Руководство по физиологии том возрастная физиология

М. М. Безруких, В. Д. Сонькин, Д. А. Фарбер

Возрастная физиология: (Физиология развития ребенка)

Учебное пособие

Для студентов высших педагогических учебных заведений

Рецензенты:

доктор биологических наук, зав. кафедрой высшей нервной деятельности и психофизиологии Санкт-Петербургского университета, академик РАО, профессор А. С. Батуев;

доктор биологических наук, профессор И. А. Корниенко

ПРЕДИСЛОВИЕ

Выяснение закономерностей развития ребенка, специфики функционирования физиологических систем на разных этапах онтогенеза и механизмов, эту специфику определяющих, является необходимым условием обеспечения нормального физического и психического развития подрастающего поколения.

Главные вопросы, которые должны возникать у родителей, педагогов и психологов в процессе воспитания и обучения ребенка дома, в детском саду или в школе, на консультативном приеме или индивидуальных занятиях, — это какой он, каковы его особенности, какой вариант занятий с ним будет наиболее эффективным. Ответить на эти вопросы совсем не просто, ибо для этого требуются глубокие знания о ребенке, закономерностях его развития, возрастных и индивидуальных особенностях. Эти знания чрезвычайно важны и для разработки психофизиологических основ организации учебной работы, выработки у ребенка механизмов адаптации, определения влияния на него инновационных технологий и т.  п.

Пожалуй, впервые значимость комплексного знания физиологии и психологии для педагога и воспитателя выделил известный русский педагог К. Д. Ушинский в своем труде «Человек как предмет воспитания» (1876).

«Искусство воспитания, — писал К. Д. Ушинский, — имеет ту особенность, что почти всем оно кажется делом знакомым и понятным, а иным даже — делом легким, — и тем понятнее и легче кажется оно, чем менее человек с ним знаком теоретически и практически. Почти все признают, что воспитание требует терпения; некоторые думают, что для него нужны врожденная способность и умение, т.  е. навык; но весьма немногие пришли к убеждению, что, кроме терпения, врожденной способности и навыка необходимы еще и специальные знания, хотя многочисленные блуждания наши и могли бы всех убедить в этом». Именно К. Д. Ушинский показал, что физиология относится к числу тех наук, в которых «излагаются, сличаются и группируются факты и те соотношения фактов, в которых обнаруживаются свойства предмета воспитания, т.  е. человека». Анализируя физиологические знания, которые были известны, а это было время становления возрастной физиологии, К. Д. Ушинский подчеркивал: «Из этого источника, только что открывающегося, воспитание почти еще не черпало». К сожалению, и сейчас мы не можем говорить о широком использовании данных возрастной физиологии в педагогической науке. Единообразие программ, методик, учебников ушло в прошлое, но педагог по-прежнему мало учитывает возрастные и индивидуальные особенности ребенка в процессе обучения.

В то же время педагогическая эффективность процесса обучения во многом зависит от того, насколько формы и методы педагогического воздействия адекватны возрастным физиологическим и психофизиологическим особенностям школьников, соответствуют ли условия организации учебного процесса возможностям детей и подростков, учитываются ли психофизиологические закономерности формирования базисных школьных навыков — письма и чтения, а также основных двигательных навыков в процессе занятий.

Юрий Савченков, Ольга Солдатова, Сергей Шилов
Возрастная физиология (физиологические особенности детей и подростков). Учебник для вузов

Рецензенты:

Ковалевский В. А., д.м.н., профессор, заведующий кафедрой психологии детства Красноярского государственного педагогического университета им. В. П. Астафьева,

Манчук В. Т., д.м.н., член-корр. РАМН, профессор кафедры поликлинической педиатрии КрасГМУ, директор НИИ медицинских проблем севера СО РАМН

© Коллектив авторов, 2013

© ООО «Гуманитарный издательский центр ВЛАДОС», 2013

Введение

Организм ребенка – чрезвычайно сложная и в то же время очень ранимая социально-биологическая система. Именно в детском возрасте закладываются основы здоровья будущего взрослого человека. Адекватная оценка физического развития ребенка возможна лишь при учете особенностей соответствующего возрастного периода, сопоставления показателей жизнедеятельности данного ребенка с нормативами его возрастной группы.

Возрастная физиология изучает функциональные особенности индивидуального развития организма в течение всей его жизни. На основе данных этой науки разрабатываются методы обучения, воспитания и охраны здоровья детей. В случае несоответствия методов воспитания и обучения возможностям организма на каком-либо этапе развития, рекомендации могут оказаться малоэффективными, вызвать негативное отношение ребенка к учебе и даже спровоцировать различные заболевания.

По мере роста и развития ребенка почти все физиологические параметры претерпевают значительные изменения: меняются показатели крови, деятельность сердечно-сосудистой системы, дыхания, пищеварения и т. д. Знания различных физиологических параметров, характерных для каждого возрастного периода, необходимы для оценки развития здорового ребенка.

В предлагаемом издании обобщены и классифицированы по системам особенности возрастной динамики основных физиологических параметров здоровых детей всех возрастных групп.

Пособие по возрастной физиологии представляет собой дополнительный учебный материал по физиологическим особенностям детей разного возраста, необходимый для усвоения студентами, которые обучаются в педагогических высших и средних специальных учебных заведениях и уже знакомы с общим курсом физиологии и анатомии человека.

В каждом разделе книги дается краткое описание основных направлений онтогенеза показателей конкретной физиологической системы. В данном варианте пособия существенно расширены разделы «Возрастные особенности высшей нервной деятельности и психических функций», «Возрастные особенности эндокринных функций», «Возрастные особенности терморегуляции и обмена веществ».

Эта книга содержит описания многочисленных физиологических и биохимических показателей и будет полезной в практической работе не только будущих педагогов, дефектологов, детских психологов, но и будущих педиатров, а также уже работающих молодых специалистов и старшеклассников, желающих пополнить свои знания о физиологических особенностях детского организма.

Глава 1
Возрастная периодизация

Закономерности роста и развития детского организма. Возрастные периоды развития ребенка

Ребенок – это не взрослый в миниатюре, а организм, для каждого возраста относительно совершенный, со своими морфологическими и функциональными особенностями, для которых закономерна динамика их течения от рождения до половой зрелости.

Организм ребенка – чрезвычайно сложная и в то же время очень ранимая социально-биологическая система. Именно в детском возрасте закладываются основы здоровья будущего взрослого человека. Адекватная оценка физического развития ребенка возможна лишь при учете особенностей соответствующего возрастного периода, сопоставления показателей жизнедеятельности конкретного ребенка с нормативами его возрастной группы.

Рост и развитие часто употребляются как тождественные понятия. Между тем их биологическая природа (механизм и последствия) различна.

Развитие представляет собой процесс количественных и качественных изменений в организме человека, сопровождающийся повышением уровня его сложности. Развитие включает в себя три основных взаимосвязанных фактора: рост, дифференцировку органов и тканей и формообразование.

Рост – это количественный процесс, характеризующийся увеличением массы организма за счет изменения числа клеток и их размеров.

Дифференцировка – это появление специализированных структур нового качества из малоспециализированных клеток-предшественниц. Например, нервная клетка, закладывающаяся в составе нервной трубки эмбриона (зародыша), потенциально может выполнять любую нервную функцию. Если нейрон, мигрирующий в зрительную область головного мозга, пересадить в область, ответственную за слух, он превратится не в зрительный, а в слуховой нейрон.

Формообразование – это приобретение организмом присущих ему форм. Например, ушная раковина приобретает форму, присущую взрослому человеку, к 12 годам.

В тех случаях, когда во множестве различных тканей организма одновременно происходят интенсивные ростовые процессы, отмечают так называемые скачки роста. Это проявляется в резком увеличении продольных размеров тела за счет увеличения длины туловища и конечностей. В постнатальный период онтогенеза человека такие «скачки» наиболее выражены:

в первый год жизни, когда происходит полуторакратное увеличение длины и трех-четырехкратное увеличение массы тела;

в возрасте 5–6 лет, когда преимущественно за счет роста конечностей ребенок достигает примерно 70 % длины тела взрослого человека;

13–15 лет – пубертатный скачок роста за счет увеличения длины тела и конечностей.

Развитие организма с момента рождения и до наступления зрелости происходит в постоянно меняющихся условиях внешней среды. Поэтому развитие организма носит адаптивный, или приспособительный, характер.

Для обеспечения приспособительного результата различные функциональные системы созревают неодновременно и неравномерно, включаясь и сменяя друг друга в разные периоды онтогенеза. В этом заключается суть одного из определяющих принципов индивидуального развития организма – принципа гетерохронии, или неодновременного созревания органов и систем и даже частей одного и того же органа.

Сроки созревания различных органов и систем зависят от их значимости для жизни организма. Быстрее растут и развиваются те органы и функциональные системы, которые являются наиболее жизненно важными на данном этапе развития. За счет объединения отдельных элементов того или иного органа с наиболее рано созревающими элементами другого органа, принимающего участие в реализации той же функции, осуществляется минимальное обеспечение жизненно важных функций, достаточное для определенного этапа развития. Например, для обеспечения приема пищи к моменту рождения из лицевых мышц первой созревает круговая мышца рта; из шейных – мышцы, отвечающие за поворот головы; из рецепторов языка – рецепторы, расположенные у его корня. К этому же времени созревают механизмы, отвечающие за координацию дыхательных и глотательных движений и обеспечивающие непопадание молока в дыхательные пути. Тем самым обеспечиваются необходимые действия, связанные с питанием новорожденного: захват и удержание соска, сосательные движения, направление пищи по соответствующим путям. Вкусовые ощущения передаются через рецепторы языка.

Приспособительный характер гетерохронного развития систем организма отражает еще один из общих принципов развития – надежность функционирования биологических систем. Под надежностью биологической системы понимается такой уровень организации и регуляции процессов, который способен обеспечить жизнедеятельность организма в экстремальных условиях. Она базируется на таких свойствах живой системы, как избыточность элементов, их дублирование и взаимозаменяемость, быстрота возврата к относительному постоянству и динамичность отдельных звеньев системы. Примером избыточности элементов может являться тот факт, что в период внутриутробного развития в яичниках закладывается от 4000 до 200 000 первичных фолликулов, из которых в дальнейшем образуются яйцеклетки, а за весь репродуктивный период созревает только 500–600 фолликулов.

Механизмы обеспечения биологической надежности существенно изменяются в ходе онтогенеза. На ранних этапах постнатальной жизни надежность обеспечивается генетически запрограммированным объединением звеньев функциональных систем. В ходе развития по мере созревания коры головного мозга, обеспечивающей высший уровень регуляции и контроля функций, возрастает пластичность связей. Благодаря этому происходит избирательное формирование функциональных систем в соответствии с конкретной ситуацией.

Другой важной особенностью индивидуального развития детского организма является наличие периодов высокой чувствительности отдельных органов и систем к воздействию факторов среды – сенситивных периодов. Это периоды, когда система быстро развивается и ей необходим приток адекватной информации. Например, для зрительной системы адекватной информацией являются кванты света, для слуховой системы – звуковые волны. Отсутствие или дефицит такой информации приводит к отрицательным последствиям, вплоть до несформированности той или иной функции.

Следует обратить внимание на то, что онтогенетическое развитие сочетает периоды эволюционного, или постепенного, морфофункционального созревания и периоды революционных, переломных скачков развития, связанных как с внутренними (биологическими), так и с внешними (социальными) факторами. Это так называемые критические периоды. Несоответствие средовых воздействий особенностям и функциональным возможностям организма на этих этапах развития может иметь пагубные последствия.

Первым критическим периодом принято считать этап раннего постнатального развития (до 3 лет), когда происходит наиболее интенсивное морфофункциональное созревание. В процессе дальнейшего развития критические периоды возникают в результате резкой смены социально-средовых факторов и их взаимодействия с процессами морфофункционального созревания. Такими периодами являются:

возраст начала обучения (6–8 лет), когда качественная перестройка морфофункциональной организации головного мозга приходится на период резкой смены социальных условий;

начало полового созревания – пубертатный период (у девочек – 11–12 лет, у мальчиков -13–14 лет), который характеризуется резким повышением активности центрального звена эндокринной системы – гипоталамуса. В результате происходит значительное снижение эффективности корковой регуляции, определяющей произвольную регуляцию и саморегуляцию. Между тем именно в это время повышаются социальные требования к подростку, что иногда приводит к несоответствию предъявляемых требований и функциональных возможностей организма, следствием чего может быть нарушение физического и психического здоровья ребенка.

Возрастная периодизация онтогенеза растущего организма. Выделяют два основных периода онтогенеза: антенатальный и постнатальный. Антенатальный период представлен эмбриональным периодом (от зачатия до восьмой недели внутриутробного периода) и плодным (от девятой до сороковой недели). Обычно беременность продолжается 38–42 недели. Постнатальный период охватывает промежуток от рождения до естественной смерти человека. Согласно возрастной периодизации, принятой на специальном симпозиуме в 1965 г., в постнатальном развитии детского организма выделяют следующие периоды:

новорожденный (1–30 дней);

грудной (30 дней – 1 год);

раннее детство (1–3 года);

первое детство (4–7 лет);

второе детство (8–12 лет – мальчики, 8–11 лет – девочки);

подростковый (13–16 лет – мальчики, 12–15 лет – девочки);

юношеский (17–21 год юноши, 16–20 лет – девушки).

Рассматривая вопросы возрастной периодизации, необходимо иметь в виду, что границы этапов развития весьма условны. Все возрастные структурно-функциональные изменения в организме человека происходят под влиянием наследственности и условий внешней среды, т. е. зависят от конкретных этнических, климатических, социальных и других факторов.

Наследственность определяет потенциальные возможности физического и умственного развития индивидуума. Так, например, с особенностями генотипа связана низкорослость африканских пигмеев (125–150 см) и высокорослость представителей племени ватусси. Однако в каждой группе встречаются индивидуумы, у которых этот показатель может значительно отличаться от средней возрастной нормы. Отклонения могут возникать вследствие воздействия на организм различных факторов внешней среды, таких, как питание, эмоциональные и социально-экономические факторы, положение ребенка в семье, взаимоотношения с родителями и сверстниками, уровень культуры общества. Эти факторы могут нарушать рост и развитие ребенка, а могут и наоборот, стимулировать их. Поэтому показатели роста и развития детей одного календарного возраста могут в значительной степени различаться. Общепринято формирование групп детей в дошкольных учреждениях и классов в общеобразовательных школах по календарному возрасту. В связи с этим воспитатель и педагог должны учитывать индивидуальные психофизиологические особенности развития.

Задержка роста и развития, называемая ретардацией, или опережающее развитие – акселерация – свидетельствуют о необходимости определять биологический возраст ребенка. Биологический возраст, или возраст развития отражает рост, развитие, созревание, старение организма и определяется совокупностью структурных, функциональных и приспособительных особенностей организма.

Биологический возраст определяется по ряду показателей морфологической и физиологической зрелости:

по пропорциям тела (соотношению длины туловища и конечностей);

степени развития вторичных половых признаков;

скелетной зрелости (порядок и сроки окостенения скелета);

зубной зрелости (сроки прорезывания молочных и коренных зубов);

уровню обмена веществ;

особенностям сердечно-сосудистой, дыхательной, нейроэндокринной и других систем.

При определении биологического возраста учитывается также уровень психического развития индивида. Все показатели сопоставляются со стандартными показателями, характерными для данной возрастной, половой и этнической группы. При этом для каждого возрастного периода важно учитывать наиболее информативные показатели. Например, в пубертатном периоде – нейроэндокринные изменения и развитие вторичных половых признаков.

Для упрощения и стандартизации среднего возраста организованной группы детей принято считать возраст ребенка равным 1 месяцу, если его календарный возраст находится в интервале от 16 дней до 1 месяца 15 дней; равным 2 месяцам – если его возраст от 1 месяца 16 дней до 2 месяцев 15 дней и т. д. После первого года жизни и до 3 лет: к 1,5 годам относят ребенка с возрастом от 1 года 3 месяцев до 1 года 8 месяцев и 29 дней, к втором годам – от 1 года 9 месяцев до 2 лет 2 месяцев 29 дней и т. д. После 3 лет с годичными интервалами: к 4 годам относятся дети в возрасте от 3 лет 6 месяцев до 4 лет 5 месяцев 29 дней и т. д.

Глава 2
Возбудимые ткани

Возрастные изменения структуры нейрона, нервного волокна и нервно-мышечного синапса

Различные типы нервных клеток в онтогенезе созревают гетерохронно. Наиболее рано, еще в эмбриональном периоде, созревают крупные афферентные и эфферентные нейроны. Мелкие клетки (интернейроны) созревают постепенно в период постнатального онтогенеза под действием средовых факторов.

Отдельные части нейрона также созревают не одновременно. Дендриты вырастают значительно позже аксона. Их развитие происходит только после рождения ребенка и в значительной мере зависит от притока внешней информации. Число ветвлений дендрита и количество шипиков растет пропорционально числу функциональных связей. Наиболее разветвленную сеть дендритов с большим количеством шипиков имеют нейроны коры головного мозга.

Миелинизация аксонов начинается еще в период внутриутробного развития и происходит в следующем порядке. Раньше всего покрываются миелиновой оболочкой периферические волокна, затем волокна спинного мозга, ствола мозга (продолговатый и средний мозг), мозжечка и последними – волокна коры головного мозга. В спинном мозге двигательные волокна миелинизируются раньше (к 3–6 месяцам жизни), чем чувствительные (к 1,5–2 годам). Миелинизация волокон головного мозга происходит в другой последовательности. Здесь раньше других миелинизируются чувствительные волокна и сенсорные области, тогда как двигательные – только через 6 месяцев после рождения, а то и позже. В основном миелинизация завершается к 3 годам, хотя рост миелиновой оболочки продолжается приблизительно до 9–10 лет.

Возрастные изменения затрагивают и синаптический аппарат. С возрастом в синапсах повышается интенсивность образования медиаторов, возрастает количество рецепторов постсинаптической мембраны, которые реагируют на эти медиаторы. Соответственно по мере развития увеличивается скорость проведения импульсов через синапсы. Приток внешней информации определяет количество синапсов. В первую очередь формируются синапсы спинного мозга, а затем других отделов нервной системы. Причем, сначала созревают возбудительные синапсы, потом тормозные. Именно с созреванием тормозных синапсов связано усложнение процессов переработки информации.

Глава 3
Физиология центральной нервной системы

Анатомо-физиологические особенности созревания спинного и головного мозга

Спинной мозг заполняет полость позвоночного канала и имеет соответствующее сегментарное строение. В центре спинного мозга расположено серое вещество (скопление тел нервных клеток), окруженное белым веществом (скоплением нервных волокон). Спинной мозг обеспечивает двигательные реакции туловища и конечностей, некоторые вегетативные рефлексы (тонус сосудов, мочеиспускание и др.) и проводниковую функцию, т. к. через него проходят все чувствительные (восходящие) и двигательные (нисходящие) пути, по которым устанавливается связь между различными частями ЦНС.

Спинной мозг развивается раньше, чем головной мозг. На ранних стадиях развития плода спинной мозг заполняет всю полость позвоночного канала, а затем начинает отставать в росте и к моменту рождения заканчивается на уровне третьего поясничного позвонка.

К концу первого года жизни спинной мозг занимает такое же положение в позвоночном канале, как и у взрослых (на уровне первого поясничного позвонка). При этом сегменты грудного отдела спинного мозга растут быстрее, чем сегменты поясничного и крестцового отделов. В толщину спинной мозг растет медленно. Наиболее интенсивное увеличение массы спинного мозга происходит к 3 годам (в 4 раза), а к 20 годам его масса становится как у взрослого человека (в 8 раз больше, чем у новорожденного). Миелинизация нервных волокон спинного мозга начинается с двигательных нервов.

К моменту рождения продолговатый мозг и мост уже сформированы. Хотя созревание ядер продолговатого мозга продолжается до 7 лет. Отличается от взрослых и расположение моста. У новорожденных мост находится несколько выше, чем у взрослых. Это различие исчезает к 5 годам.

Мозжечок у новорожденных еще недоразвит. Усиленный рост и развитие мозжечка наблюдается на первом году жизни и в период полового созревания. Миелинизация его волокон заканчивается примерно к 6 месяцам жизни. Полное же формирование клеточных структур мозжечка осуществляется к 7–8 годам, а к 15–16 годам его размеры соответствуют уровню взрослого.

Форма и строение среднего мозга у новорожденного почти не отличается от взрослого. Постнатальный период созревания структур среднего мозга сопровождается в основном пигментацией красного ядра и черной субстанции. Пигментация нейронов красного ядра начинается с двухлетнего возраста и заканчивается к 4 годам. Пигментация нейронов черной субстанции начинается с шестого месяца жизни и достигает максимума к 16 годам.

К промежуточному мозгу относятся две важнейшие структуры: таламус или зрительный бугор, и подбугровую область – гипоталамус. Морфологическое разграничение этих структур происходит на третьем месяце внутриутробного развития.

Таламус – многоядерное образование, связанное с корой больших полушарий. Через его ядра в соответствующие ассоциативные и сенсорные зоны коры головного мозга передается зрительная, слуховая и соматосенсорная информация. Ядра ретикулярной формации промежуточного мозга активируют нейроны коры, воспринимающие эту информацию. К моменту рождения большая часть его ядер хорошо развита. Усиленный рост таламуса имеет место в четырехлетнем возрасте. Размеров взрослого таламус достигает к 13 годам.

Гипоталамус, несмотря на свои небольшие размеры, содержит десятки высокодифференцированных ядер и регулирует большинство вегетативных функций, таких, как поддержание температуры тела, водного баланса. Ядра гипоталамуса участвуют во многих сложных поведенческих реакциях: полового влечения, чувства голода, насыщения, жажды, страха и ярости. Кроме того, через гипофиз гипоталамус управляет работой желез внутренней секреции, а вещества, образующиеся в нейросекреторных клетках самого гипоталамуса, участвуют в регуляции цикла «сон – бодрствование». Ядра гипоталамуса созревают в основном к 2–3 годам, хотя дифференциация клеток некоторых его структур продолжается до 15–17 лет.

Наиболее интенсивная миелинизация волокон, увеличение толщины коры головного мозга и ее слоев происходит на первом году жизни, постепенно замедляясь и прекращаясь к 3 годам в проекционных и к 7 годам в ассоциативных областях. Сначала созревают нижние слои коры, затем верхние. К концу первого года жизни как структурная единица коры головного мозга выделяются ансамбли нейронов, или колонки, усложнение которых продолжается до 18 лет. Наиболее интенсивная дифференцировка вставочных нейронов коры происходит в возрасте от 3 до 6 лет, достигая максимума к 14 годам. Полного структурно-функционального созревания кора мозга достигает примерно к 20 годам.