调定点的重新调定(resetting)。
(三)感受装置(Sensor)
对每一个调节变数，均有相应的感受装置，例如动脉压力感受器(baroreceptor)感受血压的变化，感受装置监测着内环境的变化，送到整合中枢(integration center)，把这一变化和调定点相比较后得出差异(difference)。
(四)整合中枢(Integration Center)
整合中枢也称作feedback controller，把感受器送来的资讯和调定点相比较，如果有差异则发出传出信号至效应器(effector)，改变效应器的活动，使调节变数回复到调定点水准。调节某一生理功能的整合中枢位于中枢不同水准，将在不同章节讨论学习。
(五)效应器(Effector)
效应器接受整合中枢的传出指令而产生活动变化，使调节变数恢复至调定点水准。例如，某种原因使血压突然升高，由动脉压力感受器把这一资讯通过传入神经回馈到心血管中枢，把血压升高和调定点100mmHg相比较，该中枢通过交感神经和迷走神经控制着效应器，即心脏和血管的活动，使心脏收缩活动减弱，血管舒张，于是动脉血压恢复至正常水准。
二、负反馈调节促进稳态(Negative Feedback Promotes Stability)
从工程控制的角度认为通过负反馈控制系统可以达到稳态(图1-2)。在负反馈控制系统中，资讯在一个闭合环路中流动。感受装置监测着调节变数的活动，这一变化资讯送到整合中枢与调定点加以比较，如果两者存在差异，则产生一个"差异信号"(error signal)，差异信号驱动效应器，使其活动发生变化，恢复至理想水准(desired level)。在这一回馈调节中，如果效应器(受控部分)的活动和它原先的活动的方向相反，则为负反馈调节。上面已提到动脉血压的调控是一个典型的负反馈调节。
三、正回馈促进同一方向的变化(Positive Feedback Promotes a Change in One Direction)......（后略) ......
第01章_绪论
Introduction to Physiology
生理学研究的主题-稳态
Homeostasis-the Theme of Physiology
Physiology一词来源于希腊语(physio＝nature，-logy＝study of)，其原意是指对自然界的生物体和非生物体进行系统的探索和研究。生理学是生物科学的一个分支，本教材为人体生理学(human physiology),观察物件为生物机体(livingorganisms)和人体，研究人体各种生命现象和生命过程(Phenomena of life & life process)发生的机制、条件，探索各器官系统是如何相互协调，维持一个生命活动所必需的前提-稳态(homeostasis)。19世纪法国生理学家Claude Bernard于1865年首次把浸浴细胞的细胞外液(extracellullar fluid，ECF)称之为内环境(internal environment)，内环境的各种理化成分(如温度、PH值、渗透压、Na+、K+、Ca2+、Cl-、O2分压、CO2分压以及葡萄糖浓度等)保持相对稳定。在此基础上美国生理学家Cannon(1871-1945)于1929年提出稳态的新概念。通过各种生理机制的相互协调，维持内环境各种理化成分的相对稳定称为稳态。
人体生活在充满空气的外环境，每个细胞已不直接和外环境进行物质交换，而是从ECF中获取O2和营养物质，而把CO2和代谢废物首先排入ECF，通过ECF这一内环境从肺获得O2并排出CO2，从消化道获取水、各种营养物质和矿物质，把代谢废物通过肾脏排出体外。(图1-1)
一、生理学研究的三个水准(Functions at Three Levels)
生理学研究生命活动，例如心脏搏动和血液回圈、呼吸运动、消化吸收和泌尿等等。要研究循环系统的功能，必须从以下三个水准去观察分析。
(一)细胞分子水准(Cellular and Molecular Level)
这一水准的研究要回答生命活动发生的分子生物学机制，而机制(mechanism)一词有必要在此作一解释。从生理学的观点来看，所有的生命现象(biological phenomena)最终要用物理学和化学的原理加以解释，而解释生命现象的理化原理称为机制。例如心脏有规律的搏动，是因为特殊传导系统中窦房结的起博细胞4期自动去极化，其离子机制是外向电流Ik在复极达最大复极电位时开始关闭，Ik进行性衰减是4期自动去极化的第一部分。当4期去极化达-50mv时，启动T-型Ca2+离子通道，内向电流Ica-T是4期自动去极化的后一部分。窦房结每分钟自动去极化的频率高达100次/min，成为心脏的起博点(pacemaker)，是正常的心脏节律，称为"窦性心律"。这一水准研究所积累资料称为细胞生理学(cell physiology)或普通生理学(general physiology)。
(二)器官、系统水准(Organ or System Level)
这一水准的研究着重阐明器官和系统是如何进行正常活动。例如在一个心动周期内心脏各部分如何配合完成射血机能，由于窦房结4期自动去极化，兴奋波通过特殊传导系统，依次兴奋心房、心室，引起有次序的房、室舒缩活动，加上瓣膜开闭的配合，引起血液在房室和动脉之间的定向流动，完成向动脉射血，从静脉接受血液充盈，在一个心动周期中产生压力、容积的规律性变化。这一水准研究所获得的资料称为器官生理学(organ physiology)，如心血管生理学(cardiovascular physiology)、胃肠生理学(gastrointestinal physiology)。
(三)整体水准(Organismal Level)
整体水准强调各器官、系统之间的相互影响和配合。在某一特定情况下，例如剧烈运动，在神经、内分泌系统的调节下，心跳加快加强，心输出量增加，而血管系统中的血流量发生重新分配，骨胳肌血流量增多，消化、内分泌系统机能相对减少，尿量减少。呼吸系统活动增强，呼吸加深加快以满足氧耗量的增加和加快对CO2的清除。
二、生理学研究的方法(Methods Used for Physiology)
生理学研究生物体生命活动的规律，是一门实验性的科学。若要从事实验性的研究，正确的方法包括以下几个方面。
(一)生理学研究的方法和步骤(Steps in the Scientific Methods)
首先通过长期的观察捕捉"有趣的现象"(interesting phenomena)。例如科学家观察到神经、肌肉细胞膜内外存在着一个内负外正的电位差，许多人考虑为什么？于是，1902年Berenstein提出假说(hypothesis)，膜电位是由于膜内外K+分布不均，而静息细胞膜只对K+有通透性，但他未能加以证实。后来由Hodgkin和Huxley设计一系列严密的实验(experiment)，特别是找到了一个理想的实验材料-枪乌鲗的巨大神经(squid axon)，证明Berenstein的假说基本上是正确的。得出静息膜电位接近K+的平衡电位的结论(conclusion)，而这一结论又被许多实验室加以再验证(retesting)，由此，科学家们发表了一系列出色的研究论文(publication)。总之，正确的科研思维方法是：observationg →interesting phenomena →hypothesis →experiment →conclusion →retesting →publication。
(二)动物实验(Experiment on Animals)
一般可分为急性实验和慢性实验(acute/chronic experiment)。急性实验又分为离体(in vitro)和在体(in vivo)两类。离体实验是指将动物的器官、组织或细胞游离出来，在适当条件下进行实验。例如，坐骨神经腓肠肌标本，蛙心灌流等。在体实验，大多数是在麻醉条件下，观察某一器官系统的功能活动。例如在家兔颈总动脉插入套管测定动脉血压，刺激减压神经、静脉注射某些药物时观察动脉血压的变化。急性实验一般取得实验结果后，动物按法规处死。慢性实验，一般是指首先在麻醉条件下，例如摘除某一内分泌腺，等动物恢复后数天，观察可能出现的机能变化。再例如Ivan Pavlov(1849-1936)在狗的腹部做一个胃瘘，长期观察分析胃液分泌。
80年代分子生物学的进展，生理学的研究也可以用分子克隆技术将某种受体的基因加以分离，从DNA序列和氨基酸的序列研究受体的特性。采用什么方法技术加以研究，要根据实验研究的目的来确定。
第二节生理功能的稳态调节
Homeostatic Regulation of Physiological Functions
上述已经提出细胞正常的功能活动必须维持一个相对稳定的内环境，而稳态则是通过许多生理机制的协调所维持的内环境理化性质的稳定。机体对各种功能活动的调节方式主要有：神经调节(nervous regulationg)、体液调节(humoral regulation)和自身调节(autoregulation)。
一、神经调节(The Nervous System in Homeostatic Control)
神经系统是主要的稳态调节系统之一，其调节的主要方式是反射(reflex)，结构基础是反射弧。例如通过位于主动脉弓、颈动脉窦的压力感受器(baroreceptors)监测动脉血压的变化，把血压突然升高的变化转变为神经冲动，沿着传入神经(迷走神经、舌咽神经)抵达延髓心血管中枢，兴奋心迷走中枢，抑制心交感中枢和交感缩血管中枢，通过心迷走神经、心交感神经和交感缩血管神经，使效应器-心脏搏动频率减慢，心输出量减少，外周血管阻力降低，动脉血压降至正常水准，这个反射称为动脉压力感受器反射，将在第四章循环系统中详细讨论。如上所述，神经调节需要感受器(sensors)监测内外环境的变化，需要效应器(effector)对环境变化的刺激作出应答性反应。
二、体液调节(The Endocrine System in Homeostatic Control)
由内分泌细胞释放的一些特殊化学物质，即激素(hormone)，进入血流运输到某些器官组织的靶细胞(target cells)，与相应的受体(receptor)相结合，调节着靶细胞的活动。和神经调节相比，体液调节发生作用较缓慢，持续作用时间较长。其作用的范围，有的弥散而广泛，例如甲状腺素(thyroxine)刺激全身细胞的代谢。有的作用局限，例如精氨酸升压素(arginine vasopressin，VP)，只增加肾集合管上皮细胞对水的通透性，使水分重吸收增加，尿量减少，故又称抗利尿激素(antidillretic hormone，ADH)。只有那些具有相应受体的靶细胞才能对某一激素发生反应。一般来说，激素在调节代谢、生长和生殖中起重要作用。
上述神经调节和体液调节的界线并不是十分清楚的。首先，神经系统调控着内分泌腺的功能。例如下丘脑调控腺垂体的激素分泌，下丘脑的肽能神经元分泌下丘脑调节肽，调节腺垂体激素的合成和释放(详见第11章)。下丘脑的室上核、室旁核的大神经内分泌细胞合成血管升压素和催产素(oxytocin，OXT),称神经内分泌细胞(neuronendocrine cells)。另外，某些由神经末梢释放的神经递质(neurotransmitter)也是激素，包括血管升压素、胆囊收缩素(cholecystokinin，CCK)、脑腓肽(enkephalins)、去甲肾上腺素(norepinephrine，NE)，促胰液素(secretin)，血管活性肠肽(vasoactive intestinal peptide，VIP)等等。因此，判断某一种化学物质是激素还是递质有时是很困难的。
三、自身调节(Autoregulation)
器官或组织不依赖外来神经和体液因素的作用，自身对刺激产生的适应性反应，称为自身调节。例如在一定范围内，心肌收缩前的初长度对收缩力量起调节作用，即静脉回流量增多，心室舒张期血液充盈量增加，心室舒张末期容积(即初长度)增大，心肌收缩力增大而每博输出量增多，称为Frank-Starling定律(详见第4章)。又如肾血流量具有自身调节机制，动脉血压变动于80-180mmHg范围内，肾小球毛细血管血压维持稳定，肾小球滤过率基本保持不变。
一般来说，自身调节的幅度较小，有一定的生理范围。
第三节稳态系统
Homeostatic System
机体维持稳态的各种机制统称为稳态系统或控制系统(control system)。稳态系统有五个组成部分。(图1-2)
一、稳态系统的组成(Components of a Homeostatic System)
(一)调节变数(Regulated Variable)
机体的体温、血压(blood pressure)、血液葡萄糖、O2含量和K+水准等等都是受调节的变数，一般来说机体通过各种机制，把这些"调节变数"维持在一定的水准。但是，不可以把所有的变数称为调节变数。例如心率(heart rate)、心输出量(cardiac output)、血管阻力(vascular resistance)、呼吸频率(breathing rate)和尿量(urine output)等并不是调节变数，这些虽然可以发生变化，但是这些量的改变是属于后面要提到的"效应器活动的变化"，是为了使调节变数保持稳定在某一水准。
(二)调定点(Set Point)
每一个调节变数都有一个调定点，例如体温为37℃，平均动脉血压为100mmHg，调节要以调定点作为参照水准。在生理学的学习过程中，了解正常调定点是重要的，而且在疾病情况下调定点可以发生变化。例如，在原发性高血压病人，血压的调定点被设置在较高水准，因此动脉血压保持在高于正常的水准，称为调定点的重新调定(resetting)。
(三)感受装置(Sensor)
对每一个调节变数，均有相应的感受装置，例如动脉压力感受器(baroreceptor)感受血压的变化，感受装置监测着内环境的变化，送到整合中枢(integration center)，把这一变化和调定点相比较后得出差异(difference)。
(四)整合中枢(Integration Center)
整合中枢也称作feedback controller，把感受器送来的资讯和调定点相比较，如果有差异则发出传出信号至效应器(effector)，改变效应器的活动，使调节变数回复到调定点水准。调节某一生理功能的整合中枢位于中枢不同水准，将在不同章节讨论学习。
(五)效应器(Effector)
效应器接受整合中枢的传出指令而产生活动变化，使调节变数恢复至调定点水准。例如，某种原因使血压突然升高，由动脉压力感受器把这一资讯通过传入神经回馈到心血管中枢，把血压升高和调定点100mmHg相比较，该中枢通过交感神经和迷走神经控制着效应器，即心脏和血管的活动，使心脏收缩活动减弱，血管舒张，于是动脉血压恢复至正常水准。
二、负反馈调节促进稳态(Negative Feedback Promotes Stability)
从工程控制的角度认为通过负反馈控制系统可以达到稳态(图1-2)。在负反馈控制系统中，资讯在一个闭合环路中流动。感受装置监测着调节变数的活动，这一变化资讯送到整合中枢与调定点加以比较，如果两者存在差异，则产生一个"差异信号"(error signal)，差异信号驱动效应器，使其活动发生变化，恢复至理想水准(desired level)。在这一回馈调节中，如果效应器(受控部分)的活动和它原先的活动的方向相反，则为负反馈调节。上面已提到动脉血压的调控是一个典型的负反馈调节。
三、正回馈促进同一方向的变化(Positive Feedback Promotes a Change in One Direction)......（后略) ......
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