Что такое гомеостаз в биологии: Гомеостаз. Метаболизм — урок. Биология, 10 класс.

ГОМЕОСТАЗ • Большая российская энциклопедия

Авторы: Ю. В. Наточин, Ю. В. Ирхин

ГОМЕОСТА́З, го­мео­ста­зис (от го­мео… и греч. στᾴσις – не­под­виж­ность, со­стоя­ние).

В био­ло­гии Г. – спо­соб­ность жи­вых ор­га­низ­мов со­хра­нять ди­на­мич. по­сто­ян­ст­во со­ста­ва и свойств внутр. сре­ды. Идея о на­ли­чии в ор­га­низ­ме ком­плек­са фи­зио­ло­гич. ме­ха­низ­мов, на­прав­лен­ных на под­дер­жа­ние по­сто­ян­ст­ва внутр. сре­ды, бы­ла вы­ска­за­на К. Бер­на­ром во 2-й пол. 19 в. Он счи­тал, что в ос­но­ве сво­бод­ной и не­за­ви­си­мой жиз­ни ор­га­низ­мов в по­сто­ян­но ме­няю­щей­ся внеш­ней сре­де ле­жит по­сто­ян­ст­во фи­зи­ко-хи­мич. ус­ло­вий внутр. сре­ды. Для обо­зна­че­ния ком­плек­са про­цес­сов в жи­вом ор­га­низ­ме, обес­пе­чи­ваю­щих по­сто­ян­ст­во та­ких ус­ло­вий, У. Кен­нон пред­ло­жил тер­мин «Г.» (1929).

По­яв­ле­ние на Зем­ле од­но­кле­точ­ных ор­га­низ­мов бы­ло свя­за­но с фор­ми­ро­вани­ем и под­дер­жа­ни­ем внут­ри клет­ки в те­че­ние всей её жиз­ни спе­ци­фич. фи­зи­ко-хи­мич. ус­ло­вий, от­лич­ных от ус­ло­вий ок­ру­жаю­щей сре­ды. Даль­ней­шая эво­лю­ция жиз­ни со­про­во­ж­да­лась воз­ник­но­ве­ни­ем мно­го­кле­точ­ных жи­вот­ных, диф­фе­рен­ци­ров­кой их кле­ток, фор­ми­ро­ва­ни­ем внутр. сре­ды, в ко­то­рой на­хо­дят­ся и взаи­мо­дей­ст­ву­ют ме­ж­ду со­бой клет­ки. По­яв­ля­ют­ся сис­те­ма вне­кле­точ­ных жид­ко­стей, лим­фа, кровь, из ко­то­рых клет­ки из­вле­ка­ют не­об­хо­ди­мые ор­га­нич. и не­ор­га­нич. ве­ще­ст­ва, O₂ и вы­де­ля­ют ко­неч­ные про­дук­ты об­ме­на. В хо­де эво­лю­ции мно­го­кле­точ­ных жи­вот­ных фор­ми­ру­ют­ся спе­циа­ли­зир. ор­га­ны (ды­ха­ния, кро­во­об­ра­ще­ния, пи­ще­ва­ре­ния, вы­де­ле­ния) и сис­те­мы (ос­мо­ре­гу­ля­ции, во­лю­мо­ре­гу­ля­ции, тер­мо­ре­гу­ля­ции, под­дер­жа­ния на за­дан­ном уров­не кон­цен­тра­ции ка­ж­до­го из ио­нов, ки­слот­но-ще­лоч­но­го рав­но­ве­сия и др.). Они обес­пе­чи­ва­ют по­сто­ян­ст­во фи­зи­ко-хи­мич. со­ста­ва жид­ко­стей внутр. сре­ды. По­ми­мо кро­ви, лим­фы, око­ло­кле­точ­ной жид­ко­сти фор­ми­ру­ют­ся и спе­циа­ли­зир. вне­кле­точ­ные жид­ко­сти (напр., спин­но­моз­го­вая, внут­ри­глаз­ная, эн­до­лим­фа и пе­ри­лим­фа внут­рен­не­го уха), на­зна­че­ние ко­то­рых со­сто­ит в под­дер­жа­нии спец. ус­ло­вий для функ­цио­ни­ро­ва­ния кле­ток це­лых ор­га­нов.

У мор­ских бес­по­зво­ноч­ных Г. ка­са­ет­ся объ­ё­ма жид­ко­стей внутр. сре­ды, кон­цен­тра­ции в ней отд. ио­нов, рН. Адап­та­ция ор­га­низ­мов к пре­сным во­дам по­тре­бо­ва­ла фор­ми­ро­ва­ния но­вой сис­те­мы ре­гу­ля­ции – под­дер­жа­ния на по­сто­ян­ном уров­не ос­мо­тич. дав­ле­ния жид­ко­стей внутр. сре­ды, уда­ле­ния из ор­га­низ­ма из­быт­ка во­ды. К осо­бо кон­тро­лируе­мым фи­зи­ко-хи­мич. па­ра­мет­рам внутр. сре­ды от­но­сят­ся её ос­мо­тич. дав­ле­ние (изо­ос­мия), кон­цен­тра­ция отд. ио­нов (изо­ио­ния), объ­ём кро­ви (изо­во­ле­мия), её рН, у птиц и мле­ко­пи­таю­щих так­же ста­би­ли­зи­ро­ван­ная тем­пе­ра­ту­ра те­ла (изо­тер­мия) и др.

По­сто­ян­ст­во фи­зи­ко-хи­мич. ус­ло­вий во внутр. сре­де, со­стоя­ние око­ло­кле­точной сре­ды слу­жат жиз­нен­но важ­ным фак­то­ром, не­об­хо­ди­мым для эф­фек­тив­ной ра­бо­ты кле­ток; их аде­к­ват­ная ре­ак­ция на сиг­на­лы из внеш­ней (напр. , све­то­вые, зву­ко­вые, тем­пе­ра­тур­ные раз­дра­жи­те­ли) и внут­рен­ней (в т. ч. им­пуль­сы нерв­ной сис­те­мы, гор­мо­ны, ау­та­кои­ды) сре­ды воз­мож­на при под­дер­жа­нии Г. Осо­бен­но вы­со­кая сте­пень Г. ха­рак­тер­на для мле­ко­пи­таю­щих, у ко­то­рых наи­бо­лее стро­го под­дер­жи­ва­ют­ся ос­мо­ляль­ность кро­ви, кон­цен­тра­ция в ней ио­нов Са²⁺, рН, изо­тер­мия.

Г. соз­да­ёт воз­мож­ность для аде­к­ват­ных ре­ак­ций кле­ток, под­дер­жа­ния не­об­хо­ди­мо­го уров­ня их ме­та­бо­лиз­ма и от­ве­та на внеш­ние воз­дей­ст­вия. В ре­гу­ля­ции фи­зи­ко-хи­мич. па­ра­мет­ров внутр. сре­ды уча­ст­ву­ют нерв­ная и эн­док­рин­ная сис­те­мы, ау­та­кои­ды. По­вы­ше­ние ка­че­ст­ва ре­гу­ля­ции для со­хра­не­ния ста­биль­но­сти па­ра­мет­ров внутр. сре­ды яв­ля­ет­ся важ­ным фак­то­ром вы­жи­ва­ния осо­би и про­цве­та­ния ви­да.

Тер­мин «кле­точ­ный Г.» про­ти­во­ре­чит смы­сло­во­му зна­че­нию по­ня­тия, пред­ло­жен­но­го К. Бер­на­ром и У. Кен­но­ном.

Го­мео­стаз в ки­бер­не­ти­ке. В 1950-х гг. Н. Ви­нер уни­вер­са­ли­зи­ро­вал по­ня­тие Г. и при­ме­нил его к функ­цио­ни­ро­ва­нию дос­та­точ­но слож­ных са­мо­ре­гу­ли­рую­щих­ся сис­тем. В ре­зуль­та­те по­ня­тие Г. ста­ло ши­ро­ко ис­поль­зо­вать­ся не толь­ко в био­ло­гии, но и в др. нау­ках. По Ви­не­ру, го­мео­ста­тич. ал­го­ритм оп­ре­де­ля­ет ба­зо­вые па­ра­мет­ры сис­те­мы, зна­чит. из­ме­не­ния ко­то­рых на­ру­ша­ют или раз­ру­ша­ют её нор­маль­ное функ­цио­ни­ро­ва­ние и раз­ви­тие; фик­си­ру­ет пре­де­лы до­пус­ти­мо­го из­ме­не­ния ус­та­нов­лен­ных па­ра­мет­ров под влия­ни­ем как внеш­ней, так и внутр. сре­ды; вы­яв­ля­ет со­во­куп­ность ме­ха­низ­мов, на­чи­наю­щих про­яв­лять се­бя при кри­тич. из­ме­не­нии ба­зо­вых па­ра­мет­ров сис­те­мы. Го­мео­ста­тич. взаи­мо­дей­ст­вие от­кры­той сис­те­мы с ок­ру­жаю­щим ми­ром обу­слов­ли­ва­ет её адап­тив­ность двоя­ко­го ро­да: при­спо­соб­ле­ние сис­те­мы к внеш­не­му ми­ру пу­тём оп­ре­де­лён­ных внутр. из­ме­не­ний и ак­тив­ное воз­дей­ст­вие сис­тем­но­го объ­ек­та на сре­ду, т.  е. «при­спо­соб­ле­ние» сре­ды к сво­им «по­треб­но­стям» пу­тём из­вле­че­ния и ус­вое­ния не­об­хо­ди­мых ре­сур­сов. Клю­че­вую роль для го­мео­ста­тич. про­цес­сов иг­ра­ет не про­сто об­рат­ная связь, а от­ри­ца­тель­ная об­рат­ная связь, обес­пе­чи­ваю­щая (в оп­ре­де­лён­ных пре­де­лах) воз­вра­ще­ние к рав­но­ве­сию в от­вет на воз­му­щаю­щие воз­дей­ст­вия. Ме­ха­низ­мы Г. обес­пе­чи­ва­ют лишь адап­та­цию сис­те­мы, а не её раз­ви­тие. Для за­кры­тых сис­тем ха­рак­тер­но ог­ра­ни­чен­ное взаи­мо­дей­ст­вие с ок­ру­жаю­щей сре­дой и от­сут­ст­вие (или на­ли­чие толь­ко в са­мой не­зна­чи­тель­ной сте­пе­ни) ме­ха­низ­мов Г., обес­пе­чи­ваю­щих са­мо­на­строй­ку сис­те­мы.

В со­ци­аль­ных и по­ли­ти­че­ских нау­ках по­ня­тие Г. при­ме­ня­ет­ся пре­им. при ана­ли­зе функ­цио­ни­ро­ва­ния и ди­на­ми­ки со­ци­аль­ной и по­ли­тич. сис­тем, а так­же не­ко­то­рых сис­тем­ных ор­га­ни­за­ций (го­су­дар­ст­ва, пар­тий, проф­сою­зов и др.). В этой сфе­ре под­виж­ное рав­но­вес­ное со­стоя­ние сис­тем (и под­сис­тем) со­хра­ня­ет­ся че­рез про­ти­во­дей­ст­вие их струк­тур, со­ци­аль­ных групп и ин­сти­ту­тов внеш­ним и внутр. фак­то­рам, на­ру­шаю­щим осн. прин­ци­пы функ­цио­ни­ро­ва­ния (Т. Пар­сонс, Д. Ис­тон). В по­ли­тич. ана­ли­зе и управ­ле­нии ис­поль­зу­ют­ся со­цио­ди­на­мич. мо­де­ли по­ли­тич. и со­ци­аль­ной сис­тем об­ще­ст­ва, в ко­то­рых вы­де­ля­ют­ся пря­мые и об­рат­ные го­мео­ста­тич. взаи­мо­дей­ст­вия сис­те­мы с внеш­ней сре­дой. В со­ци­аль­но-по­ли­тич. сис­те­мах ве­ли­ка роль че­ло­ве­че­ско­го фак­то­ра (риск оши­бок и др.) при при­ня­тии ре­ше­ний, по­сколь­ку ги­пе­рак­тив­ное воз­дей­ст­вие на сре­ду и её из­ме­не­ние фор­ми­ру­ют­ся са­ми­ми со­ци­аль­но-по­ли­тич. аген­та­ми. Со­от­вет­ст­вен­но в этой сфе­ре ве­ли­ка функ­цио­наль­ная роль об­ществ. кон­тро­ля (об­рат­ной свя­зи) над при­ня­ти­ем ин­сти­ту­цио­наль­ны­ми ор­га­на­ми зна­чи­мых для со­циу­ма ре­ше­ний, са­мо­ор­га­ни­за­ции и оп­ти­ми­за­ции сис­темы. Раз­ба­лан­си­ров­ка по­ли­тич. (со­ци­аль­ной) сис­те­мы ве­дёт к кри­зис­ным яв­ле­ни­ям или да­же к её раз­ру­ше­нию, о чём сви­де­тель­ст­ву­ет ис­то­рия ре­во­лю­ций. Со­ци­аль­но-по­ли­тич. сис­те­мы за­кры­то­го (то­та­ли­тар­но­го) ти­па до­пус­ка­ют до­зи­ро­ван­ное, жё­ст­кое взаи­мо­дей­ст­вие с внеш­ней сре­дой, а так­же с се­бе по­доб­ны­ми сис­те­ма­ми; для них ха­рак­тер­на сла­бая об­рат­ная связь. В ко­неч­ном счё­те они не ус­пе­ва­ют аде­к­ват­но от­ве­чать на вы­зо­вы вре­ме­ни, про­иг­ры­ва­ют в эко­но­мич. раз­ви­тии и ста­но­вят­ся не­ус­той­чи­вы­ми.

В мак­ро­эко­но­ми­ке го­мео­ста­тич. под­ход лёг в ос­но­ву тео­рии об­ще­го эко­но­мич. рав­но­ве­сия (кейн­си­ан­ская и не­о­клас­си­че­ская мо­де­ли). Прин­цип Г. при­ме­ня­ет­ся в со­ци­аль­ной эко­ло­гии, ко­то­рая рас­смат­ри­ва­ет при­род­ную сре­ду как диф­фе­рен­ци­ро­ван­ную сис­те­му ди­на­мич. рав­но­ве­сия; ши­ро­ко ис­поль­зу­ет­ся при ана­ли­зе взаи­мо­дей­ст­вия на­цио­наль­ных струк­тур с над­на­цио­наль­ны­ми ин­сти­ту­та­ми и ор­га­ни­за­ция­ми в ус­ло­ви­ях гло­баль­ных от­но­ше­ний.

Как математика может помочь нам понять человеческое тело

04. 03.2021 09:39

1580

Добавить в закладки

Ученые утверждают, что теория графов помогает биологам изучать гомеостаз, — пишет eurekalert.org.

Здоровые человеческие тела хорошо справляются с регулированием: наша температура остается на уровне 98,6 градусов по Фаренгейту, независимо от того, насколько высока или низка температура вокруг нас. Уровень сахара в крови остается довольно постоянным, даже когда мы выпиваем стакан сока. Мы удерживаем необходимое количество кальция в костях и в других частях нашего тела.

Мы не смогли бы выжить без этого регулирования, называемого гомеостазом. А когда системы выходят из строя, происходит болезнь, а иногда смерть.

В презентациях на ежегодном собрании Американской ассоциации содействия развитию науки исследователи утверждали, что математика может помочь объяснить и предсказать эти сбои, потенциально предлагая новые способы для предотвращения и лечения в ситуациях, когда что-то идет не так.

Гомеостаз «является биологическим явлением, и без него биологические системы не работают, — сказал Марти Голубицкий, один из докладчиков и выдающийся профессор естественных и математических наук в Университете штата Огайо. – И, если бы у вас были подробные, точные математические модели, вы могли бы численно исследовать эти системы, найти места, где этот контроль действительно происходит, а где есть сбой, и понять, как это исправить».

Ученые хорошо разбираются в биологических причинах, по которым происходит это регулирование: определенные системы в наших телах должны оставаться постоянными, чтобы функционировать и поддерживать наши тела. Однако математика, лежащая в основе этого, менее достоверна.

Но понимание гомеостаза, в том числе прогнозирование его изменений и расчет способов поддержания тела в регуляции, несмотря на сбои в системах организма, которые управляют этими регуляторами, может быть способом оказания целевой медицинской помощи людям, которые в ней нуждаются, сказала Джанет Бест профессор математики в штате Огайо.

«Это часть точной медицины», — сказал Бест, который также является со-директором Института математических биологических наук штата Огайо. «Люди разные, и вам нужна модель, которая может работать с разными людьми. И мы думаем, что это то, что мы здесь разработали».

Исследователи из MBI и других институтов, изучающие взаимосвязь математики и биологии, построили модели, объясняющие, как организм поддерживает гомеостаз в различных системах. В основе этих моделей лежит граф — математическая концепция, которая пытается объяснить, как объекты связаны друг с другом. (Если вы изучали алгебру или геометрию в средней школе, вы, вероятно, выучили некоторые основы теории графов.)

Голубицкий и Бест сказали, что теория графов может помочь объяснить и предсказать изменения гомеостаза в организме. По их словам, это объяснение может быть полезно биологам и другим специалистам, ищущим способы вмешательства в случае нарушения гомеостаза. Этот распад вызывает ряд проблем — например, может выражаться переизбытком глюкозы в крови человека или недостаточным количеством кальция в его костях.

Презентации AAAS были сосредоточены как на графике, который моделирует, как организм регулирует уровень дофамина посредством гомеостаза, так и на том, как теория графов помогает определить свойства графиков, которые могут помочь предсказать гомеостаз. Голубицкий и Бест описали, как дофамин и ферменты, которые его расщепляют, могут быть представлены в виде математической формулы, связанной с графиком.

Они показали, что, вычисляя изменения в узлах, можно рассчитать или предсказать изменения в уровнях дофамина. По словам Голубицкого, этот подход может быть распространен на другие системы, хотя для уверенности необходимы дальнейшие исследования. По его словам, это исследование уже ведется.

«Гомеостаз — достаточно важная область биологии, и если математика может что-то сделать для него, то это успех», — сказал он.

[Фото: ru.123rf.com/profile_siberianart]

Автор Подготовила Анна Юдина

биология гомеостаз дефицит микроэлементов математика минералы и витамины

Источник: www.

eurekalert.org

Информация предоставлена Информационным агентством «Научная Россия». Свидетельство о регистрации СМИ: ИА № ФС77-62580, выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций 31 июля 2015 года.

НАУКА ДЕТЯМ

Сверхбыстрые протоны для лечения рака. Главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН С.В. Акулиничев ― об ультрафлеш-терапии

10:30 / Биология, Здравоохранение, Медицина

Мероприятия ко Дню российской науки 2023

10:30 / Десятилетие науки и технологий, Досуг, Наука и общество

75 лет назад получен первый эхосигнал от Луны

10:00 / Астрономия, Астрофизика, Наука и общество

«МК», Веденеева Наталья: Искусственный мир победил: информация, сфабрикованная нейросетями, неотличима от правдивой

09:20 / Информационные технологии, Наука и общество

Ученые СПб ФИЦ РАН разработали интеллектуальную систему, помогающую врачам общаться с глухими пациентами

12:00 / Здравоохранение

Заседание президиума РАН 07. 02.2023 – Прямая трансляция!

11:00 / Наука и общество, Трансляции

«Король издательского дела». 172 года назад родился Иван Сытин

10:00 / История, Персона, Чтение

Российские учёные извлекли из ледника в Антарктиде древний лёд возрастом 1 миллион лет

14:00 / Климат, Геология

В СПбПУ научились получать более точные снимки при диагностике глазных заболеваний

12:00 / Медицина, Физика

4 февраля родился Питирим Сорокин — социолог, культуролог и педагог

10:00 / История, Наука и общество

Памяти великого ученого. Наука в глобальном мире. «Очевиднное — невероятное» эфир 10.05.2008

04.03.2019

Памяти великого ученого. Нанотехнологии. «Очевидное — невероятное» эфир 3.08.2002

04.03.2019

Вспоминая Сергея Петровича Капицу

14.02.2017

История новогодних праздников

01.08.2014

Смотреть все

Гомеостаз | Биология для специальностей II

Обсудите важность гомеостаза у животных

Органы и системы органов животных постоянно приспосабливаются к внутренним и внешним изменениям посредством процесса, называемого гомеостазом («устойчивое состояние»). Эти изменения могут быть в уровне глюкозы или кальция в крови или во внешней температуре. Гомеостаз означает поддержание динамического равновесия в организме. Он динамичен, потому что постоянно приспосабливается к изменениям, с которыми сталкиваются системы организма. Это равновесие, потому что функции тела удерживаются в определенных пределах. Даже внешне неактивное животное поддерживает это гомеостатическое равновесие.

Цели обучения

• Дать определение гомеостаза
• Опишите факторы, влияющие на гомеостаз
• Опишите процесс терморегуляции
• Опишите терморегуляцию эндотермических и экзотермических животных

Что такое гомеостаз?

Гомеостаз в общем смысле относится к стабильности, равновесию или равновесию. Физиологически это попытка организма поддерживать постоянную и сбалансированную внутреннюю среду, что требует постоянного контроля и корректировки по мере изменения условий. Регулировка физиологических систем в организме называется гомеостатической регуляцией, которая включает три части или механизма:

1. приемник
2. центр управления
3. эффектор

Рецептор получает информацию о том, что что-то в окружающей среде меняется. Центр управления или центр интеграции получает и обрабатывает информацию от приемника. Эффектор реагирует на команды центра управления, противодействуя или усиливая стимул. Этот непрерывный процесс постоянно работает для восстановления и поддержания гомеостаза. Например, при регуляции температуры тела температурные рецепторы в коже передают информацию в мозг (центр управления), который сигнализирует эффекторам: кровеносным сосудам и потовым железам в коже. Поскольку внутренняя и внешняя среда тела постоянно меняется, необходимо постоянно вносить коррективы, чтобы оставаться на определенном уровне или близком к нему: уставка .

Целью гомеостаза является поддержание равновесия вокруг определенного значения какого-либо аспекта тела или его клеток, называемого заданным значением. Несмотря на нормальные отклонения от заданной точки, системы организма обычно пытаются вернуться к этой точке. Изменение внутренней или внешней среды называется раздражителем и улавливается рецептором; реакция системы заключается в корректировке действий системы таким образом, чтобы значение возвращалось к заданному значению.

Например, если тело становится слишком теплым, вносятся коррективы, чтобы охладить животное. Если уровень глюкозы в крови повышается после еды, вносятся коррективы, чтобы снизить его и доставить питательное вещество в ткани, которые в нем нуждаются, или сохранить его для последующего использования.

Когда в окружающей среде животного происходит изменение, необходимо произвести корректировку, чтобы внутренняя среда тела и клеток оставалась стабильной. Рецептор, воспринимающий изменения в окружающей среде, является частью механизма обратной связи. Стимул — температура, уровень глюкозы или кальция — обнаруживается рецептором. Рецептор посылает информацию в центр управления, часто в мозг, который передает соответствующие сигналы эффекторному органу, способному вызвать соответствующее изменение, либо вверх, либо вниз, в зависимости от информации, которую посылал датчик.

Контроль гомеостаза

Когда в окружающей среде животного происходят изменения, необходимо внести коррективы. Рецептор ощущает изменение в окружающей среде, затем посылает сигнал в центр управления (в большинстве случаев в мозг), который, в свою очередь, генерирует ответ, который передается эффектору. Эффектор представляет собой мышцу (сокращающуюся или расслабляющуюся) или секретирующую железу. Гомеостаз поддерживается петлями отрицательной обратной связи. Петли положительной обратной связи фактически выталкивают организм еще дальше из гомеостаза, но могут быть необходимы для возникновения жизни. Гомеостаз контролируется нервной и эндокринной системой млекопитающих.

Механизмы отрицательной обратной связи

Любой гомеостатический процесс, изменяющий направление стимула, является петлей отрицательной обратной связи . Он может усиливать или ослаблять стимул, но стимул не может продолжаться так, как это было до того, как рецептор его почувствовал. Другими словами, если уровень слишком высок, тело делает что-то, чтобы понизить его, и наоборот, если уровень слишком низок, тело делает что-то, чтобы поднять его. Отсюда и термин «отрицательная обратная связь». Примером может служить поддержание уровня глюкозы в крови у животных. Когда животное поело, уровень глюкозы в крови повышается. Это ощущается нервной системой. Это чувствуют специализированные клетки поджелудочной железы, и эндокринная система вырабатывает гормон инсулин. Инсулин вызывает снижение уровня глюкозы в крови, как и следовало ожидать в системе с отрицательной обратной связью, как показано на рисунке 1. Однако, если животное не ело и уровень глюкозы в крови снижается, это ощущается другой группой клеток поджелудочной железы, высвобождается гормон глюкагон, вызывающий повышение уровня глюкозы. Это по-прежнему петля отрицательной обратной связи, но не в том направлении, которое ожидается при использовании термина «отрицательный». Другим примером увеличения в результате петли обратной связи является контроль уровня кальция в крови. Если уровень кальция снижается, специализированные клетки паращитовидной железы чувствуют это и высвобождают паратиреоидный гормон (ПТГ), вызывая повышенное всасывание кальция через кишечник и почки и, возможно, разрушение костей для высвобождения кальция. Эффекты ПТГ заключаются в повышении уровня этого элемента в крови. Петли отрицательной обратной связи являются преобладающим механизмом, используемым в гомеостазе.

Рисунок 1. Уровень сахара в крови контролируется петлей отрицательной обратной связи. (кредит: модификация работы Джона Салливана)

Петля положительной обратной связи

Петля положительной обратной связи поддерживает направление стимула, возможно, ускоряя его. В телах животных существует несколько примеров петель положительной обратной связи, но один из них обнаружен в каскаде химических реакций, которые приводят к свертыванию крови или коагуляции. Когда активируется один фактор свертывания крови, он последовательно активирует следующий фактор, пока не образуется фибриновый сгусток. Направление сохраняется, не меняется, так что это положительная обратная связь. Другим примером положительной обратной связи являются сокращения матки во время родов, как показано на рисунке 2. Гормон окситоцин, вырабатываемый эндокринной системой, стимулирует сокращение матки. Это вызывает боль, воспринимаемую нервной системой. Вместо того, чтобы снижать уровень окситоцина и уменьшать боль, вырабатывается больше окситоцина до тех пор, пока схватки не станут достаточно сильными, чтобы вызвать роды.

Рисунок 2. Рождение человеческого младенца является результатом положительной обратной связи.

Практический вопрос

Укажите, регулируется ли каждый из следующих процессов петлей положительной или отрицательной обратной связи.

1. Человек чувствует себя сытым после обильной еды.
2. В крови много эритроцитов. В результате эритропоэтин, гормон, стимулирующий выработку новых эритроцитов, больше не высвобождается из почек.

Показать ответ

Уставка

Можно настроить уставку системы. Когда это происходит, петля обратной связи поддерживает новую настройку. Примером этого является артериальное давление: со временем нормальное или установленное значение артериального давления может повышаться в результате продолжающегося повышения артериального давления. Тело больше не распознает повышение как ненормальное, и не предпринимается никаких попыток вернуться к более низкому заданному значению. Результатом является поддержание повышенного кровяного давления, которое может иметь вредные последствия для организма. Лекарства могут понизить кровяное давление и понизить контрольную точку в системе до более здорового уровня. Это называется процессом изменение уставки в контуре обратной связи.

Изменения могут быть внесены в группу систем органов тела для поддержания заданного значения в другой системе. Это называется акклиматизация . Это происходит, например, когда животное мигрирует на большую высоту, чем оно привыкло. Чтобы приспособиться к более низким уровням кислорода на новой высоте, организм увеличивает количество эритроцитов, циркулирующих в крови, чтобы обеспечить адекватную доставку кислорода к тканям. Другим примером акклиматизации являются животные, шерсть которых подвержена сезонным изменениям: более толстая шерсть зимой обеспечивает достаточное сохранение тепла, а легкая шерсть летом помогает удерживать температуру тела от повышения до опасного уровня.

Механизмы обратной связи можно понять с точки зрения вождения гоночного автомобиля по трассе: посмотрите короткий видеоурок о петлях положительной и отрицательной обратной связи.

Терморегуляция

Температура тела влияет на активность организма. Как правило, с повышением температуры тела активность ферментов также повышается. При повышении температуры на каждые десять градусов по Цельсию активность ферментов удваивается до определенного предела. Белки организма, в том числе ферменты, начинают денатурировать и терять свои функции при высокой температуре (около 50º   C для млекопитающих). Ферментативная активность будет уменьшаться наполовину на каждые десять градусов по Цельсию понижения температуры, вплоть до точки замерзания, за некоторыми исключениями. Некоторые рыбы могут выдерживать замораживание в твердом состоянии и возвращаться к нормальному состоянию при оттаивании.

Посмотрите это видео канала Discovery о терморегуляции, чтобы увидеть иллюстрации этого процесса у различных животных.

Нейронный контроль терморегуляции

Нервная система важна для терморегуляции . Процессы гомеостаза и терморегуляции сосредоточены в гипоталамусе развитого мозга животных.

Практический вопрос

Рисунок 3. Тело способно регулировать температуру в ответ на сигналы нервной системы.

При разрушении бактерий лейкоцитами в кровь выделяются пирогены. Пирогены сбрасывают термостат тела на более высокую температуру, что приводит к лихорадке. Как пирогены могут вызывать повышение температуры тела?

Показать ответ

Гипоталамус поддерживает заданную температуру тела посредством рефлексов, которые вызывают расширение сосудов и потоотделение, когда тело слишком теплое, или сужение сосудов и озноб, когда тело слишком холодное. Он реагирует на химические вещества из организма. Когда бактерия уничтожается фагоцитирующими лейкоцитами, в кровь высвобождаются химические вещества, называемые эндогенными пирогенами. Эти пирогены циркулируют в гипоталамусе и перезагружают термостат. Это позволяет температуре тела повышаться до того, что обычно называют лихорадкой. Повышение температуры тела приводит к сохранению железа, что снижает количество питательных веществ, необходимых бактериям. Повышение температуры тела также увеличивает активность ферментов и защитных клеток животного, подавляя ферменты и активность проникающих микроорганизмов. Наконец, само тепло также может убить патоген. Лихорадка, которая когда-то считалась осложнением инфекции, теперь считается нормальным защитным механизмом.

Эндотермы и эктотермы

Животных можно разделить на две группы: одни сохраняют постоянную температуру тела при различных температурах окружающей среды, в то время как у других температура тела такая же, как и у их окружающей среды, и, таким образом, изменяется в зависимости от окружающей среды. Животные, которые не контролируют температуру своего тела, являются экзотермами; вместо этого они полагаются на внешнюю энергию, чтобы определять температуру своего тела. Эту группу называют хладнокровными, но этот термин может не относиться к животным в пустыне с очень теплой температурой тела. Эндотермы — это животные, которые полагаются на внутренние источники температуры тела, но могут проявлять экстремальные температуры. Эти животные способны поддерживать уровень активности при более низкой температуре, чего не может сделать экзотерм из-за разного уровня активности ферментов. Пойкилотермы — это животные с постоянно меняющейся внутренней температурой, а животное, которое поддерживает постоянную температуру тела перед лицом изменений окружающей среды, называется гомойотермом.

Теплообмен между животным и окружающей средой может осуществляться посредством четырех механизмов: излучение, испарение, конвекция и теплопроводность (рис. 4). Радиация – это излучение электромагнитных «тепловых» волн. Таким образом, тепло исходит от солнца и точно так же излучается от сухой кожи. Тепло может отводиться жидкостью от поверхности при испарении. Это происходит, когда млекопитающее потеет. Конвекционные потоки воздуха отводят тепло от поверхности сухой кожи при прохождении над ней воздуха. Тепло будет передаваться от одной поверхности к другой во время прямого контакта с поверхностями, например, когда животное отдыхает на теплом камне.

Рисунок 4. Теплообмен может происходить по четырем механизмам: (а) излучение, (б) испарение, (в) конвекция или (г) теплопроводность. (кредит b: модификация работы «Kullez»/Flickr; кредит c: модификация работы Chad Rosenthal; кредит d: модификация работы «stacey.d»/Flickr)

Сохранение и рассеивание тепла

Животные сохраняют или отводить тепло различными способами. В определенных климатических условиях у эндотермических животных есть какая-то форма изоляции, такая как мех, жир, перья или их комбинация. Животные с густым мехом или перьями создают изолирующий слой воздуха между кожей и внутренними органами. Белые медведи и тюлени живут и плавают в условиях минусовой температуры и при этом поддерживают постоянную теплую температуру тела. Песец, например, использует свой пушистый хвост в качестве дополнительной теплоизоляции, когда ложится спать в холодную погоду. У млекопитающих наблюдается остаточный эффект от озноба и повышенной мышечной активности: мышцы, приводящие к ворсинкам, вызывают «гусиную кожу», заставляя маленькие волоски вставать дыбом, когда человеку холодно; это имеет предполагаемый эффект повышения температуры тела. Млекопитающие используют слои жира для достижения той же цели. Потеря значительного количества жира в организме ставит под угрозу способность человека сохранять тепло.

Эндотермы используют свою систему кровообращения для поддержания температуры тела. Вазодилатация приносит больше крови и тепла к поверхности тела, способствуя излучению и потере тепла за счет испарения, что способствует охлаждению тела. Вазоконстрикция уменьшает кровоток в периферических кровеносных сосудах, направляя кровь к центру и находящимся там жизненно важным органам и сохраняя тепло. У некоторых животных есть приспособления к системе кровообращения, которые позволяют им передавать тепло от артерий к венам, согревая кровь, возвращающуюся к сердцу. Это называется противоточным теплообменом; препятствует охлаждению сердца и других внутренних органов холодной венозной кровью. Эта адаптация может быть отключена у некоторых животных, чтобы предотвратить перегрев внутренних органов. Противоточная адаптация встречается у многих животных, включая дельфинов, акул, костистых рыб, пчел и колибри. Напротив, аналогичные приспособления могут при необходимости помочь охладить эндотермы, например, трематоды дельфинов и уши слона.

Некоторые экзотермические животные используют изменения в своем поведении, чтобы регулировать температуру тела. Например, пустынное экзотермическое животное может просто искать более прохладные места в самое жаркое время дня в пустыне, чтобы не перегреться. Одни и те же животные могут забираться на скалы, чтобы согреться холодной ночью в пустыне. Некоторые животные ищут воду, чтобы способствовать испарению и охлаждению, как это видно на примере рептилий. Другие экзотермы используют групповую деятельность, такую ​​как активность пчел, чтобы согреть улей, чтобы пережить зиму.

Многие животные, особенно млекопитающие, используют отработанное метаболическое тепло в качестве источника тепла. Когда мышцы сокращаются, большая часть энергии АТФ, используемой в мышечных движениях, тратится впустую и превращается в тепло. Сильный холод вызывает рефлекс дрожи, который выделяет тепло для тела. У многих видов также есть тип жировой ткани, называемый бурым жиром, который специализируется на выработке тепла.

Проверьте свое понимание

Ответьте на вопросы ниже, чтобы проверить, насколько хорошо вы понимаете темы, затронутые в предыдущем разделе. Этот короткий тест делает , а не учитываются при подсчете вашей оценки в классе, и вы можете пересдавать неограниченное количество раз.

Используйте этот тест, чтобы проверить свое понимание и решить, следует ли (1) изучить предыдущий раздел дальше или (2) перейти к следующему разделу.

Руководство по изучению гомеостаза | Inspirit

Инструменты для творчества скоро появятся, чтобы вдохновить!

Присоединяйтесь к списку рассылки, чтобы узнать, когда мы запустимся.

Биология

Общая биология

Биология человека

Учебное пособие по гомеостазу

Джессика

Гомеостаз относится к устойчивому состоянию физических и химических условий, поддерживаемых живыми организмами, необходимых для их выживания.

Введение:

В 1865 году французский физиолог Клод Бернар впервые ввел понятие гомеостаза в организме. Однако позже он был популяризирован Уолтером Брэдфордом Кэнноном в 1926 году.

Гомеостаз происходит от двух древнегреческих слов, произносимых как homoios и histemi, что означает «сочетание», соответственно переводится как «подобный» и «стоять на месте».

Что такое гомеостаз?

• Гомеостаз – это тенденция или способность клетки или всего организма поддерживать и стремиться к состоянию равновесия независимо от внешней среды.

• Биологию гомеостаза можно объяснить как умение живого организма оставаться в пределах досягаемости при колебаниях окружающей среды.

• Помогает организму стабилизироваться и поддерживать себя на Земле.

Процесс гомеостаза

Гомеостатические системы организма функционируют особым образом, и биологические системы вашего тела постоянно отклоняются от равновесия. Например, если вы тренируетесь, ваши мышцы увеличивают выработку тепла вашим телом. В свою очередь, это повысит температуру вашего тела.

Источник

Точно так же повышается уровень глюкозы в крови, когда вы пьете фруктовый сок.

• Гомеостаз — это способность вашего организма обнаруживать эти изменения и противостоять им.
• Гомеостаз в организме поддерживается за счет отрицательной обратной связи.
• Петли действуют против раздражителя, что нарушает устойчивость тела.
• Например, когда у вас высокая температура тела, петля отрицательной обратной связи будет пытаться довести ее до оптимальной температуры, 37 градусов по Цельсию.

Компоненты регуляции гомеостаза

Источник

Есть три компонента, которые помогают регулировать гомеостаз в нашем организме. Они следующие:

1. Рецепторы

Они получают информацию о состоянии вашего тела. Рецепторы воспринимают и контролируют изменения как внешней, так и внутренней среды. Они присутствуют как чувствительные нервные окончания, которые получают стимул. После этого они посылают соответствующий ответ, вырабатывая нервные импульсы в зависимости от степени, отсутствия/наличия и типа стимуляции.

2. Центры управления

Эту зону также называют интеграционным центром. Центры управления получают и обрабатывают информацию, поступающую от рецепторов. Ренин-ангиотензиновая система и дыхательный центр являются некоторыми примерами центров управления.

3. Эффекторы

Они реагируют на информацию, обрабатываемую и передаваемую центрами управления. Это поможет телу либо противостоять изменению, либо усилить его для поддержания равновесия. Железа или мышца являются примерами эффекторов на уровне органа или ткани. Принимая во внимание, что на клеточном уровне ядерные рецепторы являются примером эффекторов.

Что такое нарушение гомеостаза?

• Когда ваше тело не в состоянии поддерживать гомеостаз, это мешает ему функционировать должным образом.
• Он может даже не поддерживать саму жизнь.
• Постоянный дисбаланс в гомеостазе может привести к заболеваниям и болезням.
• В тяжелых случаях может даже привести к инвалидности или смерти.

Некоторые из общих факторов, которые могут повлиять на гомеостаз, следующие:

1. Побочные эффекты медицинских процедур и лекарств
2. Психологическое здоровье
3. Токсины и яды
4. Питание и диета
5. Физическое состояние
6. Генетика

Заключение:

• Гомеостаз – устойчивое внутреннее состояние, при котором физические и химические условия поддерживаются живыми организмами.
• В игру вступают различные оптимальные факторы, такие как температура тела, баланс жидкости.
• Рецепторы, центры управления и эффекторы являются тремя основными компонентами гомеостаза.

Часто задаваемые вопросы:

1. Как лучше всего описать гомеостаз?

Гомеостаз — это саморегулирующийся процесс, который все живые организмы используют для поддержания внутренней и внешней стабильности, приспосабливаясь к внутренней или внешней среде, чтобы выжить.

2. Какая часть тела контролирует гомеостаз?

Центральная нервная система и эндокринная система организма являются двумя основными системами контроля, которые помогают регулировать гомеостаз.

3. Какие пять примеров гомеостаза?

Ниже приведены пять примеров гомеостаза в организме:

1. Гомеостаз температуры тела
2. Гомеостаз концентрации кислорода в крови
3. Гомеостаз глюкозы в крови
4. Гомеостаз объема воды в организме
5. Гомеостаз артериального давления

Мы надеемся, что вам понравился этот урок, и вы узнали что-то интересное о Гомеостазе ! Присоединяйтесь к нашему сообществу Discord, чтобы получить ответы на любые вопросы и пообщаться с другими студентами, такими же, как и вы! Не забудьте загрузить наше приложение, чтобы испытать наши веселые классы виртуальной реальности — мы обещаем, это делает учебу намного веселее! 😎

Источники:

1. Гомеостаз.