第一节　生理学的研究任务和方法

一、生理学的研究对象与任务

生理学（physiology）是生物科学的一个分支，是研究动物、植物和微生物等生物体的正常生命活动现象及其功能活动规律的科学。根据研究对象的不同，生理学可分为动物生理学、植物生理学和人体生理学等；按研究对象所处环境的差异，生理学分为太空生理学、高原生理学和潜水生理学等。

人体生理学（human physiology）是研究人体的功能活动及其规律的科学，例如呼吸、循环、消化、肌肉运动等。人体是由细胞、组织、器官和系统组成的结构与功能极其复杂的有机体。人体生理学（以下简称生理学）是重要的医学基础课程，其任务是研究人体及其组成部分所表现的正常生命现象、活动规律、产生机制以及机体内、外环境变化时机体发生的相应调节，揭示各种生理功能在整体生命活动中的意义。

二、生理学的研究方法

生理学是一门实验性科学，其研究方法和知识点的积累均来自实验研究。研究生命活动的规律必然要以活着的机体、器官或组织细胞来进行实验。生理学的研究大多数是先在动物水平开展实验。只有确证对人体健康无损害时，才可以在健康志愿者身上有限进行。由于人与动物的机体在结构和功能上具有诸多相似之处，因此利用动物实验的结果来推测人体生理功能是完全可能的。在进行动物实验时，应根据不同的研究内容选择合适的动物或动物材料。在根据动物实验结果推断人体功能活动规律时，需注意到人与动物结构和功能上的差异。

（一）动物实验

按实验的时间进程，动物实验可分为急性动物实验（acute animal experiment）和慢性动物实验（chronic animal experiment）。

1.急性动物实验

可分为在体实验（experiment in vivo）与离体实验（experiment in vitro）两种方法。

（1）在体实验：

是在动物清醒或麻醉条件下对动物进行手术，暴露某些所需研究的部位，观察和记录某些特定的生理功能及其在人为干预条件下的变化。例如，以动脉插管记录动物的动脉血压，观察神经和体液等因素对血压的影响；以气管插管记录动物的呼吸气流量和同步记录胸廓运动，观察呼吸运动的反射性调节；将玻璃微电极插入动物脑内某些特定部位进行细胞内或细胞外记录，观察相应的生物电变化及其影响因素。在体实验的优点是实验条件相对简单和较易控制，便于进行直接观察和分析。

（2）离体实验：

是将某一器官（如心脏、肾脏等）、某一组织（神经、肌肉等）或某种细胞（如肺泡巨噬细胞、神经胶质细胞等）从动物体内取出或分离出来，置于模拟体内的人工环境中进行实验研究。例如对动物离体心脏和血管进行灌流，可研究某些生物活性物质与药物对心肌和血管平滑肌生物电活动及收缩功能的影响。应用膜片钳技术可观察细胞膜上单个离子通道的电流特性。该方法的优点是能排除无关因素的影响，实验条件易于控制，结果便于分析，更能深入到细胞分子水平进行机制研究。但组织、器官在离体状态下的活动情况不一定完全等同于它们在整体条件下的活动情况。

2.慢性动物实验

以完整、清醒的动物为研究对象，且尽可能保持外界环境接近于自然，以便能在较长时间内反复多次观察和记录某些生理功能的改变。实验前一般需对动物做某些预处理，待动物康复后再进行观察。例如，俄国生理学家巴甫洛夫建立的巴氏小胃用于研究神经和体液因素对胃液分泌的调节。研究某种内分泌功能时，常先摘除动物某个内分泌腺，以便观察该内分泌激素缺乏时以及人为替代后的生理功能改变。该实验方法的优点是保存了各器官的自然联系和相互作用，所获得的结果比较符合整体的生理功能活动。但慢性实验的条件要求高，时间长，受体内各种因素的影响较大，故结果相对不易分析。

近年来，无线遥测技术被引入医学领域，并广泛应用于各种生理信号的采集和研究。无菌条件下，将生理信号无线探测装置经手术植入动物体内，待手术恢复后，可采集并记录动物正常清醒状态下血压、体温、心电图、神经放电及活动度等多种生理信号，观察各种干预因素对所观测信号的影响。这种观测方法被认为较真实地反映了生理情况下，机体各功能参数的变化。

（二）人体实验

由于生命伦理学的制约，人体实验主要进行的是人群资料调查。人体的各种生命体征的正常值，如人体血压、心率、呼吸频率、血细胞数、心电活动和脑电活动正常值或正常表现等都是通过大样本量的采集，加以统计学分析获得的。此外，在确证对人体健康无损害时，经过伦理学委员会的许可，某些实验可以在健康志愿者身上有限进行。

三、生理学研究的不同水平

人体的结构和功能十分复杂，其最基本的结构与功能单位是细胞，许多不同的细胞构成各自的器官；执行某种生理功能的器官相互联系构成不同的器官系统；整个复杂而统一的机体由相互联系、相互制约和相互协调的器官系统构成。因此，在研究机体的生理功能及其产生机制时，必须要从不同的角度进行全方位的思考，即从细胞和分子水平、器官和系统水平以及整体水平研究生理学。

（一）细胞和分子水平

体内各器官系统的功能决定于构成该器官的所有细胞的特性，而细胞和细胞内各亚微结构又由多种大分子构成。故细胞和分子水平的研究在于探讨细胞及其生物大分子的活动规律。例如，骨骼肌收缩时的肌丝滑行过程与机制、心室肌细胞兴奋时膜上蛋白质通道的开放与离子流动；而细胞的生理功能决定于其特殊的基因表达，各种基因的正确表达又受制于多种复杂的因素影响。这一水平的研究一般采用离体实验的方法，所获得的知识和理论现称为细胞和分子生理学。

（二）器官和系统水平

生理学的研究最初即以器官、系统为对象，研究各器官和系统的功能、机制及其调节。例如，以心脏和血管组成的循环系统作为研究对象，了解心脏怎样射血、血液在心血管系统中的流动规律以及神经、体液因素如何保证心脏和血管功能活动的正常等。这一水平的研究及其所获知识和理论称为器官生理学。在临床医疗实践中，医务人员对疾病的认识通常是基于器官和系统的生理学知识。

（三）整体水平

研究在整体水平进行，以完整的机体为研究对象。整体条件下，各个器官、系统之间的相互联系、相互影响和相互协调，保证了机体能在复杂动态的环境中维持正常的生命活动。因此，从细胞和分子水平以及器官和系统水平所获得的对机体的认识最终要在整体水平上进行综合与验证。例如，人在运动时，机体各个器官、系统的功能会随之改变，神经系统调节骨骼肌的收缩，同时呼吸、循环和其他内脏活动以及代谢等都将发生相应变化。

上述三个水平的研究相互联系和补充。无论进行哪种水平的研究，其研究目的都是阐明机体如何进行生命活动，从而实现生理功能。实际上，机体的各种功能活动之间是相互影响、相互协调和相互制约的，并与内、外环境保持着密切联系。因此，研究生理学应从现代生物、心理、社会和环境等多方面去认识生物变量的变化及其意义。近年来，生理学和医学界越来越注重转化性研究，即研究怎样将分子、细胞水平的研究成果更快更好地用于解决医学问题和促进健康，同时将医学和人类健康方面的问题从分子、细胞和器官等各个水平进行深入研究，这门新兴学科称为转化医学（translational medicine）。而承担着将分子生物学、细胞生物学等基础学科与临床医学、健康科学进行全方位系统研究的学科则称为整合生理学（integrative physiology）。

四、生理学与医学的关系

生理学与医学关系密切。人类在长期与疾病做斗争的过程中，观察、分析、总结和积累了关于人体正常功能的知识，逐渐形成了人体生理学的概念。19世纪法国著名的生理学家Claude Benard曾说过：医学是关于疾病的科学，生理学是关于生命的科学，故后者比前者更具有普遍性，因而生理学必然是医学的科学基础。在自然科学的最高奖诺贝尔奖中就设有“生理学或医学”奖。

生理学以人体解剖学、组织学为基础，同时也是学好药理学和病理学等后续基础医学课程以及临床课程的必修课程，起着承前启后的作用。在医学发展进程中，生理学的研究为现代医学提供了重要的科学理论基础，而对疾病过程与治疗的研究又促进了人们对生理功能的理解。一个优秀的医学人才，只有在了解正常人体功能的基础上，才能理解在病理状态下身体某个或某些器官组织发生的功能变化及其原因以及对其他器官的影响，力求治愈疾病，恢复机体的生理功能。同时，掌握好生理学的基本理论、知识和方法既有助于正确认识疾病，其严密的逻辑思维方式又利于解决复杂的临床问题。因此，生理学被称为生命的逻辑（logic of life）。