Понятие о гомеостазе. Общие закономерности регуляции гомеостаза в живых организмах

Гомеостаз – постоянство внутренней среды живых организмов, которое они поддерживают несмотря на изменение условий окружающей среды.

Гомеостаз в живом организме проявляется в относительном постоянстве таких показателей, как рН, осмотическое давление, химический состав крови, артериальное давление, температура, постоянстве биологических структур.

Необходимость гомеостаза объясняется тем, что все биохимические реакции могут протекать в строго определенных условиях (температура, рН, давление). Французский ученый Клод Бернар писал: «Постоянство внутренней среды – условие независимого существования организма».

Гомеостаз на уровне целостного организма может быть функциональным (постоянство функций) и структурным (постоянство структур).

Постоянство показателей внутренней среды организма носит относительный характер, т.к. всегда имеются небольшие отклонения от нормы. Эти колебания необходимы для того, чтобы служить сигналами для включения регуляторных механизмов.

Механизмы регуляции гомеостаза имеют место на всех уровнях биологической организации: от молекулярно-генетического до организменного. Они многообразны, однако работают слаженно, т.к. контролируются регуляторными системами: нервной, эндокринной, иммунной. Таким образом, механизмы регуляции гомеостаза носят системный характер.

В основе любого заболевания лежит нарушение гомеостаза, а лечение – его восстановление.

Кибернетические основы регуляции гомеостаза

Кибернетика –наука, устанавливающая общие принципы управления саморегулирующимися системами. Живые организмы также являются саморегулирующимися системами, и поэтому к ним применимы все кибернетические понятия и принципы регуляции.

Обратная связь

Блок-схема кибернетической системы.

В основе работы кибернетической системы лежит процесс передачи и обработки информации. В работу системы постоянно вносятся коррективы, характер которых зависит от тех отклонений, которые наблюдаются на входе. Для живых организмов входными сигналами служат пища, вода, свет, звук, температура. Выходные сигналы – реакция органа или ткани, выделение секрета и т.д. Важным элементом кибернетической системы является обратная связь – влияние выходного сигнала на блок управления. Различают отрицательную и положительную обратную связь.

Отрицательная обратная связь – направлена на восстановление исходного состояния кибернетической системы, в случае ее отклонения от нормы.

Пример: работа термостата.

Положительная обратная связь – направлена на усиление возникшего отклонения кибернетической системы от исходного состояния.

Пример: кровотечение из крупного сосуда, рост организма в онтогенезе.

Отличительные особенности нервной и гуморальной регуляции гомеостаза

Нервная регуляция:

– высокая скорость наступления ответной реакции;

– реакция кратковременная;

– реакция носит локальный характер.

Гуморальная регуляция

(обеспечивается выделением в кровь гормонов):

– реакция наступает медленно;

– реакция длительна;

– реакция носит разлитой характер.

Таким образом, обе системы в целостном организме дополняют друг друга.

В основе функционирования нервной и эндокринной систем лежит принцип действия отрицательной обратной связи.

Рассмотрим работу нервной системы на примере регуляции рН крови:

Физическая нагрузка

накопление СО₂

изменение рН

дыхательный центр

межреберные мышцы (учащение дыхания)

понижение СО₂

В качестве сигнала для внесения изменения в работу организма как кибернетической системы служит содержание гормона в крови. Одни железы эндокринной секреции (поджелудочная железа, паращитовидные железы, эпифиз) сами реагируют на содержание гормона, а другие (щитовидная, половые, кора надпочечников) – через переднюю долю гипофиза, которая вырабатывает четыре гормона: соматотропный, тиреотропный, адренокортикотропный, гонадотропный.

Рассмотрим примеры работы эндокринной системы.

Регуляция содержания тироксина в крови:

Снижение тироксина в крови

гипофиз

усиление выработки тиреотропного гормона

усиление функции щитовидной железы

увеличение содержания тироксина

Регуляция осмотического давления плазмы крови:

Повышение потребления воды

снижение осмотического давления плазмы

задняя доля гипофиза

снижение секреции антидиуретического гормона (АДГ)

уменьшение проницаемости дистального извитого канальца

выделение разведенной (обильной) мочи

повышение осмотического давления плазмы

В целостном организме обе регуляторные системы работают слаженно. Интеграция их действия осуществляется в гипоталамусе. Он богат центрами вегетативной нервной системы: терморегуляции, голода, жажды, водно-солевого обмена, половой активности. Здесь же имеются клетки, вырабатывающие нейрогормоны (релизинг-факторы): либерины и статины.

Взаимодействие нервной и эндокринной систем можно рассмотреть на примере стрессовой реакции организма (реакции на сильный или длительный по времени действия раздражитель):

Раздражитель

органы чувств

гипоталамус

либерины

гипофиз

АКТГ

кора надпочечников

стероидные гормоны

изменение функций

повышение сопротивляемости организма

Биологические ритмы

Все живые организмы наряду с пространственной организацией имеют временную характеристику. Деятельность всех систем организма представлена в виде отдельных замкнутых циклов, например, дыхание: вдох – выдох, 12-14 раз в минуту; сердечный цикл: систола – диастола, 0,8 секунд; перистальтика желудка: одно сокращение длится от нескольких десятков минут до 1-1,5 часов. Установлено, что ритмичность протекания многих функций организма находится в тесной связи с колебаниями во внешней среде: смена дня и ночи, времена года, изменение солнечной активности, вращение луны и т.д.