第二节　机体对环境因素的反应

生物与非生物都受环境的制约，其主要区别在于任何一个活细胞都能够通过新陈代谢的化学活动获取其生命活动所需要的物质和能量，并具有应答环境刺激、适应环境变化的能力。

一、机体对环境反应的有序性

生命现象是一种特殊的、高级的物质运动形式。高度的组织化、高度的有序性是生命的重要特征。从结构上看，构成机体的每个生物大分子都是一个组织程度很高的分子系统，它们的原子排列有严格的规律性。由分子组成细胞器，细胞器组成细胞，细胞组成组织和器官，形成机体的各个系统，组成整个机体。所以，整个机体就是一个组织结构精密复杂的、多层次的巨系统；从机体的生理功能和代谢方面看，一切生命现象都是体内无数化学反应高度有序地相互协同、相互制约的结果和表现。

生命活动的维持和种属的进化，都只能在机体与环境的联系及交往过程中才能实现。因为机体的新陈代谢，机体与环境间的物质、能量和信息交换是维持机体生存和发展必不可少的条件，机体靠不断从外界摄取营养物质，并在物质和能量的转化过程中维持其存在的结构。任何一个活细胞或生命体，都是一方面要维持其内环境的稳定状态，另一方面又必须与其周围环境进行物质和能量交换。代谢过程中合成与分解的同时存在，化学反应中吸能反应与释能反应的耦联，都表明机体的有序与无序是对立统一的两个方面，生命体的有序性是在不断克服无序的基础上建立和维持的。

二、维持机体内环境的稳态性

1857年，法国生理学家Bernard提出“生物内环境”的概念，即：生物生存在它所习惯的外环境中，而生物体内各种组织却生活于生物的内环境里。内环境的稳定是生命存在的前提，内环境要经常同外环境保持平衡，否则生命现象就要发生紊乱。1926年，美国生理心理学家Cannon又进一步总结出“内环境稳定（homeostasis）理论”，认为内环境稳定是维持多数器官稳态的生理协调过程。交感神经系统是体内平衡的基础，这一系统可以恢复由应激破坏的内环境稳定状态，并提高器官的生存能力。Cannon指出在正常生理情况下机体内环境的各种成分和理化性质只在很小的范围内变动，这种状态称为稳态（homeostasis）。例如体温维持在37℃左右，血浆pH维持在7.4左右，血压、血糖、血脂等生理生化指标都有一个正常范围，超出这个范围，就是病态。

由于细胞不断进行代谢活动，就不断地与细胞外液发生物质交换，这样就不断破坏内环境的稳态；同时，外界环境因素的改变也影响内环境的稳态。因此，内环境稳态的维持是细胞与细胞外液之间的物质交换以及细胞外液与环境之间的物质交换达到动态平衡的结果，也是身体各个细胞、器官、系统正常生理活动的结果。最近，稳态的概念已大大扩展，不仅指内环境的相对稳定，而且泛指体内从分子、细胞和器官、系统乃至整体各个水平上的生理活动保持相对稳定的状态。

1956年加拿大生理学家和化学家Selye提出“应激（stress）理论”，应激是机体对外界或内部各种异常刺激所产生的非特异性应答反应的总和。这些外来刺激如感染、中毒、创伤、出血、失水、高温、低温、缺氧、放射线，甚至由此而引起的恐惧、紧张等心理等因素都可称为应激原（stressor），而外来刺激也可称为环境刺激。环境刺激也包括一些有节律性的、可预知的环境变化，如每天昼夜及一年四季的循环交替等。这些与应激原关系不大的非特异性反应称之为一般适应综合征（general adaptation syndrome）。这些刺激对机体无伤害且能完全适应。应激反应主要分三个阶段：①惊恐反应阶段或动员阶段；②适应或抵抗阶段；③衰竭阶段。

应激的现代概念已扩展为：当机体内环境受到威胁时，机体对应激原产生特异性或非特异性反应，以维持机体于新的稳态。新稳态如果被破坏，则将进一步发展，直至该系统崩溃，在其他系统内再寻求稳态。

在生命活动的过程中，环境因素对机体的作用与机体对环境因素的反应总是同时存在的。在应激情况下，一方面蛋白质分解增加，另一方面代谢产物的蓄积和激素类对腺苷酸环化酶的活化，又能促进与机体功能细胞基因相关联的脱氧核糖核酸（DNA）、核糖核酸（RNA）及蛋白质合成，从而使这些系统的适应功能得到发展。所以，应激反应的作用，不仅是动员机体的潜力应付急需，维持内环境的稳定，而且在环境应激（environmental stress）的情况下，有逐渐使机体适应新环境的作用。健康的维持或病变的发生就体现了机体对环境适应性反应的成功或失败。所以，适度的环境应激也是促进机体防御体系和适应能力发展的重要条件。运动负荷和低氧环境的训练，能有效地提高机体对缺氧的耐力，就是一个明显的例证。

三、维持内环境稳态的调控系统

物质、能量和信息三方面有组织的活动是生命的基础，全靠机体有功能完善、反应灵敏、准确高效的调节控制系统才能实现。调控系统的作用是负责信息的接收、转换、传递，并以反馈和负反馈的方式，调节控制不同情况下不同组织器官的功能和代谢。当外界环境发生改变时，机体能适应外环境引起内环境成分和理化性质以及一些生理活动的各种改变，使被扰乱的内环境得到恢复，重新维持稳态。这一过程依赖于生理功能和代谢的调节控制系统。

机体对内环境稳态的维持主要依靠神经调节、内分泌调节、免疫调节和酶的调节等方式实现。

1.神经调节

主要依靠中枢神经系统和自主神经系统实现。体内各器官的生理活动都受神经系统的调节和整合，以适应内外环境的变化。这种调节的基本形式是反射（reflex），即各种刺激通过各种感受器转变为各种形式的神经电信号，然后通过传入神经纤维传至相应的神经中枢，中枢对信号进行分析并作出反应，再通过传出神经纤维将中枢的指令传达到相应的效应器官，作出反应。中枢分布于脊髓、延髓、脑桥、下丘脑以至大脑皮质等部位。脊髓是初级中枢，可以完成一些基本的反射活动，如膝反射等。延髓是维持生命活动的中枢，调节包括心血管活动、呼吸运动等内脏器官的反射。下丘脑是较高级的中枢，能将内脏活动与其他生理功能包括躯体运动和情绪反应等联系起来，进行整合，从而对体温、内分泌、生物节律、摄食行为、情绪控制等生理过程进行调节。

中枢对内脏活动的神经调节是通过自主神经传出部分实现的。自主神经包括交感神经和副交感神经，分布至各内脏器官、平滑肌和腺体，调节这些器官的活动，是内脏反射活动的传出部分，其作用是通过不同的神经递质（neurotransmitter）和受体而实现的。交感神经节后纤维释放的主要神经递质是去甲肾上腺素，还有5-羟色胺、脑啡肽、生长抑素等，副交感神经节后纤维主要释放乙酰胆碱。去甲肾上腺素甲基化即生成肾上腺素，肾上腺素由肾上腺髓质分泌，肾上腺素能神经元主要分布在延髓，在外周并无释放它的神经纤维。对内外环境的变化，自主神经在协调各系统的活动中发挥重要作用。例如，在剧烈运动、窒息、失血或寒冷刺激等情况下，交感神经可动员各器官的潜在功能以适应环境的变化，使心率加速、皮肤及腹腔内脏血管收缩、红细胞增多、循环血量增加，保证重要器官的血液供应；同时支气管平滑肌舒张，肺通气量增加；肝糖原分解加速，血糖升高，肾上腺素分泌增加等。副交感神经的活动也有所增强，促进消化，积蓄能量，加强排泄功能，使机体尽快恢复，从而发挥保护机体的作用。

2.内分泌调节

体内有多种内分泌腺和内分泌细胞能分泌激素（hormone），在细胞与细胞之间传递信息，或由血液或组织液运输，到达全身具有相应受体（receptor）的靶细胞，调节其活动。内分泌腺生成的主要激素有：甲状腺素、甲状旁腺素、胰岛素、胰高血糖素、皮质醇、醛固酮、肾上腺素、睾酮、雌二醇、孕酮等。脑垂体受下丘脑神经的支配，分泌促甲状腺素（TSH）、促肾上腺皮质激素（ACTH）、促卵泡激素（FSH）、黄体生成素（LH）、生长激素（GH）等。非内分泌腺的器官生成的主要激素有胃肠道的肠促胰岛素（incretin）、增食素（ghrelin）、缩胆囊素（CCK），肝脏的胰岛素样生长因子-1（IGF-1），脂肪组织的脂联素（adiponectin）、瘦素（leptin），下丘脑的加压素（vasopressin）、缩宫素（oxytocin）与多种神经肽。

激素参与水和电解质平衡、酸碱平衡、体温、血压、三大营养素代谢等调节过程，还参与外环境因素引起的应激反应，能全面整合机体功能，维持内环境稳态。几乎所有内分泌腺都受自主神经支配，各种信息都有可能经下丘脑引起反应，下丘脑除直接有神经支配垂体外，还可释放神经肽调节垂体的内分泌活动，而垂体生成的激素又促进了相关内分泌腺的活动。因此，神经内分泌系统在维护机体内环境稳定的过程中起主导作用，而下丘脑是神经系统和内分泌系统发生联系的枢纽。如外环境发生变化时，神经内分泌系统进行高级整合，促肾上腺激素释放激素（CRH）-促肾上腺皮质激素（ACTH）-皮质醇轴被激活，发生应激反应。这就是Selye“应激学说”的基础。

3.免疫调节

免疫系统除有抵御病原微生物、抗感染的基本功能外，还有清除体内衰老、损伤、突变的细胞，以维系机体内环境稳定的功能。近年来，随着分子生物学和免疫学的发展，人们发现神经系统、内分泌系统和免疫系统共有激素、神经递质、神经肽和细胞因子（cytokine）等信息分子和受体，而且都通过类似的细胞信号转导途径发挥作用，共同维持内环境的稳态，于是形成了“神经-内分泌-免疫网络”的概念。

免疫调节主要通过以下途径：①免疫应答，包括抗原识别阶段，T、B细胞活化（增殖、分化）阶段和效应阶段。②相关因子调节，主要包括抗体（与抗原结合，促进吞噬）、补体（活化片段，与受体结合）、趋化性细胞因子（IP-10、Mig、MCP-1）以及免疫细胞表达的相应受体。③免疫细胞调节，包括Th1细胞（介导细胞免疫和炎性反应）、Th2细胞（介导细胞免疫和炎性反应）、调节性T细胞（抑制CD4+、CD8+、T细胞活化和增殖）。

当机体受到外环境刺激时，一方面，细胞或体液中介的免疫反应被激活，免疫细胞分泌细胞因子如白介素-1（IL-1）和肽类激素等，刺激下丘脑释放CRH，从而促进ACTH和皮质激素的分泌增加。另一方面，内分泌系统中的多数激素如生长抑素、ACTH、糖皮质激素、性激素等具有免疫抑制作用，可使淋巴细胞增殖力、抗体生成和吞噬功能减弱。另有少数激素如生长激素、缩宫素、催乳素、甲状腺素、β-内啡肽等则具有免疫增强作用，使淋巴细胞增殖力、抗体生成、吞噬能力增强，特别是生长激素几乎能促进所有免疫细胞的分化，并增强它们的功能。

4.酶的调节

机体不断调节各种物质代谢，适应内外环境的变化。这种调节有细胞水平、激素水平和整体水平三个层次，而细胞水平的代谢调节是基础。酶是细胞内一切物质代谢反应的催化剂，影响着代谢的强度、方向和速度。各组织细胞与亚细胞结构具有各自的代谢酶谱与代谢特点，在体内各种代谢途径中互不干扰而又彼此协调，使一系列酶反应能连续进行，并提高了反应速度与调控效率。

细胞水平的代谢调节主要通过改变关键酶的活性实现。如果是通过改变酶分子结构改变其活性，称为快速调节；如果是通过改变细胞内酶的含量改变酶的活性，则称为缓慢调节。

快速调节：①别位调节（变构调节）。即外源或内源小分子化合物（别位效应剂）结合酶蛋白活性中心以外的某部位，引起酶的构象变化，如亚基的聚合或解聚，原聚体聚合为多聚体或解聚。代谢终产物可使催化该产物代谢的酶受到抑制，即反馈抑制。②化学修饰调节。指酶蛋白肽链上某些残基在酶的催化下发生可逆的共价修饰，引起酶活性的改变。包括磷酸化和脱磷酸、乙酰化和脱乙酰、甲基化和脱甲基、SH与S-S互变等。③别位调节与化学修饰调节相辅相成，协同完成。

缓慢调节：①诱导或阻抑蛋白基因表达可改变酶的含量。诱导剂或阻抑剂在酶蛋白生物合成的转录或翻译过程中起作用，激素对酶表达的诱导很常见。如糖皮质激素能诱导一些氨基酸分解酶和糖异生关键酶的合成；胰岛素能诱导糖酵解和脂酸合成中关键酶的合成等。②改变酶蛋白分子降解速度能调节细胞酶含量。非ATP依赖的蛋白质降解途径存在于溶酶体；ATP-泛素的蛋白质降解途径存在于蛋白酶体。

蛋白质、脂肪及碳水化合物在体内氧化供能，虽然其分解代谢的途径各不相同，但有共同规律。乙酰辅酶A是三大营养素共同的中间代谢物，三羧酸循环（tricarboxylic cycle）是三大营养素的共同代谢途径，释出的能量以三磷酸腺苷（ATP）形式储存。通过多种酶的作用，在应激时，能量代谢加速，体内储存的糖原很快就消耗完了，此时由蛋白质分解代谢形成的氨基酸可通过糖异生作用转变为葡萄糖，以供应脑细胞与红细胞等能量的需要，以维持生命。当能量摄入多而消耗少时，膳食中过多的糖可转变为脂肪储存起来，导致肥胖。

在物质代谢过程中，生物氧化产生了一些自由基，但因有内源性抗氧化物和抗氧化酶如谷胱甘肽过氧化物酶（GSHPx）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）的拮抗，保持了体内氧化抗氧化状态的平衡或稳态。不少应激原带有或产生自由基，在体内可破坏抗氧化酶活性，引起过氧化反应甚至造成损伤。

5.控制系统

体内各种生理活动的调节主要是以负反馈（negative feedback）机制的形式进行的。如外界因素使某系统的活动增强，破坏了原来的稳态，则通过相应的感受器将这个信息反馈给中枢，经中枢分析后，发出相反的指令，使该系统的活动减弱，直至恢复到原来的稳态。反之，如某系统活动减弱，则同样通过负反馈机制，使其活动重新增强，恢复到稳态。所以，负反馈控制的作用可使机体的内环境和各种生理活动之间维持稳态。体内许多负反馈控制系统都设置了一个“调定点”（set point），作为负反馈机制对受控部分活动调节的参照水平，即规定受控部分的活动只能在靠近调定点的一个狭小范围内变动。例如，在体温调节机制中，体温的调定点设置在37℃；在体液酸碱度的调节中，pH的调定点设置在7.4。

正反馈控制（positive feedback）是指受控部分的活动如果增强，通过感受装置将此信息反馈至中枢后，中枢仍发出同样的指令使受控部分的活动更加增强，如此循环往复，使整个系统的稳态受到破坏后，不仅没有恢复，而且形成恶性循环，稳态的破坏更加严重。在正常生理情况下，正反馈控制系统在体内是很少的。例如血液凝固是正反馈控制，当一处血管破裂时，各种凝血因子被相继激活，使血液凝固，形成血凝块，直至将血管裂口封住。在细胞水平上，神经细胞膜的去极化达到一定程度时，膜上的钠通道开放，膜外的钠离子流入膜内，使膜进一步去极化，这一反复过程使膜电位能以极快的速度发生去极化，向钠离子的平衡电位靠近，形成动作电位的升级。

机体对应激损伤的反应及调控模式如图2-1所示。

（蒋与刚　郭长江　顾景范）