Понятие о физиологической регуляции

Лекция 1

ОРГАНИЗМ – САМООРГАНИЗУЮЩАЯСЯ СИСТЕМА

План:

1. Понятие о системе. 1

2. Биологические системы.. 2

3. Понятие о физиологической регуляции. 5

Понятие о системе

Греческое слово «systema» означает «целое». Весь окружающий нас мир состоит из систем. Это атомы и галактики, молекулы и живой организм, звездные и социальные системы. Система – это совокупность взаимосвязанных элементов. То, из чего образованы системы, называется элементом, до тех пор, пока он имеет какую-либо связь с системой. Взаимосвязь элементов системы обуславливает ее целостность. Если элемент системы теряет связь с системой, то он превращается в новую систему. Точно так же, как и другая часть системы превращается в новую систему.

Все системы имеют свои элементы. У атома это ядро и электроны, у человека множество органов, составляющих его тело. Каждый орган представляет собой элемент, в то время как тело человека представляет собой систему. Каждый отдельный человек представляет собой элемент семьи, а в целом это социальная система.

Первой и очень большой группой систем является группа неживых, или абиотических систем. Эта группа систем является первой потому, что все живое в конечном счете состоит из неживых систем. Иначе говоря, мертвая природа лежит в основе живой. К этой группе систем относится множество космических образований и множество различных систем микромира. Это атомы, молекулы и более крупные предметы, образованные сочетанием неживых систем.

Второй группой является большая совокупность живых, или биологических систем. Живые системы представляют собой частный случай неживого мира. Всю совокупность живых систем можно разделить на множество групп, в зависимости от целей исследования. К живым системам, в частности, относятся информационные и социальные системы.

Классифицировать и распознавать системы, правильно определять их природу можно только при наличии некоторого измерительного инструмента. Таким инструментом является пространство и время.

Для исследования систем мы берем за основу внутреннее пространство системы и собственно ее время. И по этим параметрам пытаемся классифицировать системы, определить их свойства. Эти два параметра реального мира являются наиболее общими. С одной стороны, они охватывают все виды систем и в любом их сочетании, с другой стороны, они отражают все разнообразие систем и малейшее их различие.

Все известные в природе системы, подлежат измерению в других аспектах. Во-первых, это пространство системы, и, во-вторых, это время жизни системы.Таким образом, всякая система имеет собственное пространство и время.Именно эта особенность систем и позволяет нам произвести их измерения, оценку, сопоставление и классификацию.

 

Биологические системы

Мир живых существ, включая человека, представлен биологическими (живыми) системами различной структурной организации и разного уровня соподчинения, или согласованности. Биологические системы – это объекты различной сложности, имеющие несколько уровней структурно-функциональной организации и представляющие собой совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов. Примерами биологических систем являются: клетка, ткани, органы, организмы, популяции, виды, биоценозы, экосистемы разных рангов и биосфера. Элементарной биологической системой, т.е. системой самого низшего ранга, является клетка, т.к. нет систем еще более низкого ранга, которые бы обладали всей совокупностью признаков, присущих биологическим системам.

Человек занимает особое место среди систем, он не только живет в мире систем, но и сам является системой, персонифицированной составляющей природы. Несмотря на уникальное свойство человека – разум, он живет по законам природы, имеет такие же способы, законы функционирования как вся природа, представляя из себя сложную физико-химико-биологическую систему саморегуляции. Его «системность» многогранна и, например, проявляется в его деятельности в процессе создания технических, организационных и социальных систем и пронизывает все сферы его жизни.

Рассмотрим признаки биологических систем, т.е. критерии, отличающие биологические системы от объектов неживой природы, и основные характеристики процессов жизнедеятельности, выделяющие живое вещество в особую форму существования материи.

Признаки биологических систем:

1. Единство химического состава. В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в объекты неживой природы. Однако соотношение различных элементов в живом и неживом неодинаково. В неживой природе самыми распространенными элементами являются кремний, железо, магний, алюминий, кислород. В живых же организмах 98% элементарного (атомного) состава приходится на долю всего четырех элементов: углерода, кислорода, азота и водорода.

2. Обмен веществ. К обмену веществ с окружающей средой способны все живые организмы. Они поглощают из среды элементы питания и выделяют продукты жизнедеятельности. В неживой природе также существует обмен веществами, однако при небиологическом круговороте они просто переносятся с одного места на другое или меняют свое агрегатное состояние: например, смыв почвы, превращение воды в пар или лед и др. У живых же организмов обмен веществ имеет качественно иной уровень. В круговороте органических веществ самыми существенными являются процессы синтеза и распада, в результате которых сложные вещества распадаются на более простые и выделяется энергия, необходимая для реакций синтеза новых сложных веществ. Обмен веществ обеспечивает относительное постоянство химического состава всех частей организма и как следствие – постоянство их функционирования в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды.

3. Самовоспроизведение (репродукция, размножение) – свойство организмов воспроизводить себе подобных. Процесс самовоспроизведения осуществляется практически на всех уровнях жизни. Существование каждой отдельно взятой биологической системы ограничено во времени, поэтому поддержание жизни связано с самовоспроизведением. В основе самовоспроизведения лежит образование новых молекул и структур, обусловленное информацией, заложенной в нуклеиновой кислоте – ДНК, которая находится в родительских клетках.

4. Наследственность – способность организмов передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение. Наследственность обеспечивается стабильностью ДНК и воспроизведением ее химического строения с высокой точностью. Материальными структурами наследственности, передаваемыми от родителей потомкам, являются хромосомы и гены.

5. Изменчивость – способность организмов приобретать новые признаки и свойства; в ее основе лежат изменения материальных структур наследственности. Это свойство как бы противоположно наследственности, но вместе с тем тесно связано с ней. Изменчивость поставляет разнообразный материал для отбора особей, наиболее приспособленных к конкретным условиям существования, что, в свою очередь, приводит к появлению новых форм жизни, новых видов организмов.

6. Рост и развитие. Способность к развитию – всеобщее свойство материи. Под развитием понимают необратимое направленное закономерное изменение объектов живой и неживой природы. В результате развития возникает новое качественное состояние объекта, изменяется его состав или структура. Развитие живой формы материи представлено индивидуальным развитием (онтогенезом) и историческим развитием (филогенезом). Филогенез всего органического мира называют эволюцией. На протяжении онтогенеза постепенно и последовательно проявляются индивидуальные свойства организмов. В основе этого лежит поэтапная реализация наследственных программ. Индивидуальное развитие часто сопровождается ростом – увеличением линейных размеров и массы всей особи и ее отдельных органов за счет увеличения размеров и количества клеток. Историческое развитие сопровождается образование новых видов и прогрессивным усложнением жизни. В результате эволюции возникло все многообразие живых организмов на Земле.

7. Раздражимость – это специфические избирательные ответные реакции организмов на изменения окружающей среды. Всякое изменение окружающих организм условий представляет собой по отношению к нему раздражение, а его ответная реакция является проявлением раздражимости. Отвечая на воздействия факторов среды, организмы взаимодействуют с ней и приспосабливаются к ней, что помогает им выжить. Реакции многоклеточных животных на раздражители, осуществляемые и контролируемые центральной нервной системой, называются рефлексами. Организмы, не имеющие нервной системы, лишены рефлексов, и их реакции выражаются в изменении характера движения (таксисы) или роста (тропизмы).

8. Дискретность (от лат. discretus – разделенный). Любая биологическая система состоит из отдельных изолированных, то есть обособленных или отграниченных в пространстве, но тем не менее, тесно связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих структурно-функциональное единство. Так, любая особь состоит из отдельных клеток с их особыми свойствами, а в клетках также дискретно представлены органоиды и другие внутриклеточные образования. Дискретность строения организма – основа его структурной упорядоченности. Она создает возможность постоянного самообновления системы путем замены износившихся структурных элементов без прекращения функционирования всей системы в целом.

9. Саморегуляция (авторегуляция) – способность живых организмов поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность физиологических процессов (гомеостаз). Саморегуляция осуществляется благодаря деятельности нервной, эндокринной и некоторых других регуляторных систем. Сигналом для включения той или иной регуляторной системы может быть изменение концентрации какого-либо вещества или состояния какой-либо системы.

10. Ритмичность– свойство, присущее как живой, так и неживой природе. Оно обусловлено различными космическими и планетарными причинами: вращением Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси, фазами Луны и т.д. Ритмичность проявляется в периодических изменениях интенсивности физиологических функций и формообразовательных процессов через определенные равные промежутки времени. Хорошо известны суточные ритмы сна и бодрствования у человека, сезонные ритмы активности и спячки у некоторых млекопитающих и многие другие. Ритмичность направлена на согласование функций организма с периодически меняющимися условиями жизни.

11. Энергозависимость. Биологические системы являются «открытыми» для поступления энергии. Под «открытыми» понимают динамические, т.е. не находящиеся в состоянии покоя системы, устойчивые лишь при условии непрерывного доступа к ним веществ и энергии извне. Живые организмы существуют до тех пор, пока в них поступают из окружающей среды энергия и вещества в виде пищи. В большинстве случаев организмы используют энергию Солнца: одни непосредственно – это фотоавтотрофы (зеленые растения и цианобактерии), другие опосредованно, в виде органических веществ потребляемой пищи, – это гетеротрофы (животные, грибы и бактерии).

Таким образом, биологические системы резко отличаются от объектов неживой природы своей исключительной сложностью и высокой структурной и функциональной упорядоченностью. Эти отличия придают жизни качественно новые свойства. Живое представляет собой особую ступень развития материи. Характеризуя жизнь как явление, следует учитывать ее разнообразие и многокачественность, поскольку она представлена на нашей планете биологическими системами различной сложности.

 

Понятие о физиологической регуляции

Регуляция – один из важнейших процессов в живом организме. Регуляция – это совокупность действий, производимых над органами или системами, направленных на достижение определенной цели или положительного результата. Под регуляцией можно также понимать управление деятельностью органа, который работает в автономном режиме (обладает свойством автоматии). Регуляция может проявляться в двух вариантах: торможение или активация (стимуляция) деятельности органа.

И.П. Павлов говорил, что живой организм представляет собой сложную обособленную систему, внутренние силы которой постоянно уравновешиваются с внешними силами окружающей среды. Таким образом, вся жизнь организмов «... есть длинный ряд все усложняющихся до высочайшей степени уравновешиваний». В основе уравновешивания лежат процессы регуляции, управления физиологическими функциями.

Процессы регуляции охватывают все уровни организации системы: молекулярный, субклеточный, клеточный, органный, системный, организменный, надорганизменный (популяционный, экосистемный, биосферный).

Управление в живых организмах осуществляется управляющей системой. Она включает сенсорные рецепторы (на входе), рецепторы исполнительных структур (на выходе), каналы связи (жидкие среды организма и нервные проводники), а также ЦНС как управляющее устройство, частью которого является память.

Основные способы управления в живом организме включают инициацию, коррекцию и координацию физиологических процессов.

Инициация – это процесс управления, вызывающий переход функции органа от состояния относительного покоя к деятельному состоянию или наоборот. Например, при определенных условиях ЦНС инициирует работу пищеварительных желез, процессы мочевыделения и др.

Коррекция – это управление деятельностью органа, который осуществляет физиологические функции в автоматическом режиме или инициирован управляющим сигналом. Например, коррекция работы сердца ЦНС через блуждающие и симпатические нервы.

Координация – это согласование работы нескольких органов или систем одновременно для получения полезного результата. Например, для прямохождения необходима координация работы мышц и центров, которые обеспечивают перемещение конечностей, смещение центра тяжести тела, изменение тонуса скелетных мышц.

Механизмы регуляции условно можно разделить на гуморальные и нервные.

Гуморальные механизмы– это изменение физиологической активности органов и систем под влиянием веществ, поступающих с лимфой, кровью и другими жидкостями.

Один из вариантов гуморальной регуляции – это изменение деятельности клеток под влиянием продуктов обмена веществ. Эти продукты могут изменять работу клетки и других органов. Например, под влиянием СО₂, образующегося в тканях, изменяется активность центра дыхания. Недостатками этого механизма являются медленное распространение и диффузный характер воздействий.

Комбинированной формой, в которой используются одновременно взаимосвязанные гуморальные и нервные механизмы, является нейрогуморальный механизм. При этом передача воздействий осуществляется с помощью химических посредников – медиаторов, действующих на специфические рецепторы.

Взаимодействие гуморального и нервного механизмов создает интегративный вариант управления, способный обеспечить адекватное изменение функций при изменении внешней и внутренней среды.

Управление физиологическими функциями осуществляется посредством передачи информации. Она передается по афферентным (чувствительным) и эфферентным (исполнительным) каналам связи. По первым идет сообщение о наличии воздействий или отключении функций, по вторым – информация о том, какие функции и в каком направлении следует изменять.

Гуморальный механизм в качестве средств управления и передачи информации использует химические вещества, нервный механизм – потенциалы возбуждения (импульсы). Потенциалы кодируют необходимую информацию.

В нормальных условиях нервный и гуморальный механизмы едины и, образуя нейрогуморальный механизм, реализуются в разнообразных комбинациях. Физиологически активные вещества, поступая в кровь, несут информацию в ЦНС. Под влиянием этой информации формируется поток нервных импульсов к эффекторам. В других случаях поступление информации в ЦНС по нервным каналам приводит к выделению гормонов.

Нейрогуморальный механизм регуляции создает многозвенные кольцевые связи, где различные формы гуморального механизма сменяются и дополняются нервными, а последние обеспечивают включение гуморальных.

В процессе эволюции и в ходе естественного отбора организмами были выработаны общие регуляторные механизмы приспособления к условиям внешней среды (нейрогуморалыгые, эндокринные, иммунологические и др.), направленные на поддержание постоянства внутренней среды.

Гомеостаз– относительное динамическое постоянство внутренней среды и устойчивость физиологических функций организма. Основным механизмом поддержания гомеостаза является саморегуляция. Саморегуляция – это вариант управления, при котором отклонение физиологической функции, или константы, от уровня, обеспечивающего нормальную жизнедеятельность, является причиной возвращения этой функции (константы) к исходному уровню.

Наивысшего совершенства поддержание постоянства (гомеостаз), основанного на нервно-гуморальных физиологических механизмах, достигло у человека, особенно их действия на его системы, обеспечивающие удаление из организма продуктов метаболизма: сердечно-сосудистая, дыхательная и желудочно-кишечная системы, почки, потовые железы.

Различают жесткие константы (осмотическое давление крови, рН), незначительное отклонение которых вызывает существенные изменения обменных процессов. Пластичные могут варьировать в довольно больших пределах и в течение длительного времени без существенного нарушения функций (количество и соотношение форменных элементов крови, СОЭ и др.).

Процессы саморегуляции основаны на использовании прямых и обратных связей. Прямая связь обеспечивает выработку регулирующих воздействий на основании информации об отклонении константы. Например, раздражение холодным воздухом терморецепторов кожи приводит к увеличению процессов теплопродукции. Обратные связи заключаются в том, что выходной сигнал о состоянии объекта регуляции (константы или функции) передается на вход системы.

Различают положительные и отрицательные обратные связи. Положительная обратная связь усиливает управляющее воздействие, отрицательная – ослабляет управляющее воздействие и способствует возвращению показателя к стационарному уровню. Отрицательные обратные связи повышают устойчивость биологической системы.

В развитии рефлекторной теории механизмов регуляции большую роль сыграло учение И.М. Сеченова, который распространил понятие рефлекторных актов на все характеристики поведения человека, в том числе и на его психические проявления. Однако упрощенное понимание рефлекса как механизма, заканчивающегося простым рефлекторным действием, не давало динамики развития поведения организма и не полностью раскрывало приспособительное значение рефлексов. Учение И.П. Павлова об условных рефлексах позволило в динамике рассматривать познание механизмов рефлекторного действия.

Конкретным аппаратом регуляции функций организма является функциональная система, которая, по определению П.К. Анохина, представляет собой систему, замкнутую за счет постоянной обратной связи, осуществляемой с периферических исполнительных органов определенным комплексом афферентных импульсов, которые через акцептор действия определяют выполнение ее функции (при дыхании афферентные импульсы идут от диафрагмы, трахеи, легких, межреберных мышц и их влияния, несмотря на их различное происхождение, интегрируются в ЦНС путем временных и тонких соотношений между ними). Такой аппарат может включать в себя различные анатомические образования, комбинации гуморальных веществ, объединенных взаимозависимостью в приспособительных реакциях организма.

Кроме указанных механизмов, поддерживающих гомеостаз, в организме существуют и регуляторные системы, работающие не по принципу согласования, а с учетом оценки величины поступающего сигнала, который нарушает состояние системы за счет отклонения его величины от заданной не на выходе, а на входе системы. Улавливая на входе сигнал, нарушающий состояние системы, специальная структура оценивает его величину.

В случае превышения допустимой величины сигнала, который способен вызывать отклонения в состоянии системы, возникает реакция, нейтрализующая влияние этого сигнала и сохраняющая стабильное состояние системы, то есть в данном случае происходит не восстановление ее нарушенного состояния, а предупреждение возможного нарушения.

Абсолютным условием синхронной работы саморегуляторных систем организма является наличие следующих факторов, придающих функциональной системе определенную направленность действия:

— пластичность функциональной саморегулирующей системы (податливость ее действию внешних и внутренних отклоняющих факторов): «жесткая» генетическая функциональная система (осмотическое давление крови); «пластичная» система (уровень кровяного давления);

— циклический (фазовый) процесс регуляторных приспособлений, направленных на восстановление исходного эффекта при его отклонении в конкретном аппарате структур и механизмов, составляющих функциональную систему;

— наличие информации о конечном приспособительном эффекте в центральных регулирующих аппаратах организма;

— широта охвата органов и систем обусловливает характер саморегуляции. К функциональной системе с обширным комплексом внешних факторов относится саморегуляция количества биохимических веществ, находящихся в кровяном русле;

— формирование защитно-приспособительных реакций саморегулирующими системами в экстремальных условиях. Сила максимально возможного защитного приспособления организма должна быть большей, чем выраженность максимально возможного отклонения данного приспособительного конечного эффекта от константного уровня (например, как бы ни было высоко артериальное давление крови, количество возникающих на периферии депрессорных влияний в сумме должно быть всегда более сильным, чем те факторы, которые отклоняют уровень кровяного давления).

 

Литература

1. Биология / Под ред. А.А.Слюсарева, С.В.Жукова. – Киев: Головное издательство издательского объединения «Выща школа», 1987.

2. Биология / Под ред. В.Н.Ярыгина. В 2-х книгах. – М.: Высшая школа, 2003.

3. Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология: в 3-х томах. – М.: Мир, 2004.

4. Пехов А.П. Биология с основами экологии. – СПб.: Изд-во «Лань», 2001.

5. Чебышев Н.В., Гринева Г.Г., Козарь М.В., Гуленков С.И. Биология. – М.: ВУНМЦ, 2000. – 592 с.