宏观和微观水平研究的进展和获得的成就

二、宏观和微观水平研究的进展和获得的成就

近50年来，随着细胞分离和培养技术、细胞内微电极记录和膜片钳技术、共聚焦显微成像术、基因组学和蛋白质组学的方法、光学技术、光分子杂交术和纳米技术等的建立和发展，微观水平的研究进展很快。现已从细胞和分子水平初步阐明了体内某些活动的发生机制和调节，同时认识到自然界的不同生物体的生命本质特征具有高度的一致性，即构成生命体的主要物质是核酸和蛋白质，又因相互间的不同组合和运动形式而表现出极其复杂多变的功能活动。宏观水平的研究进展相对较慢，但仍然取得一些成就。

（一）宏观水平

1628年，英国医师Harvey所著的《心与血的运动》一书出版，使生理学成为一门独立的实验性学科。从那时起，各国生理学工作者采用急、慢性动物实验方法，对多种哺乳动物（犬、猫、兔、猪和猴等）体内各系统、器官的生理功能活动及其调节机制等进行了研究；采用无创性技术，对人的某些生理功能活动及其调节机制等进行了研究。现已基本阐明了体内各系统、器官的生理功能和相互影响，以及在整体生命活动中的地位和意义；提出了一些具有整合意义的生理学理论，并基本阐明了一些具有整合性质的生理功能的发展及其机制，举例如下。

1．具有整合意义的生理学理论　法国生理学家Bernard在1857年提出，体内循环着的体液是机体的内环境，内环境是机体得以自由与独立生存的前提。1929年，美国生理学家Cannon提出细胞外液的理化性质保持相对稳定的状态即内稳态（homeostasis），是机体各种生命活动得以协调和稳定进行的条件。内稳态是一个动态发展的概念。在机体与外环境不断地进行物质、能量和信息交换的过程中，通过体内各系统和器官的协同活动维持了内稳态，在此基础上，机体又可发生和发展使之能更好地适应环境因素变化的各种生命活动或行为模式，以建立或形成新的内稳态。

加拿大生理学家Selye于1946年提出的应激学说，通常也被视为生理学和医学中的一种基本理论。Selye观察到机体受到剧烈的环境因素变化、交通事故、创伤失血、缺氧、工作负荷过重、人际关系紧张、饥饿以及恐惧等刺激时，血中促肾上腺皮质激素（adrenocorticotropic hormeone，ACTH）和糖皮质激素浓度升高。他将上述引起的ACTH和糖皮质激素分泌增多的刺激称为应激刺激（stressor），所发生的机体功能活动变化称为应激反应（stress reaction）。

在应激状态下，整体的功能活动发生突然的变化，这种“突变”具有非常积极的意义。它可帮助机体的功能脱离通常的状态，使内在的潜能得以最大限度的发挥，血糖水平升高，心脏和肺等器官功能储备得以充分的动用，抗伤害的能力迅速提高，以帮助机体能渡过难关，获得在特定条件下的生存能力。

在机体生存和生活的环境中，既存在有利的方面，也有某些损伤性因素，只是在人类长期的进化中已对环境中不断变化的因素产生了适应。应激是一种非特异性的整体反应，其实质也是一种适应性反应。

应激学说的提出，促进了神经－内分泌对整体功能调节的研究。

2．具有整合性质的生理功能研究　整合机制不仅在整体和体内的系统、器官活动中发挥作用，在体内任一细胞甚至亚细胞的活动中亦是如此。不同功能的细胞能进行复杂而有序的生理和生化活动，也必然存在精确的调节和整合机制，只是许多尚未阐明而已。

（1）神经系统对机体功能活动的整合作用：Bernard所涉及的内环境的最高管理形式，实质就是指神经系统的功能。神经系统在各种功能的稳定中起主导的整合作用。对整体功能的调节极其复杂，初步认识到：大脑皮质是整体系统的最高结构，管理和调节机体的思维、语言、学习和记忆等功能；丘脑具有初步综合传向大脑皮质所有信息的能力；小脑接受来自大脑皮质和机体各部分运动反馈的信息，以协调机体的运动功能；下丘脑则是调节自主性功能活动的高级整合中枢，调节体内的内脏活动、生殖、物质代谢、生长发育、神经内分泌和体内某些内分泌腺的分泌活动。

通常所说的整合作用（integrative action）就是指中枢神经系统把来自机体各方面的信息，经过协调、加工和处理，最后表现为同内、外环境高度适应的整体功能活动变化。整合主要有神经系统的协调功能和整体的适应性反应两个方面的内容。

（2）生物和心理以及社会因素对整体功能活动影响的研究：20世纪以来，随着人类社会日益工业化和城市化，使人们的生活条件和劳动方式发生了很大的变化。由于社会变革、环境污染、生态破坏、人口剧增和生活竞争激烈等，导致人的心理和行为方式等出现改变。心理和社会因素等对人体功能活动的影响日益明显，应运而生了生物心理社会医学模式（biopsychosocial medical model）。该模式认为人是一个有着复杂的社会联系和心理活动的社会生物，不仅自身是一个多层次的复杂系统，而且同周围的自然生态和社会环境构成一个开放的复合系统，在不断地与环境进行物质和能量及信息交换。以实现自我更新的同时，其体内的功能活动不仅因自然和生物因素的作用而变化，还受社会行为模式和自身的生活方式以及心理因素变化的影响。

随着该模式的研究同现代各种科学和技术的有机结合，使人们产生了新的思维方法和理论观念，在研究工作中开始注意把局部的生理功能置入整体内去思考；动态地观察和分析体内功能活动的变化及相互关系；既强调外因通过内因起作用，又关注社会因素对机体心理和精神等功能活动的影响。现代医学模式强调人的整体统一性和人与环境的和谐共生性，有助于对整合生理学的研究。

（3）下丘脑－腺垂体－靶腺（甲状腺、肾上腺皮质和性腺）功能轴及调节：下丘脑位于丘脑的下方，第Ⅲ脑室两侧，属于间脑的基底部分。体内、外环境因素变化的信息传至下丘脑，下丘脑的内分泌细胞分泌某些促激素释放激素以影响腺垂体的功能。体内三个功能轴的靶腺所分泌的激素，在调节机体的代谢、生长发育、生殖和紧急状态时的整体反应等具有重要作用。三个靶腺分泌的激素与相应的调节中枢间构成一自动控制系统，使血中的激素水平能适应整体生理活动的需要。

（4）交感神经－肾上腺髓质系统和迷走神经－胰岛素系统：在整体内，两个功能系统呈二圆互交性调节模式，其活动是既对立又统一的。通常情况下，一个系统活动增强时，另一个系统的活动相对减弱。但在紧急状态下，两个系统的活动则是协同的（见机体自主性功能活动的调节）。交感神经－肾上腺髓质功能系统兴奋时，使心血管的活动加强，血压升高；肺泡通气量增多；糖原和脂肪的分解增多，产能增加。该系统通过动员体内各组织和器官的潜在能力，使机体适应环境因素的急骤变化。迷走神经－胰岛素功能系统通过促进体内的消化吸收和合成代谢，促进细胞对能量物质的摄取利用，加速体内代谢产物的排出，进而对整体功能进行保护。

（5）神经系统－内分泌系统－免疫系统调节网络：神经系统、内分泌系统和免疫系统构成三角形样的调节模式或三圆互交性调节模式，它们既能独立地影响和调节体内各器官、组织和细胞的功能活动，又相互密切联系、协调配合，组成一个具有整合性质的功能强大的调节网络，在维持机体内稳态中发挥作用。现研究表明，三者间拥有共同的信息分子（神经肽、激素和细胞因子等），这些信息分子与系统内或系统外的受体结合，从而使得系统间呈网络状联系并相互调节。机体的各种生化代谢和生理功能活动都是在这个调节网络的控制下进行的（图1－2）。(https://www.daowen.com)

值得提到的是，王宪教授首次提出并证明降钙素基因相关肽（calcitonin gene－related peptide，CGRP）是机体神经－内分泌－免疫调节的介导物之一，为体内存在神经－内分泌－免疫调节网络提供了新的证据。

（6）心－肾反射及功能的研究：心－肾反射（cardiorenal reflex）是指心肺感受器受到压力或化学因素的刺激后，经迷走神经传入，在中枢整合后，使肾交感神经活动抑制，肾血流量增多，尿量和尿钠排出增多的过程。该反射使心肾两个器官的功能活动在整体功能状态下得以紧密地联系。近几年，国内外学者就该反射进行了初步研究，表明其在维持整体循环血量和血压稳定中具有重要作用。

（二）微观水平

1．细胞膜上不同离子通道的结构、开放和关闭的控制　现已发现，在可兴奋细胞的膜上有电压门控和化学门控性的Na＋、K＋、Ca2＋和Cl－等通道，这些离子通道的活动具有广泛的生物学作用，如引起细胞膜内外的电位变化，触发肌收缩、腺体分泌和神经递质释放等（见细胞膜上的离子通道和膜电流）。

北京大学王世强教授等采用共聚焦显微成像术和松钳（loose－seal patch）技术，在无细胞变形的条件下，用钙荧光探针观察到离散的、持续时间很短的细胞内钙释放事件，即钙火花（calcium spark）。由单个Ca2＋通道活动产生的局部钙荧光信号比细胞内Ca2＋释放产生的钙火花要小，称为钙火星（calcium sparklet）。钙火星在时间和幅度上与单通道的离子电流成正比。钙火花相当于46个钙通道开放产生的电流，且总是在钙火星的基础上产生，钙火星一旦触发细胞内肌质网释放Ca2＋，即一个钙火花被触发，以后的触发概率就大幅度降低。该实验首次在分子水平证实细胞内钙释放具有不应期，从中提示Ca2＋释放存在自动控制机制。该工作不仅有助于肌兴奋收缩耦联机制的阐明，也为细胞生理研究开启了新的一页。光学方法记录单个离子通道的信号和膜片钳不同，它标志着电生理学向电光生理学（electroptical physiology）的发展。

在单通道水平研究细胞信息传递，将有力地推动肌细胞、神经细胞和内分泌细胞等的生理功能研究，并为阐明有关疾病的细胞和分子机制开辟新的前景。

2．细胞间信息传递　机体的生命活动是以细胞的功能为基础的。体内细胞的各种功能活动的发生和发展、细胞与细胞间活动的相互协调和制约等，都是在有关信息的转化、新信息的产生、传递或贮存、以及相互间的反馈调节和影响中进行的。体内的细胞都存在一个能对外来信息起反应的高度完善的细胞内信息传递系统。由某些细胞分泌的或外来的生物活性物质，经细胞外液扩散或血液循环运输至相应的靶细胞并同其膜上的特异性受体结合，经跨膜信息传递，进而对靶细胞的功能活动进行调节或实现细胞间的通讯（cell－cell communication）。通过细胞间的通讯，使得体内任一细胞的活动都同整体的功能紧密联系。

现已证明，G蛋白是一种位于细胞膜上的、可将激素和神经递质等物质携带的信息转化为传向细胞内的信息转导体；激素和神经递质等称为第一信使（first messenger）。在G蛋白和有关酶效应器的作用下生成的cAMP、cGMP、二酰甘油和三磷酸肌醇等，在细胞内信息传递中起着第二信使（second messenger）的作用。它们通过使不同的靶蛋白磷酸化或脱磷酸化，进而引起细胞产生多种功能活动。酪氨酸蛋白激酶存在于胰岛素和多种生长因子（如血小板生长因子和神经生长因子等）的膜受体中，当胰岛素等与受体结合时，酪氨酸蛋白激酶激活，进而激活细胞内一系列信息传递的级联反应，引起细胞增殖分化和代谢活动的变化（见生命活动中的信息传递）。

3．细胞膜的物质转运功能　脂溶性的O2和CO2等，由高浓度越膜向低浓度侧扩散；非脂溶性的带电离子和葡萄糖及氨基酸，则借助细胞膜上的专属离子通道和特异载体，由高浓度越膜向低浓度侧扩散；Na＋、K＋等在细胞膜两侧的浓度梯度，则由Na＋泵的活动来维持。这方面的研究，有助于阐明可兴奋细胞电活动的产生机制，阐明消化管黏膜对营养物质的吸收和肾小管上皮细胞对营养物质的重吸收以及这些物质在体液中的转运机制。

4．人类基因组全序列的测定　1990年国际人类基因组计划（human genome project）启动，2001年2月12日完成并公布了准确、清晰、完整的人类基因组图谱。人类基因组全序列测定工作的主要意义在于：①阐明个体发育与分化的机制；②从基因水平揭示机体的构造和生命活动的本质；③从基因组层面上阐明正常生命活动和疾病状态下的所有基因的变化规律；④通过对遗传结构语言的破译和基因功能的阐明，可直接指导基因产业和医疗卫生工作，并可能改变某些生命现象或合成某些新的物质，进而为人类健康服务。伴随人类基因组计划的完成，现已进入后基因组时代（post－genome era），最终将揭示基因组及其包含的全部基因的功能，以及对基因产物－蛋白质的结构和功能进行研究。通过对蛋白质组的研究，将有助于阐明遗传、发育、进化和各种功能调节等问题。

5．分子内调节　在同一活性多肽的前体分子或活性分子内部的不同片段间，存在着相互调节的现象，这种现象称之为分子内调节（intramolecular regulation）。如肾上腺髓质素（adrenomedullin，ADM），其前体分子由185个氨基酸组成，活性片段是其前体分子中第95位至146位氨基酸组成的肽段，称为ADM1－52，具有舒血管和降压以及利钠利尿的作用。而ADM前体分子N端和C端的两个活性片段，前体ADM22－44和前体ADM153－158又具有不同的作用。前体ADM22－44的作用同ADM1－52，前体ADM153－158不但具有对抗ADM1－52和前体ADM22－44的作用，而且本身还具有强大的收缩血管效应，这一片段称为肾上腺髓质升压素（adrenotensin）。

分子内调节不仅表现在同一前体分子内不同片段之间的相互作用，还表现为同一分子降解产物的反馈效应，如纤维蛋白具有促进凝血的作用，而其降解的片段6A，则可抑制纤维蛋白的促凝作用；降钙素基因相关肽（CGRP）1－37具有强大的舒张血管和降低血压的作用，而它的一个片段CGRP8－37，则可阻断CGRP1－37的降压作用。另外，同一分子、同一肽链，作用于不同的受体亚型可产生相互对抗的作用，如心房钠尿肽作用于A型受体可引起利钠利尿的效应，作用于C型受体，则促进自身的降解，并对抗和减弱同A型受体结合后的作用。内皮素－1作用于A型受体，引起血管收缩、促进血管平滑肌细胞增殖，作用于B型受体，则促进NO的生成，产生舒张血管、抑制血管平滑肌细胞增殖和对抗内皮素－1的作用。又例如血管紧张素Ⅱ作用于Ⅰ型受体，产生缩血管作用，作用于Ⅱ型受体则引起血管舒张的作用。这种同一分子作用于不同受体，产生相互协同或相互对抗的效应，是分子内调节的一种普遍现象，是同一分子自我调节、自我限制的一种重要机制。

分子内调节在体内各种功能活动中是普遍存在的，它是机体自稳态调节的一个重要组成部分，是整体－组织－细胞－分子和基因转录－翻译－翻译后表达系统调节的一个交汇点。分子内调节是机体内调节的发展，可更深刻地揭示体内生理功能的调节和规律。

6．研究不同基因组与其调节下产生的蛋白质间形成的网络联系　在不同的整体功能状态下，体内的基因组成的功能网络的运行变化，各种蛋白质之间的时空关系、发生生物反应的条件、活动的变化和调节的规律等。