人体生理学/中国科学院大学本科生教材系列

**篇 人体生理学基本原理 人体生理学（human physiology)是生命科学的基础学科之一，是探索人类生命活动规律及其原理的学科。通过学习人体生理学，我们必须建立动物生存与活动的知识体系，这包括机体内环境稳态是细胞生存和完成生理功能的基础；机体的循环、呼吸、消化和泌尿系统联合协同完成内环境稳态；神经和内分泌系统调节这些系统的活动水平实现内环境稳态等。 本篇重点讨论人体生理学在医学与生命科学中的地位，人体生理学研究的策略与方法，细胞环境与机体内环境的稳态，生理状态下机体活动的基本规律，物理学原理在分析生理机能活动中的应用，人体生理活动规律的神经与激素调节等。 **章 人体生理学及其研究内容 人和其他高等动物的机体由不同类型细胞构成的多器官系统所组成，机体对环境信号刺激所做出的反应有赖于这些细胞、器官和系统的功能正常。细胞的正常结构和代谢水平是维持细胞生理功能的基础；细胞功能稳态是器官系统完成功能活动的基础。机体绝大多数细胞生活在体液环境（内环境）中，每个细胞从内环境中获取葡萄糖、氨基酸、脂肪和维生素等营养物质，并将各种代谢产物排入内环境中。要维持细胞结构、代谢和功能的稳态，细胞生活之内环境的物质输入、输出以及生物物理、生物化学特性必须是稳态的。细胞生存的内环境是由循环、呼吸、消化和泌尿等系统协调活动共同维持的。循环系统为内环境中物质的输入、输出提供运输通道；呼吸系统为内环境提供氧气和排出二氧化碳；消化系统为内环境提供细胞合成与代谢所需的葡萄糖、氨基酸、脂肪和维生素等营养物质；泌尿系统排出内环境中细胞代谢产物。 在不同的生理状态下，机体的活动水平会发生适应性的变化。外界环境因素的波动和环境信号刺激会诱导机体做出相应的反应。这时机体内细胞活动和代谢水平也将发生变化。为了满足细胞功能活动的变化，机体内环境的物质输入、输出和理化特性将有适应性的调整，这就要求循环、呼吸、消化和泌尿等系统之功能发生相应的调整。这些过程需要神经和内分泌系统通过反射或反馈调节来完成。因此，生理过程的基本原理是以满足机体细胞的需求和与之适应的内环境稳态为原则，在神经与内分泌系统的反馈调节下通过细胞间和器官系统间相互协调，实现机体对环境信号刺激的反应。这些完善的生理过程是机体进化的产物，通过生命个体的繁衍而延续。因此，生理学就是阐明人和高等动物细胞、器官和系统功能的动态活动规律，内环境相对稳态的维持与调节及其这些动态过程的机制。 **节 人体生理学在生命科学和医学中的重要地位 具备机体生理过程、生理指标及其调节机制的知识框架是认知生命存在和保障健康的基础。对于人和其他高等动物来说，完善的生命个体具有动物属性和植物属性。大脑具有编码感觉、储存信息、执行认知、调节情感反应和控制运动等功能；脊髓起联通脑和躯体的作用；脑和脊髓调控机体对环境因素刺激做出适应性反应，因而决定了生命个体的动物属性。循环、呼吸、消化和泌尿等系统的功能活动维持内环境稳态和正常细胞代谢；内分泌系统调节这些系统的功能，它们构成了生命个体植物样属性。这些系统生理功能和各项生理指标的正常标志着生命个体的完善，是生命存在与维持的基础。更重要的是标志着生命存在与否的生命体征是基于神经系统对刺激的反应（即反射过程）以及心脏与呼吸的节律性活动，这些功能活动是人体生理学的研究内容，因此人体生理学在医学与生命科学中具有极其重要的地位。 学习人体生理学掌握生命个体正常活动规律及其调节原理是了解生命个体维持、防治疾病和保障健康的基础。在外源性和内源性致病因素的作用下，机体内细胞、器官或系统的生理功能与过程会发生紊乱。基于人体生理学知识，我们能够解读和判断机体的器官、系统和内环境是否处于病态，诊断病情的严重程度，即人体生理学是病理生理学和诊断学的基础。疾病的治疗原则就是在消除致病因素的同时把致病因素诱导的机体紊乱调整到生理性稳态。 例如，成年人正常情况下心脏窦性心律是每分钟60～100次均匀的节律性搏动。成年人在清醒状态下心率每分钟低于60次或高于100次分别被称为心动过缓或心动过速；如果心脏搏动节律不均匀则为心律不齐。临床上对其治疗的目的就是要在消除病态心率和心律因素的同时把这些过快/过慢心率和心律不齐调整至正常范围。成年人正常情况下生理性收缩压和舒张压分别是90～140mmHg和60～90mmHg(1mmHg=0.133kPa)。如果收缩压高于140mmHg和（或）舒张压高于90mmHg则为高血压。高血压的治疗原则为消除高血压的病因，如降低血管平滑肌收缩和水钠潴留所致的外周总阻力增加，包括应用肾上腺素受体拮抗药、钙通道阻滞剂、减少肾素-血管紧张素-醛固酮的合成和降低水钠潴留等。 再如，情感障碍性疾病。情感障碍性疾病包括抑郁症、焦虑症和精神分裂症等，这些情感障碍性疾病有病态记忆和认知障碍为特征的行为变化。由于精神与认知障碍是通过行为表现出来的，因此从生理心理学角度认清这些精神障碍的病理生理过程是非常重要的，它通过行为特征清晰诊断，是个性化治疗的基础。例如，抑郁症是由于累积性负性挫败情景记忆导致快感缺失、兴趣丧失和自我评估低下；焦虑症则是恐惧记忆导致对未来事件的负性预测。因此抑郁症和焦虑症均表现为行为的退缩和低下。某些个体或多或少的有负性挫败情景记忆和恐惧记忆，可能表现为抑郁-焦虑的混合。由于焦虑症的治疗原则是神经系统镇静，抑郁症的治疗原则是对正性神经过程的刺激。这两个完全不同的治疗原则要求我们必须清楚地理解抑郁症和焦虑症的病理生理性心理过程，根据它们的行为过程特征，进行明确诊断后实施治疗。另外，精神分裂症患者的阳性病症和体征（幻觉、妄想和躁狂等）与正常群体社会行为相冲突，容易危及社会，其治疗原则是改善精神状态和异常行为，使之与社会群体相适应。 在医学和生命科学教学体系中，人体生理学是一门重要的核心基础理论课程，其在医学和生命科学中的角色类似于理工学科中的物理学。人体生理学以解剖学、组织学、细胞学、生物化学和物理学等学科为基础，是多学科学习的基础。掌握人体生理学的基本理论和研究方法也有助于提升科学思维，提升科学认知和研究的方法与技能。 第二节 人体生理学研究策略 人体生理学概念和原理的早期建立是基于对人与其他哺乳动物的解剖观察，其后在生理学实验研究和临床实践的基础上逐步完善。临床实践与人体生理学实验研究是相辅相成的，两方面研究结果的一致加强了人体生理学概念和原理的形成。一方面，在对患者诊疗过程中，医生们能观察疾病状态下某些脏器的功能低下或者亢进及其在治疗过程中的恢复。这些观察为器官和系统功能的初步判定以及设定实验研究目的提供了依据。例如，各种原因引起的肝脏感染与毒性损伤能导致机体低蛋白血症、脂肪吸收障碍和对毒素敏感等，保肝治疗使得这些异常得以缓解改善。由此判断肝脏的功能与血浆蛋白合成、脂肪消化和毒素分解有关。这为进一步对肝脏功能的实验研究指明了方向。另一方面，各个器官和系统的正常功能所维持的生理性量化指标是临床上治愈患者的明确目标。调查统计显示，90%以上人群的收缩压为90～140mmHg，舒张压为60～90mmHg，胆固醇水平为3.9～6.5mmol/L，血糖水平为3.9～6.1mmol/L。这些人群具有*佳应对环境变化的能力，提示机体处于这些内环境理化因素稳态之下的细胞活动效能*为强大。因此，这些血压、血脂和血糖的范围是医生调整患者异常血压、血脂和血糖的目标范围。 随着时代的发展，实验研究和操作技术的不断进步推动了生理学基本概念和原理的建立与完善。血液在心血管内循环和气体通过肺呼吸概念的建立经历了近两千年的发展。公元前古希腊学者亚里士多德（Aristotle)通过解剖观察逝者和动物尸体的心脏与血管，建立了心脏中心说和动脉-静脉间血液流动。除了发现脑是智慧的发源地外，赫罗菲拉斯（Herophilus)等提出血液由肝脏产生，通过静脉输送到全身。盖伦（Galen)认为在肝脏中食物产生的血液为自然灵气（natural spirit)，当血液流入左心室与肺源性物质结合变成生命灵气（vital spirit)，在大脑中变为动物灵气（animal spirit)。Galen这一理论影响了生理学达千余年之久。古代中医的经脉气血流通理论认为血液和气体是伴行的，这与现代的血液中氧气和二氧化碳运输的观点相一致。16世纪英国医生哈维（Harvey)在多种动物活体中观察了心脏与血管的关系，通过关闭静脉流的实验推论血液并非在血管中来回流动，血液循环是心脏射血进入动脉和静脉血液回流至心脏的不断循环的过程，即现代版血液循环理论。这一推论被同时期的显微解剖学家马尔皮基(Malpighi)观察组织毛细血管内血流所证实。 ―、生理学实验研究策略的原理 在细胞、器官和系统活动规律的研究中，定量改变研究对象生存环境因素，同时观察这些对象的生理效应，这种输入-输出关系类似于数学中变量与函数的关系。生理反应（函数）与环境因素（变量）的统计学相关揭示它们之间存在相关甚至因果关系。例如，在改变心室舒张末期容积的同时检测心室每搏输出量，描绘它们的关系曲线，可以发现心室舒张末期容积与心脏每搏输出量为伴随增加的正相关关系。又如，肺内压与肺容量相伴增加的正相关关系（单位压力引起肺容量变化被称为肺顺应性）。另外，可兴奋细胞产生动作电位后有短暂的不应期，此期内任何刺激不能诱导动作电位，但是随着刺激强度的增加，细胞不应期缩短，即二者为负相关关系。这些实验过程是基于生理学实验研究的因素-效应相关原理。环境因素的改变可以是物理、化学刺激和药物作用。 阐明细胞和器官活动规律的分子机制可以利用分子-细胞、器官生理效应的相关性研究，如果分子与细胞、器官生理效应呈因果关系，分子与细胞、器官生理效应相伴存在，上调分子将增强细胞、器官生理效应，下调分子将削弱细胞、器官生理效应。如在X蛋白分子调节信息储存神经元兴奋性之机制的研究中，完善的实验分析应包括细胞内基因分析和免疫细胞化学分析能否显示X蛋白分子基因和蛋白质在神经元中表达；X蛋白分子基因敲除或基因沉默能否下调神经元的兴奋性；X蛋白分子基因过表达能否上调神经元的兴奋性。X蛋白分子上调和下调实验也可通过应用X蛋白分子的激活剂和抑制剂来完成，即激动剂上调细胞兴奋性，抑制剂下调细胞兴奋性。这些实验结果提示X蛋白分子对神经元兴奋性呈正相关调节。这种相关性分析也可被用于分子与细胞、器官生理效应间的负相关关系的研究。另外，这些原理也可被用于研究行为的分子机制。在检验X蛋白分子是否介导记忆形成的研究中，X蛋白分子基因和蛋白质应当在学习记忆相关脑区表达；X蛋白分子基因敲除或基因沉默阻断学习效率和记忆形成；X蛋白分子基因过表达增强学习记忆效率。基于这些实验结果的结论是X蛋白分子参与学习过程与记忆形成。 生理学实验是根据生理参数设定条件来客观地观察与分析生命过程，尤其是分析单一因素对机体的某种细胞、器官和系统特定功能的影响，进而凝练生理学概念和原理。由于实验可能或多或少地造成机体损害，故生理学实验主要是动物实验。在获得受试者知情同意的情况下，可在人体进行有限的非伤害性试验。由于人类与其他哺乳动物的细胞、器官和系统的结构功能有相似之处，细胞分子在进化和遗传上呈同源保守。因此，基于哺乳动物实验的研究成果演绎推论人体生理功能被广泛釆用与接受。相对于动物神经系统，人脑高级功能有质的和全能的变化，利用动物神经系统的实验结果推断人脑高级功能是局限的。因此推断人体功能活动规律及其机制必须注意到人与其他动物结构功能的差异，不能简单地套用动物实验结果。 二、生理学中动物实验和人体试验 根据实验研究持续的时程，可分为急性和慢性实验；急性动物实验又可分为离体和在体实验。这些实验方法各有优缺点和适用范围。生理学研究实验方法的选择应根据实验研究的特点和实验方法能*大限度地帮助抽提结论。 急性离体实验是从正常动物体内取出待研究器官、组织或细胞，置于维持其正常功能