Гомеостаз в биологии это: ГОМЕОСТАЗ • Большая российская энциклопедия

Содержание

ГОМЕОСТАЗ • Большая российская энциклопедия

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, O

2 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 Са

2+, 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.

особенности, значение, примеры и механизмы регуляции

Гомеостаз — любой саморегулирующийся процесс, с помощью которого биологические системы устремляются к поддержанию внутренней стабильности, приспосабливаясь к оптимальным для выживания условиям. Если гомеостаз успешен, то жизнь продолжается; в противном случае, произойдет бедствие или смерть. Достигнутая стабильность фактически является динамическим равновесием, в котором происходят непрерывные изменения, но преобладают относительно однородные условия.

Особенности и роль гомеостаза

Любая система в динамическом равновесии желает достичь устойчивого состояния, баланса, который противостоит внешним изменениям. Когда такая система нарушена, встроенные регулирующие устройства реагируют на отклонения, чтобы установить новый баланс. Такой процесс является одним из элементов управления с обратной связью. Примерами гомеостатической регуляции являются все процессы интеграции и координации функций, опосредованные электрическими цепями и нервными или гормональными системами.

Другим примером гомеостатической регуляции в механической системе является действие регулятора комнатной температуры или термостата. Сердцем термостата является биметаллическая полоса, которая реагирует на изменения температуры, завершая или нарушая электрическую цепь. Когда помещение охлаждается, то контур завершается и включается обогрев, а температура поднимается. На заданном уровне цепь прерывается, печь останавливается, и температура падает.

Однако биологические системы, имеющие большую сложность, обладают регуляторами, которые сложно сравнивать с механическими устройствами.

Как отмечалось ранее, термин гомеостаз относится к поддержанию внутренней среды тела в узких и жестко контролируемых пределах. Основными функциями, важными для поддержания гомеостаза, являются баланс жидкости и электролита, регулирование кислотной среды, терморегуляция и метаболический контроль.

Контроль температура тела у людей считается отличным примером гомеостаза в биологической системе. Нормальная температура тела человека составляет около 37° C, но различные факторы могут влиять на этот показатель, включая гормоны, скорость метаболизма и болезни, приводящие к чрезмерно высоким или низким температурам. Регулирование температуры тела контролируется областью мозга, называемой Гипоталамус.

Обратная связь о температуре тела переносится через кровоток в мозг и приводит к компенсационным корректировкам в скорости дыхания, уровне сахара в крови и скорости метаболизма. Потеря тепла у людей обеспечивается уменьшением активности, потоотделением и механизмами теплообмена, которые позволяют большему количеству крови циркулировать вблизи поверхности кожи.

Снижение потерь тепла осуществляется за счет изоляции, уменьшения циркуляции на коже и культурных изменений, таких как использование одежды, жилья и сторонних источников тепла. Диапазон между высокими и низкими уровнями температуры тела составляет гомеостатическое плато — «нормальный» диапазон, который поддерживает жизнь. По мере приближения к любой из двух крайностей, корректирующее действие (через отрицательную обратную связь) возвращает систему в нормальный диапазон.

Концепция гомеостаза также применяется к экологическим условиям. Впервые предложенная американским экологом Робертом Макартуром в 1955 году идея, что гомеостаз в экосистемах является продуктом сочетания биоразнообразия и большого количества экологических взаимодействий, происходящих между видами.

Такое предположение считалось концепцией, которая могла бы помочь объяснить устойчивость экологической системы, то есть ее сохранение как определенного типа экосистемы с течением времени. С тех пор концепция несколько изменилась, и включила неживую составляющую экосистемы. Этот термин использовался многими экологами для описания взаимности, которая происходит между живыми и неживыми составляющими экосистемы для поддержания статус-кво.

Гипотеза Геи — модель Земли, предложенная английским ученым Джеймсом Лавлоком, которая рассматривает различные живые и неживые составляющие, как компоненты более крупной системы или единого организма, делая предположение, что коллективные усилия отдельных организмов вносят вклад в гомеостаз на планетарном уровне.

Клеточный гомеостаз

Клетки зависят от среды тела, чтобы сохранять жизнеспособность и правильно функционировать. Гомеостаз поддерживает среду тела под контролем и сохраняет благоприятные условия для клеточных процессов. Без правильных условий тела определенные процессы (к примеру, осмос) и белки (к примеру, ферменты) не будут функционировать должным образом.

Почему гомеостаз важен для клеток? Живые клетки зависят от движения химических веществ вокруг них. Химические вещества, такие как кислород, углекислый газ и растворенная пища, необходимо транспортировать в клетки и из них. Это осуществляется процессами диффузии и осмоса, зависящих от баланса воды и соли в теле, которые поддерживаются гомеостазом.

Клетки зависят от ферментов, чтобы ускорить многие химические реакции, поддерживающие жизнедеятельность и функциональность клеток. Эти ферменты работают лучше всего при определенных температурах, и поэтому снова гомеостаз жизненно важен для клеток, поскольку он поддерживает постоянную температуру тела.

Примеры и механизмы гомеостаза

Вот несколько основных примеров гомеостаза в теле человека, а также поддерживающие их механизмы:

Температура тела

Наиболее распространенным примером гомеостаза у людей является регулирование температуры тела. Нормальная температура тела, как мы писали выше составляет 37° C. Температура выше или ниже нормальных показателей может вызывать серьезные осложнения.

Мышечная недостаточность возникает при температуре 28° C. При 33° C происходит потеря сознания. При температуре 42° C центральная нервная система начинает разрушаться. Смерть наступает при температуре 44° C. Тело контролирует температуру путем выработки или высвобождения избыточного тепла.

Концентрация глюкозы

Концентрация глюкозы относится к количеству глюкозы (сахара в крови), присутствующего в кровотоке. Организм использует глюкозу в качестве источника энергии, но ее избыток или недостаток может вызвать серьезные осложнения. Некоторые гормоны осуществляют регулирования концентрации глюкозы в крови. Инсулин снижает концентрацию глюкозы, в то время как кортизол, глюкагон и катехоламины увеличивают.

Уровни кальция

Кости и зубы содержат приблизительно 99% кальция в организме, в то время как оставшийся 1% циркулируют в крови. Слишком большое или недостаточное содержание кальция в крови имеют негативные последствия. Если уровень кальция в крови слишком сильно снижается, паращитовидные железы активируют свои рецепторы, чувствительные к кальцию, и высвобождают паратиреоидный гормон.

ПТГ сигнализирует костям он необходимости высвобождения кальция, чтобы увеличить его концентрацию в кровотоке. Если уровень кальция увеличивается слишком сильно, щитовидная железа высвобождает кальцитонин и фиксирует избыток кальция в костях, тем самым уменьшая количество кальция в крови.

Объем жидкости

Тело должно поддерживать постоянную внутреннюю среду, а это означает, что ему необходимо регулировать потерю или восполнение жидкости. Гормоны помогают регулировать этот баланс, вызывая экскрецию или удерживание жидкости. Если организму не хватает жидкости, антидиуретический гормон сигнализирует почкам о сохранении жидкости и уменьшает выход мочи. Если организм содержит слишком много жидкости, он подавляет альдостерон и сигнализирует о выделении большего количества мочи.

Не нашли, то что искали? Используйте форму поиска по сайту

Понравилась статья? Оставь комментарий и поделись с друзьями

Гомеостазис — Гуманитарный портал

Гомеостазис, или гомеостаз — это свойство сложных систем различной природы (физических, биологических, социальных, технических) к поддержанию динамического равновесия посредством саморегуляции и способности сохранять стабильность своего внутреннего состояния. Под гомеостазисом иногда понимают также устойчивость системы, то есть способность саморегулирующихся систем возвращаться в равновесное состояние при выводе из него внешними воздействиями. Понятие гомеостазиса тесно связано с понятием системы (см. Система) и системным подходом (см. Системный подход).

Первоначально термин «гомеостазис» использовался применительно к биологическим системам — многоклеточным организмам. Впервые представление о постоянстве внутренней среды было сформулировано в 1865 году французским учёным и медиком К. Бернаром (Claude Bernard). Понятие гомеостазиса было введено американским физиологом У. Кэнноном (Walter B. Cannon) в работе 1932 года «The Wisdom of the Body» для описания «координированных физиологических процессов в биологическом организме, которые поддерживают его устойчивое состояние». В настоящее время гомеостазис считается одной из фундаментальных характеристик биологических организмов, под которым понимается их способность к саморегуляции и поддержанию стабильности своего внутреннего состояния. В дальнейшем термин «гомеостазис» получил распространение в технических, социальных и других науках, где он используется для описания функционирования сложных динамических систем.

В середине XX века концепция гомеостазиса обнаружила дополнительный общенаучный потенциал, так как наукой к этому времени был накоплен значительный опыт исследований систем самой разной природы. Наиболее интенсивную разработку она получила в результате применения кибернетического подхода к изучению сложных систем. Начиная с работы английского биолога У. Р. Эшби (William Ross Ashby) происходил активный перенос термина «гомеостазис» из биологии в различные научные и технические дисциплины. Это было связано с потребностями моделирования сложных объектов различной природы (социальных, экономических, культурных и других), а также развитием общенаучного системного подхода и особенно системного анализа (Системный анализ). Важные теоретические и практические результаты выявились при изучении так называемых «рефлексивных» объектов, к которым прежде всего относятся социальные системы. Проблема оптимизации выбора экологических, экономических, политических и других решений, определение степени их целесообразности связаны со способностью этих систем к прогнозированию результатов их функционирования. В последние десятилетия термин «гомеостазис» особенно широко используется в экологических дисциплинах в связи с переходом к исследованию современного состояния экологических систем разной степени сложности, вплоть до биосферы. Проблема сохранения и поддержания баланса гомеостатических механизмов в биосфере актуализируется её катастрофическим состоянием в начале XXI века.

Исследование гомеостатических процессов предполагает выделение:

  1. параметров, значительные изменения которых нарушают нормальное функционирование системы;
  2. границ допустимого изменения параметров системы под воздействием условий внешней и внутренней среды;
  3. совокупности конкретных механизмов, начинающих функционировать при выходе значений переменных за эти границы (каждый из этих механизмов регистрирует изменение существенных параметров и действует по принципу обратной связи в направлении восстановления нарушенного состояния равновесия).

Изучение гомеостатических процессов привело к выработке понятий гетеростазиса (отражающего иерархию гомеостатических систем, разделение параметров на более и менее существенные) и гомеореза (внутренних механизмов, обеспечивающих закономерное изменение существенных параметров в процессе развития системы).

Механизмы гомеостаза | Кинезиолог

Сазонов В.Ф. Механизмы гомеостаза

Гомеостаз в биологии – это поддержание постоянства внутренней среды организма.
В основе гомеостаза лежит чувствительность организма к отклонению определённых параметров (гомеостатических констант) от заданного значения. Пределы допустимых колебаний гомеостатического параметра (гомеостатической константы) могут быть широкими и узкими. Узкие пределы имеют: температура тела, рН крови, содержание глюкозы в крови. Широкие пределы имеют: давление крови, масса тела, концентрация аминокислот в крови.
Специальные внутриорганизменные рецепторы (интерорецепторы) реагируют на отклонение гомеостатических параметров от заданных пределов. Такие интерорецепторы имеются внутри таламуса, гипоталамуса, в сосудах и в органах. В ответ на отклонение параметров они запускают восстановительные гомеостатические реакции.

Регуляция по отклонению – основной механизм гомеостаза, при котором сверхпороговое изменение оптимального уровня регулируемого показателя инициирует деятельность соответствующих систем, приводящую к восстановлению его значения до исходного уровня.

Общий механизм нейроэндокринных гомеостатических реакций для внутренней регуляции гомеостаза

Параметры гомеостатической константы отклоняются, интерорецепторы возбуждаются, затем возбуждаются соответствующие центры гипоталамуса, они стимулируют выброс гипоталамусом соответствующих либеринов. В ответ на действие либеринов происходит выброс гормонов гипофизом, а затем под их действием идёт выброс гормонов других эндокринных желёз. Гормоны, выделившись из желёз внутренней секреции в кровь, изменяют обмен веществ и режим работы органов и тканей. В итоге установившийся новый режим работы органов и тканей смещает изменившиеся параметры в сторону прежнего заданного значения и восстанавливает величину гомеостатической константы. Таков общий принцип восстановления гомеостатических констант при их отклонении.

Примеры
Мочеобразование и выведение мочи. Дыхание: чувствительность к избытку СО2 заставляет дышать чаще и восстанавливать тем самым стандартную концентрацию СО2. Теплообмен.

Механизм гомеостаза первого порядка

Гомеостаз поддерживается механизмами нескольких уровней, как это обычно свойственно иерархическим системам. При отклонении избранного параметра от средней линии в сторону верхнего или нижнего предела сразу же включаются «ближайшие» компенсационные механизмы, которые гасят это отклонение. Собственно это и будет называться регуляцией гомеостаза как устойчивого состояния, а поскольку процессы автоматизированы за счёт отрицательных обратных связей, то данное явление можно назвать саморегуляцией.
Итак, колебание гомеостатической константы допустимо в определённых пределах. За счет автоматического гашения отклонений гомеостатический параметр настойчиво возвращается к средней линии. В идеале данный механизм стремится миминизировать колебания гомеостатического параметра вокруг средней линии. Чем лучше работает этот механизм, тем меньше будут колебания. Можно назвать это первым гомеостатическим механизмом, он является базовым. Например, именно так работают различные буферные системы, компенсирующие небольшие отклонения, в частности отклонения в рН среды.

Механизм гомеостаза второго порядка

Это регуляция гомеостаза второго порядка, которая накладывается на первый механизм поддержания гомеостаза. При выходе гомеостатического параметра за определённый верхний или нижний предел допустимых колебаний включается гомеостатический механизм второго порядка и возвращает параметр в заданные пределы. Если происходят какие-либо более мощные изменения и достигаются более амплитудные пределы, то подключаются механизмы гомеостаза следующего уровня и так далее.

Например, при недостатке кислорода в крови (гипоксии) в качестве первого механизма гомеостаза будет запускаться усиление частоты и глубины дыхания. Но при длительном недостатке кислорода в крови, который не устраняется учащённым дыханием, запускается второй механизм гомеостаза: увеличение количества эритроцитов в крови. Для этого будет активироваться процесс выработки эритроцитов (эритропоэз). В результате количество эритроцитов в крови возрастёт, и соответственно повысится концентрация кислорода в крови. Таким образом, данная гомеостатическая константа начнёт возвращаться к норме.

Источник изображения: Зинчук, В В. Нормальная физиология. Краткий курс : учеб. пособие / В. В. Зинчук, О.А. Балбатун, Ю.М. Емельянчик; под ред. В.В. Зинчука. – 3-е изд., стер. – Минск : Вышэйшая школа, 2014. – 431 с.

Механизм гомеостаза третьего порядка

При длительном или постоянном смещении гомеостатического параметра от средней линии к одному из пределов (верхнему или нижнему) включаются компенсационные процессы по гашению процесса смещения, предназначенные для возврате параметра к средней линии. Система этого вида гомеостаза чувствительна к длительному общему смещению средней линии вверх или вниз. Механизмы компенсации должны быть другими по сравнению с гомеостазом первого порядка.

В качестве примера можно представить себе нормально работающий холодильник, в котором вдруг начали непрерывно открывать и закрывать дверцу. Обычных механизмов поддержания холода при этом становится уже недостаточно.
Признаки холодильника с хорошим гомеостазом:
1. Не допускает значительных отклонений от средней линии.
2. Быстро компенсирует появившиеся отклонения
3. Имеет способность к самообучению – в процессе адаптации размах колебания уменьшается.

В отличие от искусственных автоматических систем гомеостатические живые системы, обладают уникальным свойством пластичности. Они перестраивают свою деятельность в результате постоянной нагрузки определённого рода. Самый впечатляющий пример биологической пластичности — это смена знака при управлении обратной связью с «-» на «+» и наоборот.

Гомеостатические реакции, противодействующие отклонению гомеостатической константы

1. Обратимые кратковременные функциональные изменения.

Пример:

При повышении температуры окружающей среды повышается температура тела. В ответ на это начинается кратковременное усиление потоотделения. За счёт этого усиливается испарение и, как следствие — происходит охлаждение организма. После нормализации температуры тела потоотделение возвращается к норме. Таким образом, это было обратимое кратковременное функциональное изменение.

2. Обратимые долговременные функциональные изменения.

Пример:

При воздействии…

3. Необратимые долговременные функциональные изменения.

4. Обратимые кратковременные структурные изменения.

5. Обратимые долговременные структурные изменения.

Пример:

При воздействии на организм интенсивного солнечного света возникают повреждения глубоких слоёв кожи. В ответ на это начинается усиление выработки пигмента меланина клетками кожи. В результате появляется загар, который препятствует глубокому проникновению солнечных лучей под кожу. Процесс повреждения клеток солнечным светом прекращается. После прекращения действия солнечного света через длительный срок пигмент исчезает, и кожные покровы возвращаются к первоначальному состоянию. Таким образом, это был пример обратимого долговременного структурного изменения.

6. Необратимые долговременные структурные изменения.

7. Кратковременные поведенческие реакции.

8. Долговременные поведенческие изменения.

9. Наследственные изменения.

10. Изменения образа жизни.

11. Изменения популяции.

12. Изменение биологического вида.

Переключение регуляции гомеостаза с внутренних нейрогуморальных механизмов на внешние поведенческие

Для понимания того, как просиходит переключение регуляции гомеостаза с внутренних механизмов на внешние, необходимо рассмотреть представления о потребности и мотивации с точки зрения психофизиологии.

1. Сенсорные интерорецепторы, реагирующие на изменение гомеостатических констант организма, через афферентные нейроны передают возникающее в них сенсорное возбуждение в соответствующие функциональные нервные центры продолговатого мозга, среднего мозга и гипоталамуса, которые можно назвать центрами биорегуляции.

2. В этих функциональных нервных центрах определяется отклонение данных констант от нормы. Отклонение констант в заданных пределах устраняется за счёт регуляторных возможностей самих функциональных центров.

3. Однако при отклонении любой гомеостатической константы выше или ниже допустимых пределов функциональные центры передают возбуждение выше: в «потребностные центры» гипоталамуса. Это необходимо для того, чтобы переключиться с внутренней нейрогуморальной регуляции гомеостаза на внешнюю — поведенческую.

4. Возбуждение того или иного потребностного центра гипоталамуса формирует соответствующее ему функциональное состояние, которое субъективно переживается как потребность в чём-то: пище, воде, тепле, холоде или сексе. Возникает активирующее и побуждающее к действию психоэмоциональное состояние неудовлетворённости.

5. Для организации целенаправленного поведения необходимо выбрать только одну из потребностей в качестве первоочередной и создать для её удовлетворения рабочую доминанту. Считается, что главную роль в этом играют миндалины мозга (Сorpus amygdoloideum). Получается, что на основе одной из потребностей, которые формирует гипоталамус, миндалина создаёт ведущую мотивацию, организующую целенаправленное поведение для удовлетворения только одной этой избранной потребности.

6. Следующим этапом можно считать запуск подготовительного поведения, или драйв-рефлекса, который должен повысить вероятность для запуска исполнительного рефлекса в ответ на пусковой стимул. Драйв-рефлекс побуждает организм к созданию такой ситуации, в которой будет повышена вероятность обнаружения объекта, подходящего для удовлетворения текущей потребности. Это может быть, например, перемещение в место, богатое пищей, или водой, или сексульными партнёрами, в зависимости от ведущей потребности. Когда же в достигнутой ситуации обнаруживается конкретный объект, подходящий для удовлетворения данной доминантной потребности, то он запускает исполнительное рефлекторное поведение, направленное на удовлетворение потребности с помощью именно этого объекта.

© 2014-2020 Сазонов В.Ф.  © 2014-2020 kineziolog.bodhy.ru. © 2016-2020 kineziolog.su.

Системы гомеостаза — подробный образовательный ресурс по гомеостазу.

Понятие гомеостаза организма человека в биологии и медицине: определение, свойства, виды и параметры

В организме высших животных выработались приспособления, противодействующие многим влияниям внешней среды, обеспечивающие относительно постоянные условия существования клеток. Это имеет важнейшее значение для жизнедеятельности целостного организма. Иллюстрируем это примерами. Клетки организма теплокровных животных, т. е.

животных, обладающих постоянной температурой тела, нормально функционируют лишь в узких температурных границах (у человека в пределах 36-38°). Сдвиг температуры за пределы этих границ приводит к нарушению жизнедеятельности клеток. Вместе с тем организм теплокровных животных может нормально существовать при значительно более широких колебаниях температуры внешней среды.

Например, полярный медведь может жить при температуре — 70° и +20-30°. Это связано с тем, что в целостном организме регулируется его теплообмен с окружающей средой, т. е. теплообразование (интенсивность, химических процессов, происходящих с освобождением тепла) и теплоотдача. Так, при низкой температуре внешней среды теплообразование увеличивается, а теплоотдача уменьшается.

Поэтому при колебаниях внешней температуры (в некоторых пределах) сохраняется постоянство температуры тела.

Функции клеток организма нормальны лишь при относительном постоянстве осмотического давления, обусловленного постоянством содержания в клетках электролитов и воды. Изменения осмотического давления — его уменьшение или его увеличение — приводят к резким нарушениям функций и структуры клеток.

Организм же как целое может некоторое время существовать и при избыточном поступлении и при лишении его воды, и при больших и малых количествах солей в пище. Это объясняется наличием в организме приспособлений, способствующих поддержанию
постоянства количества воды и электролитов в теле.

В случае избыточного поступления воды значительные ее количества быстро выделяются из организма выделительными органами (почками, потовыми железами, кожей), а при недостатке воды она удерживается в теле.

Равным образом выделительные органы регулируют содержание электролитов в организме: они быстро выводят избыточные их количества или удерживают их в жидкостях организма при недостаточном поступлении солей.

Концентрация отдельных электролитов в крови и в тканевой жидкости, с одной стороны, и в протоплазме клеток — с другой, различна. В крови и в тканевой жидкости содержится больше ионов натрия, а в протоплазме клеток больше ионов калия.

Различие концентрации ионов внутри клетки и вне ее достигается специальным механизмом, удерживающим ионы калия внутри клетки и не позволяющим накапливаться в клетке ионам натрия.

Этот механизм, природа которого еще не ясна, назван натрий-калиевым насосом и связан с процессом обмена веществ клетки.

Клетки организма весьма чувствительны к сдвигам концентрации водородных ионов. Изменение концентрации этих ионов в ту или другую сторону резко нарушает жизнедеятельность клеток.

Для внутренней среды организма характерно постоянство концентрации водородных ионов, зависящее от наличия в крови и тканевой жидкости так называемых буферных систем (стр. 48) и от деятельности органов выделения.

При увеличении содержания кислот или щелочей в крови они быстро выводятся из организма и таким путем поддерживается постоянство концентрации водородных ионов внутренней среды.

Клетки, особенно нервные, очень чувствительны к изменению уровня сахара в крови, служащего важным питательным веществом. Поэтому большое значение для процесса жизнедеятельности имеет постоянство содержания сахара в крови.

Оно достигается тем, что при повышении в крови уровня сахара в печени и мышцах синтезируется из него откладывающийся в клетках полисахарид — гликоген, а при понижении уровня сахара в крови гликоген расщепляется в печени и мышцах и освобождается виноградный сахар, поступающий в кровь.

Постоянство химического состава и физико-химических свойств внутренней среды является важной особенностью организмов высших животных. Для обозначения этого постоянства У. Кеннон предложил термин, получивший широкое распространение, — гомеостаз. Выражением гомеостаза является наличие ряда биологических констант, т. е.

устойчивых количественных показателей, характеризующих нормальное состояние организма.

Такими постоянными по величине показателями являются: температура тела, осмотическое давление крови и тканевой жидкости, содержание в них ионов натрия, калия, кальция, хлора и фосфора, а также белков и сахара, концентрация водородных ионов и ряд других.

Отмечая постоянство состава, физико-химических и биологических свойств внутренней среды, следует подчеркнуть, что оно является не абсолютным, а относительным и динамическим.

Это постоянство достигается непрерывно совершаемой работой ряда органов и тканей, в результате которой выравниваются происходящие под влиянием изменений внешней среды и в результате жизнедеятельности организма сдвиги в составе и физико-химических свойствах внутренней среды.

Роль разных органов и их систем в сохранении гомеостаза различна. Так, система органов пищеварения обеспечивает поступление в кровь питательных веществ в том виде, в каком они могут быть использованы клетками организма.

Система органов кровообращения осуществляет непрерывное движение крови и транспорт различных веществ в организме, в результате чего питательные вещества, кислород и различные химические соединения, образующиеся в самом организме, поступают к клеткам, а продукты распада, в том числе углекислота, выделяемые клетками, переносятся к органам, которые их выводят из организма.

Органы дыхания обеспечивают поступление кислорода в кровь и удаление углекислого газа из организма. Печень и ряд других органов осуществляют значительное число химических превращений — синтез и расщепление многих химических соединений, имеющих значение в жизнедеятельности клеток.

Органы выделения — почки, легкие, потовые железы, кожа — удаляют из организма конечные продукты распада органических веществ и поддерживают постоянство содержания воды и электролитов в крови, а следовательно, в тканевой жидкости и в клетках организма.

В поддержании гомеостаза важнейшая роль принадлежит нервной системе. Чутко реагируя на различные изменения внешней или внутренней среды, она так регулирует деятельность органов и систем, что предупреждаются и выравниваются сдвиги и нарушения, которые происходят или могли бы произойти в организме.

Благодаря развитию приспособлений, обеспечивающих относительное постоянство внутренней среды организма, его клетки менее подвержены изменчивым влияниям внешней среды. Согласно Кл. Бернару, «постоянство внутренней среды является условием свободной и независимой жизни».

Гомеостаз имеет определенные границы. При пребывании, особенно длительном, организма в условиях, которые значительно отличаются от тех, к которым он приспособлен, гомеостаз нарушается и могут произойти сдвиги, несовместимые с нормальной жизнью.

Так, при значительном изменении внешней температуры в сторону как ее повышения, так и понижения, температура тела может повыситься или понизиться и может наступить перегревание или охлаждение организма, приводящее к гибели.

Равным образом, при значительном ограничении поступления в организм воды и солей или полном лишении его этих веществ относительное постоянство состава и физико-химических свойств внутренней среды через некоторое время нарушается и жизнь прекращается.

Высокий уровень гомеостаза возникает лишь на определенных этапах видового и индивидуального развития. Низшие животные не обладают достаточно развитыми приспособлениями для смягчения или устранения влияний изменений внешней среды.

Так, например, относительное постоянство температуры тела (гомойотермия) поддерживается лишь у теплокровных животных. У так называемых холоднокровных животных температура тела близка к температуре внешней среды и представляет переменную величину (пойкилотермия).

У новорожденного животного нет такого постоянства температуры тела, состава и свойств внутренней среды, как у взрослого организма.

Даже небольшие нарушения гомеостаза приводят к патологии, и потому определение относительно постоянных физиологических показателей, таких, как температура тела, артериальное давление крови, состав, физико-химические и биологические свойства крови и т. п., имеет большое диагностическое значение.

Среди свойств, присущих живым существам, упоминают гомеостаз. Этим понятием называют относительное постоянство, характерное для организма. Стоит разобраться детально, для чего нужен гомеостаз, что это такое, и как он проявляется.

Под гомеостазом подразумевают свойство живого организма, позволяющее сохранять важные характеристики в пределах допустимых норм. Для нормального функционирования необходимо постоянство внутренней среды и отдельных показателей.

Внешнее влияние и неблагоприятные факторы приводят к изменениям, что негативно сказывается на общем состоянии. Но организм способен самостоятельно восстанавливаться, возвращая свои характеристики к оптимальным показателям. Это происходит благодаря рассматриваемому свойству.

Рассматривая понятие гомеостаз и выясняя, что это такое, необходимо определить, как реализуется это свойство. Проще всего в этом разобраться на примере клеток. Каждая представляет собой систему, которая характеризуется подвижностью. Под влиянием определенных обстоятельств ее особенности могут меняться.

Для нормальной жизнедеятельности клетка должна обладать теми свойствами, которые оптимальны для ее существования. Если показатели отклоняются от нормы, жизнеспособность снижается. Чтобы не допустить гибели, все свойства должны возвращаться в исходное состояние.

В этом и заключается гомеостаз. Он нейтрализует любые перемены, возникшие вследствие воздействия на клетку.

Определение


Именно их постоянство позволяет поддерживать организм в устойчивом состоянии. Но в дальнейшем была обнаружено, что такая способность присуща любой открытой системе.

Определение гомеостаза изменилось. Теперь так называется саморегуляция открытой системы, которая заключается в поддержании динамического равновесия через осуществление скоординированных реакций. Благодаря им, система сохраняет относительно постоянными параметры, необходимые для нормальной жизнедеятельности.

Этот термин стали употреблять не только в биологии. Он нашел применение в социологии, психологии, медицине и других науках. В каждой из них имеется своя трактовка этому понятию, но суть у них общая — постоянство.

Характеристики


Явлению присущи такие особенности, как:

  1. Стремление к равновесию. Все параметры открытой системы должны находиться в соответствии друг с другом.
  2. Выявление возможностей к адаптации. Прежде, чем параметры будут изменены, система должна установить, есть ли возможность адаптироваться к изменившимся условиям жизнедеятельности. Это происходит путем анализа.
  3. Непредсказуемость результатов. Регуляция показателей не всегда приводит к положительным изменениям.

Рассматриваемое явление представляет собой сложный процесс, осуществление которого зависит от разных обстоятельств. Его протекание обусловлено свойствами открытой системы и особенностями условий ее функционирования.

Применение в биологии


Эта наука приписывает данное свойство всем существам без исключения, независимо от их устройства. Оно характерно одноклеточным и многоклеточным. У одноклеточных проявляется в сохранении постоянства внутренней среды.

У организмов с более сложным строением эта особенность касается отдельных клеток, тканей, органов и систем. Среди параметров, которые должны быть постоянными, можно назвать температуру тела, состав крови, содержание ферментов.

В биологии гомеостаз — это не только сохранение постоянства, но и способность организма приспосабливаться к меняющимся условиям среды.

Биологи различают два типа существ:

  1. Конформационные, у которых организменные показатели сохраняются, независимо от условий. К числу таких относятся теплокровные животные.
  2. Регуляторные, реагирующие на изменения внешней среды и адаптирующиеся к ним. К таким принадлежат земноводные.

При нарушениях в этой сфере восстановление или адаптация не наблюдаются. Организм становится уязвимым и может погибнуть.

Как происходит у человека


Человеческое тело состоит из большого числа клеток, которые взаимосвязаны и образуют ткани, органы, системы органов. Вследствие внешних воздействий в каждой системе и органе могут возникать изменения, которые влекут за собой перемены во всем организме.

Это свойство затрагивает такие параметры, как:

  • температура,
  • содержание питательных веществ,
  • кислотность,
  • состав крови,
  • выведение отходов.

Все эти параметры влияют на состояние человека в целом. От них зависит нормальное протекание химических реакций, способствующих сохранению жизни. Гомеостаз позволяет восстановить прежние показатели после любого воздействия, но не является причиной адаптационных реакций. Это свойство — общая характеристика большого количества процессов, действующих одновременно.

Для крови


Благодаря ей осуществляется снабжение отдельных частей тела кислородом, и производится отток вредных веществ и продуктов обмена.

Если имеются нарушения в крови, то выполнение этих процессов ухудшается, что сказывается на работе органов и систем. От постоянства ее состава зависят все другие функции.

Эта субстанция должна сохранять относительно постоянными следующие параметры:

  • уровень кислотности;
  • осмотическое давление;
  • соотношение электролитов в плазме;
  • количество глюкозы;
  • клеточный состав.

Благодаря наличию способности к поддержанию этих показателей в пределах нормы, они не изменяются даже под влиянием патологических процессов. Незначительные колебания им присущи, и это не вредит. Но они редко превышают нормальные значения.

Это интересно!
Если в данной сфере возникают нарушения, то параметры крови не возвращаются в исходное положение. Это указывает на присутствие серьезных проблем. Организм оказывается неспособным к поддержанию равновесия. В результате возникает риск развития осложнений.

Использование в медицине


В это понятие входят взаимоотношения и взаимодействия всех компонентов, участвующих в реализации регуляторной функции. Оно охватывает обменные процессы, дыхание, кровообращение.

Отличие медицинского термина заключается в том, что наука рассматривает гомеостаз как вспомогательный фактор лечения. При заболеваниях организменные функции нарушаются из-за повреждений органов. Это отражается на всем теле целиком.

Восстановить деятельность проблемного органа удается с помощью терапии. Повышению ее эффективности способствует рассматриваемая способность.

Благодаря процедурам организм сам направляет усилия на ликвидацию патологических явлений, стремясь восстановить нормальные параметры.

При отсутствии возможностей для этого включается механизм адаптации, который проявляется в снижении нагрузок на поврежденный орган. Это позволяет снизить ущерб и не допустить активного прогрессирования болезни. Можно сказать, что такое понятие, как гомеостаз, в медицине рассматривают с практической стороны.

Википедия


Объясняется такой подход тем, что при отсутствии данного свойства живому существу будет трудно приспособиться к меняющимся условиям среды и развиваться в нужном направлении.

А при возникновении нарушений в функционировании существо просто погибнет, поскольку не сумеет вернуться в нормальное состояние.

Важно!
Для того, чтобы процесс осуществлялся, необходимо чтобы все органы и системы работали слаженно. Это обеспечит сохранение всех жизненно важных параметров в нормальных пределах. Если отдельный показатель не поддается регуляции, это указывает на проблемы с реализацией данного процесса.

Примеры


Понять, что собой представляет гомеостаз в организме, помогут примеры этого явления. Одним из них является сохранение постоянной температуры тела. Некоторые изменения ей присущи, но они незначительны.

Серьезное повышение температуры наблюдается лишь при наличии заболеваний. Еще одним примером называют показатели артериального давления. Существенное повышение или понижение показателей возникает при нарушениях здоровья.

При этом организм стремится вернуть нормальные характеристики.

Источник: https://elec-club.ru/appliances/chto-otvechaet-za-podderzhanie-gomeostaza-ponyatie-gomeostaza-organizma-cheloveka-v/

Характеристика, функции, примеры и механизмы поддержания гомеостаза

Гомеостаз — любой саморегулирующийся процесс, с помощью которого биологические системы устремляются к поддержанию внутренней стабильности, приспосабливаясь к оптимальным для выживания условиям.

Если гомеостаз успешен, то жизнь продолжается; в противном случае, произойдет бедствие или смерть.

Достигнутая стабильность фактически является динамическим равновесием, в котором происходят непрерывные изменения, но преобладают относительно однородные условия.

Особенности и роль гомеостаза

Любая система в динамическом равновесии желает достичь устойчивого состояния, баланса, который противостоит внешним изменениям.

Когда такая система нарушена, встроенные регулирующие устройства реагируют на отклонения, чтобы установить новый баланс. Такой процесс является одним из элементов управления с обратной связью.

Примерами гомеостатической регуляции являются все процессы интеграции и координации функций, опосредованные электрическими цепями и нервными или гормональными системами.

Другим примером гомеостатической регуляции в механической системе является действие регулятора комнатной температуры или термостата.

Сердцем термостата является биметаллическая полоса, которая реагирует на изменения температуры, завершая или нарушая электрическую цепь.

Когда помещение охлаждается, то контур завершается и включается обогрев, а температура поднимается. На заданном уровне цепь прерывается, печь останавливается, и температура падает.

Однако биологические системы, имеющие большую сложность, обладают регуляторами, которые сложно сравнивать с механическими устройствами.

Как отмечалось ранее, термин гомеостаз относится к поддержанию внутренней среды тела в узких и жестко контролируемых пределах. Основными функциями, важными для поддержания гомеостаза, являются баланс жидкости и электролита, регулирование кислотной среды, терморегуляция и метаболический контроль.

Контроль температура тела у людей считается отличным примером гомеостаза в биологической системе.

Нормальная температура тела человека составляет около 37° C, но различные факторы могут влиять на этот показатель, включая гормоны, скорость метаболизма и болезни, приводящие к чрезмерно высоким или низким температурам. Регулирование температуры тела контролируется областью мозга, называемой Гипоталамус.

Обратная связь о температуре тела переносится через кровоток в мозг и приводит к компенсационным корректировкам в скорости дыхания, уровне сахара в крови и скорости метаболизма. Потеря тепла у людей обеспечивается уменьшением активности, потоотделением и механизмами теплообмена, которые позволяют большему количеству крови циркулировать вблизи поверхности кожи.

Снижение потерь тепла осуществляется за счет изоляции, уменьшения циркуляции на коже и культурных изменений, таких как использование одежды, жилья и сторонних источников тепла.

Диапазон между высокими и низкими уровнями температуры тела составляет гомеостатическое плато — «нормальный» диапазон, который поддерживает жизнь.

По мере приближения к любой из двух крайностей, корректирующее действие (через отрицательную обратную связь) возвращает систему в нормальный диапазон.

Концепция гомеостаза также применяется к экологическим условиям. Впервые предложенная американским экологом Робертом Макартуром в 1955 году идея, что гомеостаз в экосистемах является продуктом сочетания биоразнообразия и большого количества экологических взаимодействий, происходящих между видами.

Такое предположение считалось концепцией, которая могла бы помочь объяснить устойчивость экологической системы, то есть ее сохранение как определенного типа экосистемы с течением времени.

С тех пор концепция несколько изменилась, и включила неживую составляющую экосистемы.

Этот термин использовался многими экологами для описания взаимности, которая происходит между живыми и неживыми составляющими экосистемы для поддержания статус-кво.

Гипотеза Геи — модель Земли, предложенная английским ученым Джеймсом Лавлоком, которая рассматривает различные живые и неживые составляющие, как компоненты более крупной системы или единого организма, делая предположение, что коллективные усилия отдельных организмов вносят вклад в гомеостаз на планетарном уровне.

Клеточный гомеостаз

Клетки зависят от среды тела, чтобы сохранять жизнеспособность и правильно функционировать. Гомеостаз поддерживает среду тела под контролем и сохраняет благоприятные условия для клеточных процессов. Без правильных условий тела определенные процессы (к примеру, осмос) и белки (к примеру, ферменты) не будут функционировать должным образом.

Почему гомеостаз важен для клеток? Живые клетки зависят от движения химических веществ вокруг них. Химические вещества, такие как кислород, углекислый газ и растворенная пища, необходимо транспортировать в клетки и из них. Это осуществляется процессами диффузии и осмоса, зависящих от баланса воды и соли в теле, которые поддерживаются гомеостазом.

Клетки зависят от ферментов, чтобы ускорить многие химические реакции, поддерживающие жизнедеятельность и функциональность клеток. Эти ферменты работают лучше всего при определенных температурах, и поэтому снова гомеостаз жизненно важен для клеток, поскольку он поддерживает постоянную температуру тела.

Примеры и механизмы гомеостаза

Вот несколько основных примеров гомеостаза в теле человека, а также поддерживающие их механизмы:

Температура тела

Наиболее распространенным примером гомеостаза у людей является регулирование температуры тела. Нормальная температура тела, как мы писали выше составляет 37° C. Температура выше или ниже нормальных показателей может вызывать серьезные осложнения.

Мышечная недостаточность возникает при температуре 28° C. При 33° C происходит потеря сознания. При температуре 42° C центральная нервная система начинает разрушаться. Смерть наступает при температуре 44° C. Тело контролирует температуру путем выработки или высвобождения избыточного тепла.

Концентрация глюкозы

Концентрация глюкозы относится к количеству глюкозы (сахара в крови), присутствующего в кровотоке.

Организм использует глюкозу в качестве источника энергии, но ее избыток или недостаток может вызвать серьезные осложнения. Некоторые гормоны осуществляют регулирования концентрации глюкозы в крови.

Инсулин снижает концентрацию глюкозы, в то время как кортизол, глюкагон и катехоламины увеличивают.

Уровни кальция

Кости и зубы содержат приблизительно 99% кальция в организме, в то время как оставшийся 1% циркулируют в крови. Слишком большое или недостаточное содержание кальция в крови имеют негативные последствия. Если уровень кальция в крови слишком сильно снижается, паращитовидные железы активируют свои рецепторы, чувствительные к кальцию, и высвобождают паратиреоидный гормон.

ПТГ сигнализирует костям он необходимости высвобождения кальция, чтобы увеличить его концентрацию в кровотоке. Если уровень кальция увеличивается слишком сильно, щитовидная железа высвобождает кальцитонин и фиксирует избыток кальция в костях, тем самым уменьшая количество кальция в крови.

Объем жидкости

Тело должно поддерживать постоянную внутреннюю среду, а это означает, что ему необходимо регулировать потерю или восполнение жидкости. Гормоны помогают регулировать этот баланс, вызывая экскрецию или удерживание жидкости.

Если организму не хватает жидкости, антидиуретический гормон сигнализирует почкам о сохранении жидкости и уменьшает выход мочи.

Если организм содержит слишком много жидкости, он подавляет альдостерон и сигнализирует о выделении большего количества мочи.

Источник: https://NatWorld.info/raznoe-o-prirode/harakteristika-funkcii-primery-i-mehanizmy-podderzhanija-gomeostaza

Понятие гомеостаза

Сазонов В.Ф. Понятие гомеостаза

Введение

Одним из важнейших свойств живых организмов является постоянство их внутренней среды, которая может существенно отличаться по своему составу от внешней среды, окружающей организм. Например, рыбы, живущие в солёной морской воде, имеют менее солёную внутреннюю среду, и наоборот, рыбы, живущие в пресной воде, сохраняют свою внутреннюю среду более солёной по сравнению с окружающей их водой.

Представление о постоянстве внутренней среды организма было введено в физиологию и медицину французским физиологом Клодом Бернаром. В 1878 г. он сформулировал гипотезу об относительном постоянстве внутренней среды живых организмов. И только в 1929 (1932) г.

американский физиолог Уолтер Кэннон предложил для обозначения постоянства внутренней среды организма термин “гомеостаз”.

Он показал, что способность организма к поддержанию гомеостаза обеспечивается специальными системами регуляции, которые можно рассматривать по-отдельности как связанные между собой «системы гомеостаза».

Гипоталамус — главная нервная структура, поддерживающая гомеостаз организма. Для этого у него существует своя рецептивная система и центры гомеостатической регуляции.

Определение понятия

Гомеостаз в широком значении — это явление поддержания постоянного уравновешенного состояния открытой динамической системы вопреки возмущающим воздействиям на неё.

способности различных открытых систем сохранять постоянство своего внутреннего состояния при наличии возмущающих воздействий

Источник: https://vikent.ru/enc/595/

способности различных открытых систем сохранять постоянство своего внутреннего состояния при наличии возмущающих воздействий

Источник: https://vikent.ru/enc/595/

Гомеостаз в биологическом значении — это поддержание постоянства внутренней среды организма.

Гомеостаз в общем смысле — это сохранение динамического равновесия системы в борьбе с отклонениями её значимых констант от заданных параметров.

 © 2013-2018 Сазонов В.Ф. © 2013-2016 kineziolog.bodhy.ru. © 2016-2018 kineziolog.su.

  • Гомеокинез — это совокупность процессов, обеспечивающих гомеостаз.
  • Смысл гомеокинеза — поддержание гомеостатических констант в заданных пределах.
  • Способ поддержания гомеостатических констант в заданных пределах — противодействие отклонениям гомеостатических констант от физиологической нормы.
  • Примеры гомеостатического контроля заданных параметров (гомеостатических констант):
  • на уровне организма — артериальное давление (АД), базальная температура тела, объём циркулирующей крови и множество других параметров;
  • на уровне межклеточного пространства (на примере плазмы крови) — содержание кислорода, углекислоты, глюкозы, K+, Na+, Ca2+, Н+ и множество других;
  • на уровне клеток — объём клеток и их органоидов, концентрация ионов (например, K+, Na+ и Ca2+), а также макроэргических соединений (например, АТФ).

Изменения гомеостатических констант

Значения гомеостатических констант не являются абсолютной нормой. Они могут изменяться под воздействием условий окружающей среды и выходить на уровень нового «коридора нормы».

Так, например, считается, что количество сахара (глюкозы) в крови может колебаться в пределах 80-100 мг/дл (это норма), а низкое содержание сахара в крови (менее 60-70 мг/дл) — это уже гипогликемия.

Концентрация сахара (глюкозы) в крови — это системообразующий фактор углеводного гомеостаза. Его концентрация должна поддерживаться на постоянном уровне в довольно узких пределах в качестве «гомеостатической константы». Значительное снижение его содержания в крови приводит к гипогликемической коме — потере сознания из-за недостаточного снабжения клеток мозга глюкозой.

Но вот массовое обследование пришлого населения в условиях Азиатского Севера показало, что содержание сахара (глюкозы) в крови у этих людей находится на нижней границе нормы.

У отдельных лиц, постоянно сталкивающихся с экстремальными факторами высоких широт (например, работающих на открытом воздухе в зимних условиях), количество сахара в крови может снижаться до 45-50 мг/дл.

Кроме низкого содержания сахара, никаких признаков гипогликемии нет, организм здоров и работоспособен. Такие случаи наблюдались в Антарктиде.

Анализ причин этого явления показал, что в условиях хронического напряжения снижается почечный барьер для сахара, т.е. тот уровень его в крови, при превышении которого сахар начинает появляться в моче. Также в крови оказалось несколько повышено содержание молочной и в меньшей степени пировиноградной кислоты. Выявлены изменения со стороны ключевых ферментов углеводного обмена.

В таких случаях можно сказать, что данная детерминантная система перешла на новый уровень гомеостаза.

Содержание липидных фракций в крови в условиях Заполярья оказалось выше, чем в средних широтах. Повышенным оказалось содержание общих липидов, свободных жирных кислот, липопротеидов различных классов и др. На Севере жиры начинают использоваться в большей степени, а углеводы — в меньшей степени как энергетический материал.

Можно сделать важный вывод о том, что углеводный гомеостаз работает как соподчиненная система белее высокого уровня системной организации — энергетического гомеостаза.

Несмотря на повышенное содержание липидов в крови, при этом не создается условий, благоприятствующих развитию атеросклероза.

Это связано с тем, что у пришлого населения Заполярья в большей степени увеличено содержание ЛПВП (неатерогенной фракции липидов), чем ЛПНП и ЛПОНП (атерогенной фракции). Выше активность липопротеиновой липазы — фермента, превращающего ЛПОНП в ЛПВП, т.е. в неопасные фракции липидов.

Итак, обмен углеводов и липидов в организме следует рассматривать как единое целое, точнее как взаимосвязанные составные части энергетического обмена.

На Крайнем Севере выше артериовенозная разность для свободных жирных кислот (суммарной фракции ЛПНП и ЛПОНП) и ниже для сахара, чем в условиях средних широт. Все это дает основание считать, что при длительном напряжении организма реализуется новая программа действия: переключение энергетического обмена с углеводного типа на липидный.

Отмечено также снижение содержания в крови водорастворимых витаминов, таких как В1, В2 и С. Для них, как и для сахара крови, почечный барьер также ниже, чем в средних широтах. Дополнительное введение витаминов в виде различных фармакологических препаратов (витаминных драже, напитков и др.) не приводит к стойкому повышению содержания их в крови, т.е.

выше уровня почечного барьера. Такой гиповитаминоз на Севере не патология, а местная норма. Мы можем считать его местной гомеостатической константой. Несмотря на пониженное содержание водорастворимых витаминов в крови, активность ферментов, в которые эти витамины входят как кофакторы, такая же, как в средних широтах.

В целом отмеченные изменения гомеостатических констант носят адаптационный характер и целесообразны для конкретного климата, для конкретной местности.

Источник: Панин Л. Е. Системные представления о гомеостазе // Бюллетень СО РАМН. 2007. №5. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sistemnye-predstavleniya-o-gomeostaze (дата обращения: 12.11.2018).

Механизмы поддержания гомеостаза

Системы гомеостаза — подробный образовательный ресурс по гомеостазу.

Источник: http://kineziolog.su/content/ponyatie-gomeostaza

Гомеостаз — это… Что такое Гомеостаз?

Гомеоста́з (др.-греч.

ὁμοιοστάσις от ὁμοιος — одинаковый, подобный и στάσις — стояние, неподвижность) — саморегуляция, способность открытой системы сохранять постоянство своего внутреннего состояния посредством скоординированных реакций, направленных на поддержание динамического равновесия. Стремление системы воспроизводить себя, восстанавливать утраченное равновесие, преодолевать сопротивление внешней среды.

Гомеостаз популяции — способность популяции поддерживать определённую численность своих особей длительное время.

Американский физиолог Уолтер Кеннон (Walter B.

Cannon) в 1932 году в своей книге «The Wisdom of the Body» («Мудрость тела») предложил этот термин как название для «координированных физиологических процессов, которые поддерживают большинство устойчивых состояний организма».

В дальнейшем этот термин распространился на способность динамически сохранять постоянство своего внутреннего состояния любой открытой системы. Однако представление о постоянстве внутренней среды было сформулировано ещё в 1878 году французским учёным Клодом Бернаром.

Термин «гомеостаз» чаще всего применяется в биологии. Многоклеточным организмам для существования необходимо сохранять постоянство внутренней среды. Многие экологи убеждены, что этот принцип применим также и к внешней среде. Если система неспособна восстановить свой баланс, она может в итоге перестать функционировать.

Комплексные системы — например, организм человека — должны обладать гомеостазом, чтобы сохранять стабильность и существовать. Эти системы не только должны стремиться выжить, им также приходится адаптироваться к изменениям среды и развиваться.

Свойства гомеостаза

Гомеостатические системы обладают следующими свойствами:

  • Нестабильность системы: тестирует, каким образом ей лучше приспособиться.
  • Стремление к равновесию: вся внутренняя, структурная и функциональная организация систем способствует сохранению баланса.
  • Непредсказуемость: результирующий эффект от определённого действия зачастую может отличаться от того, который ожидался.

Примеры гомеостаза у млекопитающих:

Важно отметить, что, хотя организм находится в равновесии, его физиологическое состояние может быть динамическим.

Во многих организмах наблюдаются эндогенные изменения в форме циркадного, ультрадианного и инфрадианного ритмов.

Так, даже находясь в гомеостазе, температура тела, кровяное давление, частота сердечных сокращений и большинство метаболических индикаторов не всегда находятся на постоянном уровне, но изменяются в течение времени.

Механизмы гомеостаза: обратная связь

Основная статья: Обратная связь

Когда происходит изменение в переменных, наблюдаются два основных типа обратной связи, на которые реагирует система:

  1. Отрицательная обратная связь, выражающаяся в реакции, при которой система отвечает так, чтобы изменить направление изменения на противоположное. Так как обратная связь служит сохранению постоянства системы, это позволяет соблюдать гомеостаз.
    • Например, когда концентрация углекислого газа в организме человека увеличивается, лёгким приходит сигнал к увеличению их активности и выдыханию большего количество углекислого газа.
    • Терморегуляция — другой пример отрицательной обратной связи. Когда температура тела повышается (или понижается) терморецепторы в коже и гипоталамусе регистрируют изменение, вызывая сигнал из мозга. Данный сигнал, в свою очередь, вызывает ответ — понижение температуры (или повышение).
  2. Положительная обратная связь, которая выражается в усилении изменения переменной. Она оказывает дестабилизирующий эффект, поэтому не приводит к гомеостазу. Положительная обратная связь реже встречается в естественных системах, но также имеет своё применение.
    • Например, в нервах пороговый электрический потенциал вызывает генерацию намного большего потенциала действия. Свёртывание крови и события при рождении можно привести в качестве других примеров положительной обратной связи.

Устойчивым системам необходимы комбинации из обоих типов обратной связи.

Тогда как отрицательная обратная связь позволяет вернуться к гомеостатическому состоянию, положительная обратная связь используется для перехода к совершенно новому (и, вполне может быть, менее желанному) состоянию гомеостаза, — такая ситуация называется «метастабильность».

Такие катастрофические изменения могут происходить, например, с увеличением питательных веществ в реках с прозрачной водой, что приводит к гомеостатическому состоянию высокой эвтрофикации (зарастание русла водорослями) и замутнению.

Экологический гомеостаз

Экологический гомеостаз наблюдается в климаксовых сообществах с максимально возможным биоразнообразием при благоприятных условиях среды.

В нарушенных экосистемах, или субклимаксовых биологических сообществах — как, например, остров Кракатау, после сильного извержения вулкана в 1883 — состояние гомеостаза предыдущей лесной климаксовой экосистемы было уничтожено, как и вся жизнь на этом острове.

Кракатау за годы после извержения прошёл цепь экологических изменений, в которых новые виды растений и животных сменяли друг друга, что привело к биологической вариативности и в результате климаксовому сообществу. Экологическая сукцессия на Кракатау осуществилась за несколько этапов.

Полная цепь сукцессий, приведшая к климаксу, называется присерией. В примере с Кракатау на этом острове образовалось климаксовое сообщество с восемью тысячами различных видов, зарегистрированных в 1983, спустя сто лет с того времени, как извержение уничтожило на нём жизнь.

Данные подтверждают, что положение сохраняется в гомеостазе в течение некоторого времени, при этом появление новых видов очень быстро приводит к быстрому исчезновению старых.

Случай с Кракатау и другими нарушенными или нетронутыми экосистемами показывает, что первоначальная колонизация пионерными видами осуществляется через стратегии воспроизведения, основанные на положительной обратной связи, при которых виды расселяются, производя на свет как можно больше потомства, но при этом практически не вкладываясь в успех каждого отдельного. В таких видах наблюдается стремительное развитие и столь же стремительный крах (например, через эпидемию). Когда экосистема приближается к климаксу, такие виды заменяются более сложными климаксовыми видами, которые через отрицательную обратную связь адаптируются к специфическим условиям окружающей их среды. Эти виды тщательно контролируются потенциальной ёмкостью экосистемы и следуют иной стратегии — произведению на свет меньшего потомства, в репродуктивный успех которого в условиях микросреды его специфической экологической ниши вкладывается больше энергии.

Развитие начинается с пионер-сообщества и заканчивается на климаксовом сообществе. Это климаксовое сообщество образуется, когда флора и фауна пришла в баланс с местной средой.

Подобные экосистемы формируют гетерархии, в которых гомеостаз на одном уровне способствует гомеостатическим процессам на другом комплексном уровне. К примеру, потеря листьев у зрелого тропического дерева даёт место для новой поросли и обогащает почву.

В равной степени тропическое дерево уменьшает доступ света на низшие уровни и помогает предотвратить инвазию других видов. Но и деревья падают на землю и развитие леса зависит от постоянной смены деревьев, круговорота питательных веществ, осуществляемого бактериями, насекомыми, грибами.

Схожим образом такие леса способствуют экологическим процессам — таким, как регуляция микроклиматов или гидрологических циклов экосистемы, а несколько разных экосистем могут взаимодействовать для поддержания гомеостаза речного дренажа в рамках биологического региона.

Вариативность биорегионов так же играет роль в гомеостатической стабильности биологического региона, или биома.

Биологический гомеостаз

Гомеостаз выступает в роли фундаментальной характеристики живых организмов и понимается как поддержание внутренней среды в допустимых пределах.

Внутренняя среда организма включает в себя организменные жидкости — плазму крови, лимфу, межклеточное вещество и цереброспинальную жидкость. Сохранение стабильности этих жидкостей жизненно важно для организмов, тогда как её отсутствие приводит к повреждению генетического материала.

В отношении любого параметра организмы делятся на конформационные и регуляторные. Регуляторные организмы сохраняют параметр на постоянном уровне, независимо от того, что происходит в среде.

Конформационные организмы позволяют окружающей среде определять параметр.

Например, теплокровные животные сохраняют постоянную температуру тела, тогда как холоднокровные демонстрируют широкий диапазон температур.

Речь не идёт о том, что конформационные организмы не обладают поведенческими приспособлениями, позволяющими им в некоторой степени регулировать взятый параметр. Рептилии, к примеру, часто сидят на нагретых камнях утром, чтобы повысить температуру тела.

Преимущество гомеостатической регуляции состоит в том, что она позволяет организму функционировать более эффективно.

Например, холоднокровные животные, как правило, становятся вялыми при низких температурах, тогда как теплокровные почти так же активны, как и всегда. С другой стороны, регуляция требует энергии.

Причина, почему некоторые змеи могут есть только раз в неделю, состоит в том, что они тратят намного меньше энергии для поддержания гомеостаза, чем млекопитающие.

Клеточный гомеостаз

Регуляция химической деятельности клетки достигается с помощью ряда процессов, среди которых особое значение имеет изменение структуры самой цитоплазмы, а также структуры и активности ферментов. Авторегуляция зависит от температуры, степени кислотности, концентрации субстрата, присутствия некоторых макро- и микроэлементов.

Гомеостаз в организме человека

Разные факторы влияют на способность жидкостей организма поддерживать жизнь.

В их числе такие параметры, как температура, солёность, кислотность и концентрация питательных веществ — глюкозы, различных ионов, кислорода, и отходов — углекислого газа и мочи.

Так как эти параметры влияют на химические реакции, которые сохраняют организм живым, существуют встроенные физиологические механизмы для поддержания их на необходимом уровне.

Гомеостаз нельзя считать причиной процессов этих бессознательных адаптаций. Его следует воспринимать как общую характеристику многих нормальных процессов, действующих совместно, а не как их первопричину. Более того, существует множество биологических явлений, которые не подходят под эту модель — например, анаболизм.

Другие сферы

Понятие «гомеостаз» используется также и в других сферах.

Актуарий может говорить о рисковом гомеостазе, при котором, к примеру, люди, у которых на машине установлены незаклинивающие тормоза, не находятся в более безопасном положении по сравнению с теми, у кого они не установлены, потому что эти люди бессознательно компенсируют более безопасный автомобиль рискованной ездой. Это происходит потому, что некоторые удерживающие механизмы — например, страх — перестают действовать.

Социологи и психологи могут говорить о стрессовом гомеостазе — стремлении популяции или индивида оставаться на определённом стрессовом уровне, зачастую искусственно вызывая стресс, если «естественного» уровня стресса недостаточно.

Примеры

Многие из этих органов контролируются гормонами гипоталамо-гипофизарной системы.

См. также

Источник: https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/17295

Гомеостаз определение биология. Понятие гомеостаза организма человека в медицине и биологии

Гомеостаз
(от греч.

— подобный, одинаковый + состояние, неподвижность) — относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды и устойчивость основных физиологических функций живого организма; сохранение постоянства видового состава и числа особей в биоценозах; способность популяции поддерживать динамическое равновесие генетического состава, что обеспечивает ее максимальную жизнеспособность. (БСЭ
)

Гомеостаз
— постоянство характеристик, существенных для жизнедеятельности системы, при наличии возмущений во внешней среде; состояние относительного постоянства; относительная независимость внутренней среды от внешних условий. (Новосельцев В.Н.)

Гомеостаз —
способность открытой системы сохранять постоянство своего внутреннего состояния посредством скоординированных реакций, направленных на поддержание динамического равновесия.

Американский физиолог Уолтер Брэдфорд Кэннон (Walter B. Cannon) в 1932 году в своей книге «The Wisdom of the Body» («Мудрость тела») предложил этот термин как название для «координированных физиологических процессов, которое поддерживают большинство устойчивых состояний организма».

Слово «гомеостазис
» можно перевести как «сила устойчивости».

Термин «гомеостаз» чаще всего применяется в биологии. Многоклеточным организмам для существования необходимо сохранять постоянство внутренней среды. Многие экологи убеждены, что этот принцип применим также и к внешней среде.

Если система неспособна восстановить свой баланс, она может в итоге перестать функционировать.
Комплексные системы — например, организм человека — должны обладать гомеостазом, чтобы сохранять стабильность и существовать.

Эти системы не только должны стремиться выжить, им также приходится адаптироваться к изменениям среды и развиваться.

Гомеостатические системы обладают следующими свойствами: — Нестабильность: системы тестирует, каким образом ей лучше приспособиться. — Стремление к равновесию: вся внутренняя, структурная и функциональная организация систем способствует сохранению баланса.

— Непредсказуемость: результирующий эффект от определённого действия зачастую может отличаться от того, который ожидался.

Примеры гомеостаза в млекопитающих: — Регуляция количества минеральных веществ и воды в теле, — осморегуляция. Осуществляется в почках. — Удаление отходов процесса обмена веществ, — выделение.

Осуществляется экзокринными органами — почками, лёгкими, потовыми железами. — Регуляция температуры тела. Понижение температуры через потоотделение, разнообразные терморегулирующие реакции. — Регуляция уровня глюкозы в крови.

В основном осуществляется печенью, инсулином и глюкагоном, выделяемыми поджелудочной железой.

Важно отметить, что, хотя организм находится в равновесии, его физиологическое состояние может быть динамическим.

Во многих организмах наблюдаются эндогенные изменения в форме циркадного, ультрадианного и инфрадианного ритмов.

Так, даже находясь в гомеостазе, температура тела, кровяное давление, частота сердечных сокращений и большинство метаболических индикаторов не всегда находятся на постоянном уровне, но изменяются в течение времени.

Механизмы гомеостаза: обратная связь

Когда происходит изменение в переменных, наблюдаются два основных типа обратной связи, или фидбека, на которые реагирует система:
1.

Отрицательная обратная связь
, выражающаяся в реакции, при которой система отвечает так, чтобы изменить направление изменения на противоположное. Так как обратная связь служит сохранению постоянства системы, это позволяет соблюдать гомеостаз.

Например, когда концентрация углекислого газа в организме человека увеличивается, лёгким приходит сигнал к увеличению их активности и выдыханию большего количество углекислого газа.
Терморегуляция — другой пример отрицательной обратной связи.

Когда температура тела повышается (или понижается) терморецепторы в коже и гипоталамусе регистрируют изменение, вызывая сигнал из мозга. Данный сигнал, в свою очередь, вызывает ответ — понижение температуры.

2. Положительная обратная связь
, которая выражается в усилении изменения переменной. Она оказывает дестабилизирующий эффект, поэтому не приводит к гомеостазу. Положительная обратная связь реже встречается в естественных системах, но также имеет своё применение.

Например, в нервах пороговый электрический потенциал вызывает генерацию намного большего потенциала действия. Свёртывание крови и события при рождении можно привести в качестве других примеров положительной обратной связи.

Устойчивым системам необходимы комбинации из обоих типов обратной связи.

Тогда как отрицательная обратная связь позволяет вернуться к гомеостатическому состоянию, положительная обратная связь используется для перехода к совершенно новому (и, вполне может быть, менее желанному) состоянию гомеостаза, — такая ситуация называется «метастабильность».

Такие катастрофические изменения могут происходить, например, с увеличением питательных веществ в реках с прозрачной водой, что приводит к гомеостатическому состоянию высокой эвтрофикации (зарастание русла водорослями) и замутнению.

Экологический гомеостаз
наблюдается в климаксовых сообществах с максимально доступной биологической вариативностью при благоприятных условиях среды.

В нарушенных экосистемах, или субклимаксовых биологических сообществах — как, например, остров Кракатау, после сильного извержения вулкана в 1883 — состояние гомеостаза предыдущей лесной климаксовой экосистемы было уничтожено, как и вся жизнь на этом острове.

Кракатау за годы после извержения прошёл цепь экологических изменений, в которых новые виды растений и животных сменяли друг друга, что привело к биологической вариативности и в результате климаксовому сообществу. Экологическая сукцессия на Кракатау осуществилась за несколько этапов. Полная цепь сукцессий, приведшая к климаксу, называется присерией.

В примере с Кракатау на этом острове образовалось климаксовое сообщество с восемью тысячами различных видов, зарегистрированных в 1983, спустя сто лет с того времени, как извержение уничтожило на нём жизнь.

Данные подтверждают, что положение сохраняется в гомеостазе в течение некоторого времени, при этом появление новых видов очень быстро приводит к быстрому исчезновению старых.

Случай с Кракатау и другими нарушенными или нетронутыми экосистемами показывает, что первоначальная колонизация пионерными видами осуществляется через стратегии воспроизведения, основанные на положительной обратной связи, при которых виды расселяются, производя на свет как можно больше потомства, но при этом практически не вкладываясь в успех каждого отдельного.

В таких видах наблюдается стремительное развитие и столь же стремительный крах (например, через эпидемию). Когда экосистема приближается к климаксу, такие виды заменяются более сложными климаксовыми видами, которые через отрицательную обратную связь адаптируются к специфическим условиям окружающей их среды. Эти виды тщательно контролируются потенциальной ёмкостью экосистемы и следуют иной стратегии — произведению на свет меньшего потомства, в репродуктивный успех которого в условиях микросреды его специфической экологической ниши вкладывается больше энергии.
Развитие начинается с пионер-сообщества и заканчивается на климаксовом сообществе. Это климаксовое сообщество образуется, когда флора и фауна пришла в баланс с местной средой.

Подобные экосистемы формируют гетерархии, в которых гомеостаз на одном уровне способствует гомеостатическим процессам на другом комплексном уровне. К примеру, потеря листьев у зрелого тропического дерева даёт место для новой поросли и обогащает почву.

В равной степени тропическое дерево уменьшает доступ света на низшие уровни и помогает предотвратить инвазию других видов. Но и деревья падают на землю и развитие леса зависит от постоянной смены деревьев, круговорота питательных веществ, осуществляемого бактериями, насекомыми, грибами.

Схожим образом такие леса способствуют экологическим процессам — таким, как регуляция микроклиматов или гидрологических циклов экосистемы, а несколько разных экосистем могут взаимодействовать для поддержания гомеостаза речного дренажа в рамках биологического региона.

Вариативность биорегионов так же играет роль в гомеостатической стабильности биологического региона, или биома.

Биологический гомеостаз
выступает в роли фундаментальной характеристики живых организмов и понимается как поддержание внутренней среды в допустимых пределах.
Внутренняя среда организма включает в себя организменные жидкости — плазму крови, лимфу, межклеточное вещество и цереброспинальную жидкость.

Сохранение стабильности этих жидкостей жизненно важно для организмов, тогда как её отсутствие приводит к повреждению генетического материала.
В отношении любого параметра организмы делятся на конформационные и регуляторные. Регуляторные организмы сохраняют параметр на постоянном уровне, независимо от того, что происходит в среде.

Конформационные организмы позволяют окружающей среде определять параметр. Например, теплокровные животные сохраняют постоянную температуру тела, тогда холоднокровные демонстрируют широкий диапазон температур.

Речь не идёт о том, что конформационные организмы не обладают поведенческими приспособлениями, позволяющими им в некоторой степени регулировать взятый параметр. Рептилии, к примеру, часто сидят на нагретых камнях утром, чтобы повысить температуру тела.

Преимущество гомеостатической регуляции состоит в том, что она позволяет организму функционировать более эффективно.

Например, холоднокровные животные, как правило, становятся вялыми при низких температурах, тогда как теплокровные почти так же активны, как и всегда. С другой стороны, регуляция требует энергии.

Причина, почему некоторые змеи могут есть только раз в неделю, лежит в том, что они тратят намного меньше энергии для поддержания гомеостаза, чем млекопитающие.

Гомеостаз в организме человекаРазные факторы влияют на способность жидкостей организма поддерживать жизнь, в их числе такие параметры, как температура, и солёность, и кислотность, и концентрация питательных веществ — глюкозы, различных ионов, кислорода, и отходов — углекислого газа и мочи. Так как эти параметры влияют на химические реакции, которые сохраняют организм живым, существуют встроенные физиологические механизмы для поддержания их на необходимом уровне.
Гомеостаз нельзя считать причиной процессов эти бессознательных адаптаций. Его следует воспринимать как общую характеристику многих нормальных процессов, действующих совместно, а не как их первопричину. Более того, существует множество биологических явлений, которые не подходят под эту модель — например, анаболизм. (Из Интернета
)

Гомеостаз
— относительная динамическая устойчивость характеристик внутренней среды биологических и социальных (надбиологических) объектов.
Применительно к компании
гомеостаз
— это устойчивость внутренних процессов при минимуме усилий персонала. (Королев В.А.
)

Гомеостат

Гомеостат
— механизм поддержания динамического постоянства функционирования системы в заданных пределах. (Степанов А.М.
)

Гомеостат
(др.-греч.

— подобный, одинаковый + стоящий, неподвижный) — механизм обеспечения гомеостаза, ансамбль сигнально-регуляторных связей, которые координируют деятельность и взаимодействие частей компании
, а также корректируют её поведение в отношениях с изменчивой внешней средой в целях обеспечения гомеостаза.

Синоним архаичного термина «управление», который в компаниях низших уровней эволюции традиционно понимается как командование и, соответственно, механизм обеспечения прохождения и выполнения команд; т.е. выполняющего только часть функций гомеостата. (Королев В.А.
)

Гомеостат
— самоорганизующаяся система, моделирующая способность живых организмов поддерживать некоторые величины в физиологически допустимых границах. Предложен в 1948 английским ученым в областях биологии и кибернетики У. Р. Эшби (W. R. Ashby), к-рый сконструировал его в виде устройства, состоящего из четырех электромагнитов, имеющих перекрестные обратные связи. (БСЭ
)

Гомеостат
— аналоговое электромеханическое устройство, моделирующее свойство живых организмов поддерживать некоторые свои характеристики (напр., температуру тела, содержание кислорода в крови) в допустимых пределах. Принцип гомеостата используется для определения оптимальных значений параметров технических систем автоматического регулирования (напр., автопилотов). (БЭКМ
)

«В связи с вопросом об эффективном количестве общественной информации следует отметить как один из самых поразительных фактов в жизни государства, что в ней крайне мало действенных гомеостатических процессов

. Во многих странах распространено мнение, что свободная конкуренция сама является гомеостатическим процессом, т.е.

что на вольном рынке эгоизм торговцев, каждый из которых стремится продать как можно дороже и купить как можно дешевле, в конце концов приведет к устойчивой динамике цен и будет способствовать наибольшему общему благу.

Это мнение связано с “утешительным” воззрением, что частный предприниматель, стремясь обеспечить свою собственную выгоду, является в некотором роде общественным благодетелем и поэтому заслуживает больших наград, которыми общество его осыпает. К сожалению, факты говорят против этой простодушной теории. Рынок — игра.

Она строго подчинена общей теории игр
, которую разработали фон Нейман и Моргенштерн. Эта теория основана на допущении, что на любой стадии игры каждый игрок, исходя из доступной ему информации, играет согласно вполне разумной стратегии, которая в конце концов должна обеспечить ему наибольшее математическое ожидание выигрыша.

Это — рыночная игра, в которую играют вполне разумные и совершенно беззастенчивые дельцы. Даже при двух игроках теория сложна, хотя она приводит часто к выбору определенного направления игры. Но при трех игроках во многих случаях, а при многих игроках в подавляющем большинстве случаев результат игры характеризуется крайней неопределенностью и неустойчивостью

Источник: https://bogemasamara.ru/gomeostaz-opredelenie-biologiya-ponyatie-gomeostaza-organizma-cheloveka/

Роль микробиоты в регуляции гомеостаза организма человека при инфекции | Бухарин

Взаимодействия «паразит–хозяин» микробов и человека весьма разнообразны и нередко нарушают гомеостаз хозяина, т.е. стабильное внутреннее равновесие функционирующих систем организма. С другой стороны, имеется немало примеров, когда микробные клетки оказываются полезны для сохранения здоровья человека. Однако в этом «союзе, неотделимом от вражды», который длится уже много веков, есть свой «микробный орган» — микробиом, которым Природа наделила человека, защищая все его биотопы. Как же это осуществляется и что в «копилке» исследователей?

Метаболическая интеграция и сигнальные молекулы

Обилие разнообразных сигнальных молекул и метаболитов в кишечнике позволяет микробиоте осуществлять влияние на состояние организма хозяина, формирование его гомеостаза и управление поведением. Регуляторные метаболиты микроорганизмов включают короткоцепочечные жирные кислоты, гамма-аминомасляную кислоту, биотин, витамин К, путресцин, спермидин, спермин, таурин, кадаверин, триптофан и др. [1][2][3][4].

Была обоснована интеграция метаболизма человека и его микробиоты на основе обобщения результатов исследований с участием микробных метаболитов в развитии критических состояний [5], где было показано, что в сложившейся системе человек–микробиом присутствуют все необходимые объективные условия для формирования метаболической интеграции. Особого внимания заслуживает группа микробных экзометаболитов, имеющих ароматическое строение. Их анализ выявил около 50 ароматических соединений в кишечнике здорового человека, в количественном отношении преобладали такие метаболиты, как фенилуксусная кислота, гидроксифенилуксусная кислота, фенилпировиноградная кислота и др. В сыворотке крови здоровых людей обнаружено присутствие большинства этих ароматических аминокислот с преобладанием гидроксифенилуксусной кислоты. Изменение соотношения ароматических аминокислот в крови авторы связывают с их избирательной утилизацией клетками тканевых барьеров, хотя это не исключает потребности в метаболитах кишечной доминантной микрофлоры.

Имеются данные, подтверждающие роль опиатов в инфекционном процессе [6][7]. Экспериментальные материалы показывают, что при стрессе у лабораторных животных появляются опиаты в просвете кишечника, что сопровождается активацией вирулентности кишечной палочки и нарушением барьерной функции кишечного эпителия [8]. Оказалось, что динорфин — представитель группы опиатов, не увеличивает ростовые свойства, но усиливает продукцию пиоцианина у псевдомонад. А это является еще одним доказательством влияния эукариотических «сигнальных молекул» на физиологию прокариот без изменения их роста/размножения [9].

В ряде работ также описано снижение вирулентности микроорганизмов под действием сигнальных молекул иммунной системы, посредством нарушения микробного кворума, как это было показано на примере динорфина и интерферона (INF)-γ [8][9][10]. В работе M.W. Bader и соавт. [11] представлены данные о влиянии пептидных гормонов, имеющих структурную гомологию к антибактериальным пептидам, на микроорганизмы. Предполагается, что эти молекулы обладают вторичной антимикробной активностью, помимо их мишень-специфического взаимодействия с клетками эукариот.

Натрийуретические пептиды в настоящее время также рассматриваются как пептиды с антимикробным действием, которые могут оказывать влияние на микробиоту при инфекционном процессе [10]. В пользу этого свидетельствуют данные о формировании пор в мембране бактерий под действием С-типа натрийуретического пептида и увеличение концентрации мозгового натрийуретического пептида при септическом шоке. В ряде работ установлено, что натрийуретические гормоны типа В и С стимулируют вирулентные свойства псевдомонад, не влияя на их ростовые характеристики, но изменяя внутриклеточную концентрацию цАМФ. Считается, что механизм данного действия натрийуретических гормонов опосредован белком Vfr, связывающим цАМФ и контролирующим выработку различных факторов вирулентности у Pseudomonas aeruginosa. Исследования штаммов псевдомонад показали наличие рецепторов к разным подтипам натрийуретических гормонов, действующих как через цАМФ, так и через цГМФ [12][13][14].

Гипоталамические нонапептиды

Всеобщий исследовательский интерес к окситоцину и вазопрессину не случаен. Являясь продуктом гипоталамо-гипофизарной нейросекреторной системы (ГГНС) головного мозга, его супраоптического и паравентрикулярного ядер, окситоцин, как и вазопрессин, обладает широтой физиологических действий и принимает непосредственное участие в регуляции адаптационных реакций организма человека [15]. Особенно наглядно это выявляется при инфекции, когда окситоцин защищает хозяина от возбудителя. Ранее считали, что препарат не оказывает защитный эффект непосредственно, хотя и была обнаружена его способность усиливать антимикробное действие антибиотиков, применяемых в комбинации с окситоцином [16].

Так в чем же секрет защитного эффекта при инфекционной патологии? Что он делает с возбудителем инфекции? Для этого вернемся к ранним работам по регуляции персистентного потенциала бактерий О.Л. Черновой (1989) [17], которая, изучая влияние различных антисептических фармакологических средств на антилизоцимную активность золотистого и эпидермального стафилококков, показала, что лидером в десятке изученных антисептиков — препаратов, подавляющих антилизоцимную активность бактерий, — оказался окситоцин, что позволило обратить внимание на ингибирование этого персистентного признака микроорганизмов. В последующем Д.А. Кириллов (2004) [18] методом клонального анализа популяций различных возбудителей инфекции показал, что окситоцин перестраивает персистентный потенциал клонов популяции возбудителя вплоть до его элиминации из организма хозяина.

Эти работы «проторили дорожку» в XXI в. — век инфектологии (от микробиологии и иммунологии), изучающей взаимоотношения паразит–хозяин при инфекции на основе симбиотической платформы и клонального анализа персистентного потенциала популяции возбудителя. Таким образом, клональная перестройка популяции возбудителя болезни, снижающая его адаптационные возможности, — это существенный механизм защиты хозяина, реализуемый при помощи окситоцина.

Не исключено, что данный механизм защиты хозяина от инфекций — еще одна иллюстрация из разряда «природоподобных технологий», которые нам еще предстоит освоить. Но это дело времени и смелости ума. А основания для этого есть.

Посильную лепту в изучение защитного эффекта окситоцина внесли и иммунологи, описавшие другие механизмы опосредованного защитного действия окситоцина при инфекции: фагоцитарную функцию макрофагов, усиление бластной трансформации лимфоцитов, ингибирование биопленкообразования патогенов [19].

Обсуждая эту проблему, нельзя не упомянуть инсулиноподобный эффект окситоцина, базирующийся на усилении синтеза гликогена из глюкозы.  Хирурги хорошо пользуются этим приемом, применяя окситоцин на фоне сахарного диабета пациентов при гнойно-некротических поражениях стоп и гнойно-воспалительных заболеваниях мягких тканей [19][20][21].

Универсальные регуляторные эффекты нонапептидов нашли свое применение и при панкреонекрозе, деструктивном панкреатите и системных поражениях поджелудочной железы [22][23].

Исследователи не теряют интереса к фундаментальным проблемам медицины. Это в полной мере относится к проблеме гомеостаза организма. Как и чем мы можем помочь пациенту?

Лучшее свидетельство тому — исследование, выполненное в «школе» академика Ю.В. Наточина, где был выявлен новый механизм работы многоцелевого регулятора гомеостаза — окситоцина, определивший новую функциональную роль нонапептида — его участие в осморегуляции организма. При изучении регуляции водовыделительной функции почек отмечено, что после водной нагрузки при гипергидратации у крыс возрастала секреция окситоцина ГГНС, что способствовало усилению водного диуреза и приводило к более быстрому выделению воды почкой и восстановлению осмотического гомеостаза [24].

Адипокины и цитокины

Многочисленные исследования механизмов взаимосвязи метаболических нарушений и воспалительных процессов привели к признанию факта, что жировая ткань функционирует как эндокринный орган, выделяя различные биологически активные вещества (адипокины). Изучение адипокинов показало, что дисбаланс данных про- и противовоспалительных медиаторов приводит к различным метаболическим дисфункциям, что свидетельствует о роли адипокинов в формировании гомеостаза хозяина [25]. Принимая во внимание участие адипокинов в воспалении, эти пептиды были разделены на провоспалительные (лептин, резистин, интерлейкин (IL)-6, фактор некроза опухоли (TNF)-α) и противовоспалительные (адипонектин, антагонист рецептора IL-1, IL-10) [26].

Лептин обладает множественным действием и влияет на гипоталамус, осуществляя гормональную регуляцию, связанную с поступлением питательных веществ и энергетическим метаболизмом, а также влияет на метаболизм глюкозы, липидов и другие функции человека [27]. Одной из важных функций лептина является регуляция иммунного ответа, что предполагает роль данных пептидов в интегративных механизмах ассоциативного симбиоза человека и микроорганизмов.

В настоящее время этот вопрос активно изучается. Еще не выяснена защитная роль адипокинов при инфекции толстого кишечника с участием лептина, индуцирующего продукцию муцина за счет стимуляции эпителиальных клеток ободочной кишки и таким образом обеспечивающего статический внешний барьер против патогенов. Однако при этом бактериальная инвазия Salmonella typhimurium, наличие эндотоксина сальмонелл или кишечной палочки не влияли на уровень лептина в крови. Напротив, введение токсина Clostridioides difficile лабораторным животным вызывало значительное повышение уровня лептина в плазме крови и усиливало экспрессию рецепторов к лептину на клетках слизистого эпителия, что предполагает прямой провоспалительный эффект лептина в кишечнике [28][29].

Известно, что диарея, возникающая при бактериальной кишечной инфекции, связана с воздействием микробных липополисахаридов на иммунную систему и нарушением моторики желудочно-кишечного тракта. В экспериментах in vivo выявлено, что у мышей, получавших грелин, нарушение моторики, вызванное присутствием эндотоксина в крови, корректировалось за счет ингибирования уровня оксида азота в желудочно-кишечном тракте и уменьшения продукции провоспалительных цитокинов IL-1β и TNF-α, а также за счет индукции противовоспалительного цитокина IL-10 [30, 31].

Интеграция микробиоты с организмом хозяина может осуществляться при помощи сигнальных молекул иммунной системы человека — цитокинов, баланс которых является одним из условий формирования гомеостаза человека, поскольку цитокины принимают непосредственное участие в регуляции иммунного ответа при инфекции [32]. При этом изменение цитокинового баланса происходит не только за счет взаимодействия микробиоты с клетками иммунитета, но и при непосредственном влиянии бактерий на цитокины (антипептидная активность). Также известно влияние самих цитокинов на биологические свойства микроорганизмов. В экспериментах in vitro показана стимуляция ростовых свойств бактерий под действием IL-1, IL-2, IL-6, INF-γ, TNF-α. У культуры Yersinia pestis обнаружены мембранные рецепторы (антиген сборки капсулы F1), связывающие IL-1β, а у Р. aeruginosa — белок, специфически связывающийся с INF-γ, что приводило к активации механизмов «quorum sensing» [33][34][35][36][37].

Получены данные о ферментах бактерий, расщепляющих многие виды органических макромолекул, включая цитокины IL-2, INF-γ [38], которые могут свидетельствовать о том, что инактивация цитокинов, являющихся продуктом иммунных клеток (лимфоцитов, макрофагов и др.), может привести к нарушениям механизмов как врожденного, так и адаптивного иммунитета. Подтверждением модификации цитокинов и их рецепторов служат материалы, свидетельствующие, что ауреолизин золотистого стафилококка, являющийся металлопротеазой, может вызвать деградацию рецепторов к IL-6 на клетках, цистеиновая протеаза Streptococcus pyogenes разрушает IL-1β, а сериновая протеаза — IL-8. Кроме того, цистеиновая протеаза Porphyromonas gingivalis может вызвать деградацию целой группы цитокинов, включая IL-8, -1β, -6, -12, INF-γ, TNF-α, а металлопротеаза Р. aeruginosa способна разрушать IL-2, IL-6 [39][40].

Таким образом, полученные «находки» иллюстрируют способность микробиоты не только влиять на продукцию цитокинов иммунными клетками, но и использовать определенные цитокины в качестве ростовых факторов и медиаторов «чувства кворума», а также проявлять антипептидную активность, внося свой вклад в формирование цитокинового баланса в организме человека.

Несомненно, что взаимодействие микробных сигнальных метаболитов и иммунной системы человека представляет интерес с позиции интеграции молекулярных систем про- и эукариот при ассоциативном симбиозе человека. В ряде работ показано, что различные гомологи ацилгомосерин-лактонов (АГЛ) ускоряют апоптоз макрофагов и нейтрофилов, ингибируют пролиферацию лимфоцитов и выработку TNF-α и IL-12, тормозят Т-клеточный ответ, индуцируют апоптоз в дендритных клетках и CD4+ Т-лимфоцитах. Роль АГЛ подтверждается наличием механизмов, ограничивающих количество сигнальных молекул в среде, что названо «тушением кворума». Снижение концентрации АГЛ контролируется со стороны как микробиоты, так и хозяина. К примеру, бациллы в ответ на увеличение количества АГЛ продуцируют фермент, инактивирующий широкий спектр АГЛ путем расщепления лактонового кольца. Клетки дыхательного эпителия млекопитающих также производят АГЛ-инактивирующие ферменты (параоксоназы), деградирующие АГЛ синегнойной палочки. В другой работе показано существование трех семейств параоксоназ, которые у млекопитающих расположены преимущественно в печени и могут инактивировать разнообразные АГЛ [41][42][43][44][45][46].

При изучении механизмов интеграции микробиоты и хозяина интерес также представляют сигнальные молекулы микроорганизмов. Их влияние на иммунитет человека было показано на примере гомологов алкилоксибензолов, когда под влиянием метилрезорцина изменялись функциональная активность и субстратная специфичность лизоцима [47].

Очевидно, что в механизмах интеграции микробиоты и человека задействованы сигнальные молекулы: со стороны микробиоты — низкомолекулярные метаболиты, молекулы «quorum sensing» и пр., а со стороны хозяина — гормоны и медиаторы иммунитета. По-видимому, в условиях симбиотических взаимоотношений микробиота–хозяин формируется единая регуляторная среда, в которой наблюдается многообразие создающихся связей: от непосредственных (прямых) взаимодействий — разрушения сигнальных молекул (инактивации молекул кворума, разрушения антимикробных факторов иммунитета), индукции физиологических функций за счет наличия схожих рецепторов к лигандам и, наконец, модификации сигнальных молекул (расширения спектра имеющихся антимикробных ферментов, появления антимикробной активности у пептидов, ранее не имевших данного свойства) — до косвенных воздействий, опосредованных активацией и регуляцией системы иммунитета через цитокиновую сеть и систему адипокинов. По-видимому, сочетание этого многообразия механизмов интеграции в единой регуляторной среде приводит к формированию гомеостаза, означающего динамическое равновесие сигнальных систем микробиоты и человека в условиях ассоциативного симбиоза [46].

Бифидофлора кишечного биотопа — «форпост» здоровья человека

Роль микробного «органа» (микробиома) трудно переоценить, и уж если он создан Природой и сосуществует с хозяином много веков, то остается лишь понять его физиологическое назначение. Наличие в организме млекопитающих универсального и древнего «центра управления» — гипоталамо-гипофизарной системы, продуцирующей нонапептидные нейросекреторные гормоны (вазопрессин и окситоцин), предполагает, что они не могут остаться без работы [48][49].

Оказалось, что кишечная микрофлора, стимулируя иммунную защиту хозяина, защищает организм от раневой инфекции. С одной стороны, эта защита может осуществляться за счет транслокации полезной микрофлоры хозяина, как это было показано на примере бацилл [50]. С другой стороны, микробные компоненты (клетки и метаболиты), формируя кишечно-мозговую ось, могут влиять на выработку гипоталамического гормона — окситоцина. Работы по изучению влияния бактерий на секрецию окситоцина малочисленны и проведены на модели лактобактерий. Установлено, что лактобациллы стимулируют продукцию окситоцина, что благотворно отражается на заживлении инфицированных ран в эксперименте [51]. Также отмечено, что Lactobacillus spp. стимулируют окситоцин, который регулирует экспрессию INF-γ и CD25 для иммунной толерантности. Все эти усилия предупреждают избыточную реактивность как своих, так и внешних факторов среды, которые способствуют преждевременному старению организма. На моделях мышей показана эффективность индуцированных лактобациллами и их клеточными лизатами T-reg при участии нейропептидного гормона окситоцина [51–53].

Приведенные материалы вкупе с описанными нашими данными свидетельствуют, что микробиом усиливает регуляцию окситоцина, тем самым улучшая течение раневой инфекции, способствуя быстрейшему заживлению ран [19].

В свете обсуждаемой проблемы определенный интерес представляют данные оренбургских исследователей ИКВС УрО РАН, проводящих изучение биологических характеристик бифидофлоры в качестве ключевого регулятора здоровья человека.

Систематическое изучение микросимбиоценоза кишечного биотопа у человека позволило выявить феномен микробного распознавания свой– чужой в условиях взаимодействия доминантных (бифидофлора) и ассоциативных микросимбионтов [46].

Известно, что, независимо от уровня сложности, любые живые организмы (от прокариот до высших эукариот) имеют различные механизмы защиты от чужеродной информации, поскольку концепция «своего» тесно связана с самоидентификацией и саморегуляцией любой биологической системы [54].

Микробное распознавание и механизмы самоидентификации бактерий активно изучаются. L.M. Wenren с соавт. [55] в результате исследования роста культур Proteus mirabilis на поверхности агаровых сред отметили, что взаимоотношения микроорганизмов в бульонной культуре могут отличаться от таковых в модели «агаровой среды», поскольку в этом процессе имеют значение микробные метаболиты. A.E. Shank и соавт. [56] связывали регуляторные взаимодействия микроорганизмов с наличием в супернатанте сигнальных молекул. Очевидно, что изменение фенотипа микробных популяций при межмикробном взаимодействии осуществляется с помощью различных молекул, далее использующихся микробиотой в качестве индукторов новых метаболитов-посредников, что в конечном итоге оказывает влияние на формирование антагонистических либо синергидных связей между микроорганизмами [46].

С использованием приема индукции микробных метаболитов в условиях пары доминант–ассоциант был выявлен феномен оппозитного (усиление/подавление) влияния микросимбионтов на их биологические свойства (антагонистический, персистентный потенциал и способность к формированию биопленок), позволяющий реализовать принцип «свой–чужой» в условиях микросимбиоценоза. Дальнейшее развитие исследований по определению «чужеродности» штаммов микроорганизмов позволило определить биосовместимость бактерий в микробной композиции и оценить эффективность пробиотических препаратов [46].

Используя симбиотический подход на платформе нового направления «инфекционная симбиология», было определено, что не только организм хозяина, посредством различных механизмов врожденного и адаптивного иммунитета, выявляет и уничтожает «чужеродные» штаммы бактерий и грибов, но и сами микроорганизмы (представители доминантной микробиоты) способны определять «свои» и «чужие» виды микросимбионтов в составе микросимбиоценоза. Таким образом, своеобразная перестройка «микробного органа» человека позволяет микробиоте сформировать симбиотические связи для поддержания стабильного функционирования микросимбиоценоза на оптимальном уровне с целью выживания нормофлоры в той экологической нише человека, которую она занимает.

Заключение

Оценивая ретроспективу рассмотренного вопроса, можно сделать вывод о целесообразности продолжения накопления материала по выяснению механизмов защиты организма хозяина при помощи микробных клеток и их продуктов. Активно изучается возможность использования в качестве регуляторов гомеостаза организма человека сигнальных молекул, гормонов и цитокинов. Это очень интересная многообещающая тематика по выявлению новых «природоподобных» технологий, которые нам предстоит еще открыть, но учиться у Природы не зазорно.

Появление в третьем тысячелетии науки инфектологии значительно расширило рамки изучения отношений «паразит–хозяин» с включением симбиотического подхода на организменном и клональном уровнях персистентного потенциала патогенов.

Это позволило выявить роль кишечной микробиоты в регуляции гомеостаза хозяина через треугольник «кишечная микробиота–ГГНС–окситоцин» [19]. К этому можно присовокупить материалы, уточняющие биоэффекты данного универсального ключевого регулятора гомеостаза:

1) более быстрое заживление ран;

2) поддержание костно-мышечной массы тела человека;

3) улучшение ментального здоровья;

4) психотропное действие, регуляция социальной памяти и когнитивных функций;

5) пониженный риск ожирения;

6) усиление репродуктивной активности и др.

Описанный треугольник «микробиота–ГГНС–окситоцин» подтвержден экспериментально-клиническими материалами и органично вписывается в концепцию «кишечно-мозговой оси», характеризующую ряд важнейших физиологических функций хозяина, существенно дополняя их.

1. Zheng X., Xie G., Zhao A., Zhao L., Yao C., Chiu N.H., et al. The footprints of gut microbial-mammalian cometabolism. J. Proteome Res. 2011; 10(12): 5512-22. https://doi.org/10.1021/pr2007945

2. Le Gall G., Noor S.O., Ridgway K. Metabolomics of fecal extracts detects altered metabolic activity of gut microbiota in ulcerative colitis and irritable bowel syndrome. J. Proteome Res. 2011; 10(9): 4208-18. https://doi.org/10.1021/pr2003598

3. Beloborodova N.V, Olenin A.Y., Fedotcheva N.I., Shubina V, Teplova V.V. Effect of phenolic acids originating from microbes on mitochondria and neutrophils. Crit. Care. 2012; 16(Suppl. 3): 26.

4. Matsumoto M., Kibe R., Ooga T., Aiba Y, Kurihara S., Sawaki E., et al. Impact of intestinal microbiota on intestinal luminal metabolome. Sci. Re: 2012; 2: 233. https://doi.org/10.1038/srep00233

5. Белобородова Н.В. Интеграция метаболизма человека и его микробиома при критических состояниях. Общая реаниматология. 2012; 8(4): 42-54.

6. Hooi D.S., Bycroft B.W., Chhabra S.R., Williams P., Pritchard D.I. Differential immune modulatory activity of Pseudomonas aeruginosa quorum-sensing signal molecules. Infect. Immun. 2004; 72(11): 6463-70. https://doi.org/10.1128/iai.72.11.6463-6470.2004

7. Pritchard D.I. Immune modulation by Pseudomonas aeruginosa quorum-sensing signal molecules. Int. J. Med. Microbiol. 2006; 296(2-3): 111-6. https://doi.org/10.1016/j.ijmm.2006.01.037

8. Wu L., Holbrook C., Zaborina O., Ploplys E., Rocha F., Pel¬ham D., et al. Pseudomonas aeruginosa expresses a lethal virulence determinant, the PA-I lectin/adhesin, in the intestinal tract of a stressed host: the role of epithelia cell contact and mole¬cules of the quorum sensing signaling system. Ann. Surg. 2003; 238(5): 754-64. https://doi.org/10.1097/01.sla.0000094551.88143.f8

9. Zaborina O., Lepine F., Xiao G., Valuckaite V, Chen Y, Li T., et al. Dynorphin activates quorum sensing quinolone signaling in Pseudomonas aeruginosa. PLoS Pathog. 2007; 3(3): 1-15. https://doi.org/10.1371/journal.ppat.0030035

10. Lesouhaitier O., Veron W., Chapalain A., Madi A., Blier A.S., Dagorn A., et al. Gram-negative bacterial sensors for eukaryotic signal molecules. Sensors (Basel). 2009; 9(9): 6967-90. https://doi.org/10.3390/s90906967

11. Bader M.W., Sanowar S., Daley M.E., Schneider A.R., Cho U., Xu W., et al. Recognition ofantimicrobial peptides by a bacterialsensor kinase. Cell. 2005; 122(3): 461-72. https://doi.org/10.1016/j.cell.2005.05.030

12. Vila G., Resl M., Stelzeneder D., Struck J., Maier C., Riedl M., et al. Plasma NT-proBNP increases in response to LPS administration in healthy men. J. Appl. Physiol. (1985). 2008; (105): 1741-5. https://doi.org/10.1152/japplphysiol.90442.2008

13. Veron W., Lesouhaitier O., Pennanec X., Rehel K., Leroux P., Orange N., et al. Natriuretic peptides affect Pseudomonas aeru-ginosa and specifically modify lipopolysaccharide biosynthesis. FEBS J. 2007; 274(22): 5852-64. https://doi.org/10.1111/j.1742-4658.2007.06109.x

14. Veron W., Orange N., Feuilloley M.G., Lesouhaitier O. Natri-uretic peptides modify Pseudomonas fluorescens cytotoxicity by regulating cyclic nucleotides and modifying LPS structure. BMC Microbiol. 2008; 8: 114. https://doi.org/10.1186/1471-2180-8-114

15. Стадников А.А., Бухарин О.В. Гипоталамическая нейросекреция и структурно-функциональный гомеостаз прои эукариот. Оренбург; 2012.

16. Стадников А.А. Роль гипоталамических нейропептидов во взаимодействии прои эукариот (структурно-функциональные аспекты). Екатеринбург; 2001.

17. Чернова О.Л. Антилизоцимная активность стафилококков, выделенных при бактерионосительстве: автореф. дисс. … канд. биол. наук. Челябинск; 1989. 17 с.

18. Кириллов Д.А. Лекарственная регуляция персистентных свойств микроорганизмов: автореф. дисс. … канд. мед. наук. Оренбург; 2004. 22 с.

19. Бухарин О.В., Стадников А.А., Перунова Н.Б. Роль окситоцина и микробиоты в регуляции взаимодействий прои эукариот при инфекции. Екатеринбург; 2018.

20. Widmaier U., Shah P.R., Lee G. Interactions between oxytocin, glucagon and streptozotocin induced diabetic rats. Regul. Pept. 1991; 34(3): 235-49. https://doi.org/10.1016/0167-0115(91)90182-g

21. Бухарин О.В., Курлаев П.П., Перунова Н.Б., Скоробогатых Ю.И. Экспериментальное изучение комбинации ципрофлоксацина с окситоцином на образование биоплёнок условно-патогенными бактериями. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2010; (6): 3-7.

22. Костюченко А.Л., Филин В.И. Неотложная панкреатология. СПб.: Деан; 2000.

23. Демидов В.М., Демидов С.М. Перспективы интрабурсального применения даларгина и сандостатина при лапароскопических вмешательствах у больных с панкреонекрозами. Анналы хирургической гепатологии. 2002; 7(1): 200.

24. Наточин Ю.В., Голосова Д.Р., Шахматова Е.И. Новая функциональная роль окситоцина участие в осморегуляции. Доклады Академии наук. 2018; 479(6): 712-5. https://doi.org/10.7868/S0869565218120228

25. Greenberg A.S., Obin M.S. Obesity and the role of adipose tis-sue in inflammation and metabolism. Am. J. Clin. Nutr 2006; 83(2): 461-5. https://doi.org/10.1093/ajcn/83.2.461s

26. Toussirot E., Streit G., Wendling D. The contribution of adipose tissue and adipokines to inflammation in joint diseases. Curr Med. Chem. 2007; 14(10): 1095-100. https://doi.org/10.2174/092986707780362826

27. El Homsi M., Ducroc R., Claustre J. et al. Leptin modulates the expression of secreted and membrane-associated mucins in colonic epithelial cells by targeting PKC, PI3K, and MAPK path-ways. Am J. Physiol. Gastrointest. Liver Physiol. 2007; 293(1): G365-73. https://doi.org/10.1152/ajpgi.00091.2007

28. Jenkins N.L., Turner J.L., Dritz S.S., Durham S.K., Minton J.E. Changes in circulating insulinlike growth factor-I, insulinlike growth factor binding proteins, and leptin in weaned pigs in-fected with Salmonella enterica serovar Typhimurium. Domest. Anim. Endocrinol. 2004; 26(1): 49-60. https://doi.org/10.1016/j.domaniend.2003.09.001

29. Mykoniatis A., Anton M., Wilk M., Wang C.C., Ungsunan L., Bluher S., et al. Leptin mediates Clostridium difficile toxin A-induced enteritis in mice. Gastroenterology. 2003; 124(3): 683-91. https://doi.org/10.1053/gast.2003.50101

30. Chen Y.T., Tsai S.H., Sheu S.Y. et al. Ghrelin improves LPS-induced gastrointestinal motility disturbances: roles of NO and prostaglandin E2. Shock. 2010; (33): 205-212.

31. Waseem T., Duxbury M., Ito H., Tsai L.H. Exogenous ghrelin modulates release of pro-inflammatory and anti-inflammatory cytokines in LPS-stimulated macrophages through distinct sig-naling pathways. Surgery. 2008; 33(2): 205-12. https://doi.org/10.1097/shk.0b013e3181ae841b

32. Lambert G. Stress-induced gastrointestinal barrier dysfunction and its inflammatory effects. J. Anim. Sci. 2009; 87(14 Suppl.): E101-8. https://doi.org/10.2527/jas.2008-1339

33. Zav’yalov V, Chernovskaya T.V., Navolotskaya E.V., Karlyshev A.V., MacIntyre S., Vasiliev A.M., et al. Specific high af-finity binding of human interleukin 1 beta by Caf1A usher pro-tein of Yersinia pestis. FEBS Lett. 1995; 371(1): 65-8. https://doi.org/10.1016/0014-5793(95)00878-d

34. Wu L., Holbrook C., Zaborina O., Ploplys E., Rocha F., Pelham D., et al. Pseudomonas aeruginosa expresses a lethal virulence determinant, the PA-I lectin/adhesin, in the intestinal tract of a stressed host: the role of epithelia cell contact and molecules of the quorum sensing signaling system. Ann. Surg. 2003; 238(5): 754-64. https://doi.org/10.1097/01.sla.0000094551.88143.f8

35. Романова Ю.М., Алексеева Н.В., Степанова Т.В., Разумихин М.В., Томова А.С., Шилов И.А. и др. Влияние фактора некроза опухоли на размножение вегетативных и некультивируемых форм сальмонелл. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2002; (4): 20-5.

36. Kanangat S., Meduri Gu., Tolley E.F., Patterson D.R., Meduri C.U., Pak C., et al. Effects of cytokines and endotoxin on the intracellular growth of bacteria. Infect. Immun. 1999; 67(6): 2834-40. https://doi.org/10.1128/iai.67.6.2834-2840.1999

37. Wilson M., Seymour R., Henderson B. Bacterial perturbation of cytokine networks. Infect. Immun. 1998; 66(6): 2401-9. https://doi.org/10.1128/iai.66.6.2401-2409.1998

38. Potempa J., Pike R.N. Corruption of innate immunity by bacterial proteases. J. Innate. Immun. 2009; 1(2): 70-87. https://doi.org/10.1159/000181144

39. Sheets S.M., Robles-Price A.G., McKenzie R.M., Casiano C.A., Fletcher H.M., et al. Gingipain-dependent interactions with the host are important for survival of Porphyromonas gingivalis. Front. Biosci. 2008; 13: 3215-38. https://doi.org/10.2741/2922

40. Leidal K.G., Munson K.L., Johnson M.C., Denning G.M. Metalloproteases from Pseudomonas aeruginosa degrade hyman RANTES, MCP-1, and ENA-78. J. Interferon. Cytokine. Res. 2003; 23(6): 307-18. https://doi.org/10.1089/107999003766628151

41. Tateda K., Ishii Y, Horikawa M., Matsumoto T., Miyairi S., Pechere J.C., et al. The Pseudomonas aeruginosa autoinducer N-3-oxododecanoyl homoserine lactone accelerates apoptosis in macrophages and neutrophils. Infect. Immun. 2003; 71(10): 5785-93. https://doi.org/10.1128/iai.71.10.5785-5793.2003

42. Telford G., Wheeler D., Williams P., Tomkins P.T., Appleby P., Sewell H., et al. The Pseudomonas aeruginosa quorum-sensing signal molecule N-(3-oxododecanoyl)-L-homoserine lactone has immunomodulatory activity. Infect. Immun. 1998; 66(1): 36-42. https://doi.org/10.1128/iai.66.L36-42.1998

43. Boontham P., Robins A., Chandran P., Pritchard D., Camara M., Williams P., et al. Significant immunomodulatory effects of Pseudomonas aeruginosa quorum-sensing signal molecules: possible link in human sepsis. Clin. Sci. (Lond.) 2008; 115(11): 343-51. https://doi.org/10.1042/cs20080018

44. Stoltz D.A., Ozer E.A., Ng C.J., Yu J.M., Reddy S.T., Lusis A.J., et al. Paraoxonase-2 deficiency enhances Pseudomonas aeruginosa quorum sensing in murine tracheal epithelia. Am. J. Physiol. Lung. Cell. Mol. Physiol. 2007; 292(4): L852-60. https://doi.org/10.1152/ajplung.00370.2006

45. Bar-Rogovsky H., Hugenmatter A., Tawfik D.S. The evolution-ary origins of detoxifying enzymes: the mammalian serum paraoxonases (PONs) relate to bacterial homoserine lactonases. J. Biol. Chem. 2013; 288(33): 23914-27. https://doi.org/10.1074/jbc.m112.427922

46. Бухарин О.В., Перунова Н.Б. Микросимбиоценоз. Екатеринбург; 2014.

47. Евдокименко А.Ю., Досадина Э.Э., Эль Регистан Г.И., Белов А.А. Влияние алкилоксибензолов на ферментативную активность некоторых гидролаз при различных условиях. Успехи в химии и химической технологии. 2016; 30(9): 10-2.

48. Gordon J.I. Honor thy gut symbionts redux. Science. 2012; 336(6086): 1251-3. https://doi.org/10.1126/science.1224686

49. Бухарин О.В. Адаптивные стратегии взаимодействия возбудителя и хозяина при инфекции. Вестник Российской академии наук. 2018; 88(7): 637-43. https://doi.org/10.31857/S086958730000087-3

50. Тарасенко В.С., Фадеев С.Б., Бухарин О.В. Хирургическая инфекция мягких тканей (клинико-микробиологический аспект). Екатеринбург; 2015.

51. Poutahidis T., Kearney S.M., Levkovich T., Qi P., Varian B.J., Lakritz J.R., et al. Microbial symbionts accelerate wound healing via the neuropeptide hormone oxytocin. PLoS One. 2013; 8(10): e78898. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0078898

52. Poutahidis T., Springer A., Levkovich T., Qi P., Varian B.J., Lakritz J.R., et al. Probiotic microbes sustain youthful serum testosterone levels and testicular size in aging mice. PLoS One. 2014; 9(1): e84877. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0084877

53. Poutahidis T., Kleinewietfeld M., Smillie C., Levkovich T., Perrotta A., Bhela S., et al. Microbial reprogramming inhibits Western diet-associated obesity. PLoS One. 2013; 8(7): e68596. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0068596

54. Lopez-Larrea C., eds. Self and Nonself. New York: Springer; 2012.

55. Wenren L.M., Sullivan N.L., Cardarelli L., Septer A.N., Gibbs K.A. Two independent pathways for self-recognition in proteus mirabilis are linked by type VI-dependent export. mBio. 2013; 4(4): e00374-13. https://doi.org/10.1128/mbio.00374-13

56. Shank A.E., Kolter R. New developments in microbial inter-species signaling. Curr Opin. Microbiol. 2009; 12(2): 205-14. https://doi.org/10.1016/j.mib.2009.01.003


Урок в 8 классе «гомеостаз и внутренняя среда»

ТЕМА: «Внутренняя среда организма. Значение крови и её состав ».

Цели: Сформировать у учащихся важное общее понятие о внутренней среде организма и дать понятие о составе крови, её функциях, ознакомиться с важнейшим физиологическим понятием «ВСО», составом и значением крови, продолжить развитие логического мышления школьников посредством решения познавательных задач, развитие навыков работы в парах.

Оборудование: таблица «Кровь», электронные схемы и микроскопы, компьютеры, микропрепараты «Кровь человека и лягушки».

План урока:

1. Организационный момент .

2. Подготовка обучающихся к усвоению новых знаний .

3. Сообщение цели урока.

4. Усвоение новых знаний .

5. Выполнение лабораторной работы «Сравнение крови человека с кровью лягушки».

6. Закрепление новых знаний.

7. Подведение итогов

8. Домашнее задание .

ХОД УРОКА.

I. Организация урока .

II. Изучение нового материала.

Изучив органы дыхательной системы, мы приступаем к изучению темы: «Кровь и кровообращение».

Учитель: — Скажите, делали ли вам анализ крови?

При каких обстоятельствах?

Объясните, зачем?

Ученик: — Для определения состояния здоровья.

Почему же для определения состояния здоровья человека ему делают анализ крови?

Учитель: Для решения этой задачи надо знать:

— что такое кровь?

— из чего она состоит?

— какова её роль в поддержании здоровья человека.

— Начнем с выяснения понятия внутренняя среда организма, что это такое?

▪ Окружающая человека среда – газообразная.

▪ Внутренняя среда организма — жидкая.

Почему?

— Организм человека состоит из клеток. Клетка нормально функционирует,

когда в неё поступает О2, питательные вещества и удаляются продукты распада.

А они поступают в клетку, выводятся из клетки только в растворенном виде (жидком).

Вот почему любая клетка может жить только в жидкой среде.

Таким образом, внутренняя среда организма – жидкая.

Учитель: Что же составляет внутреннюю среду организма? – постановка проблемы.

— Ответ найдите в § 14 стр. 68, прочитайте I абзац и заполните схему:

Внутренняя среда организма

Учитель: Какими жидкостями образована внутренняя среда организма?

Как образуются эти жидкости?

Как взаимодействуют с клетками тела?

— Работа с рис. 37 стр. 69.

а) постоянство внутренней среды организма – гомеостаз.

б) отклонения постоянства внутренней среды организма приводит к заболеваниям

(сахар > → сахарный диабет).

Сегодня более подробно изучим такой компонент внутренней среды как кровь.

— Определение: «Это особая жидкая ткань, красного цвета, слабощелочной

реакции «…pH=7,36».

Значение крови:

Учитель: Вспомните функции крови и кровообращения у животных.

— В организме человека:

Ученик 1. Транспортная (питательные вещества, О2, гормоны)

2. Защитная.

3. Участвует в теплорегуляции.

Учитель: Благодаря каким особенностям строения и состава кровь выполняет транспортную и защитную функции? – постановка проблемы.

Учитель: Из определения вытекает: что кровь – это ткань.

К какому типу тканей относится кровь?

Какими тканями образован организм человека?

Ученик: эпителиальная, мышечная, нервная, соединительная.

Изучим её строение (состав).

— по схеме ______________________Кровь_______________

↓ ↓

Клетки крови 40% 60% межклеточное вещество

(формен. элементы) (плазма крови)

  1. эритроциты

  2. лейкоциты

  3. тромбоциты

Ученик: 1. Клетки неплотно прилегают друг к другу.

2. Кровь – это соединительная ткань.

Количество крови:

≈ 5 л (7-8% от веса тела человека)

у новорожденных – 15%

1 год — 11%

Потеря ½ части крови – ОПАСНО для жизни.

Учитель: Что собой представляет плазма крови?

Ознакомьтесь с составом плазмы и выпишите в тетрадь, составьте конспект – стр. 69 статья «Плазма крови».

а) вода – 90%

1% б) минерал соли (катионы Nа, Са, Мg Fе, Сl, J, S, Р, К)

7% в) органические (белки, жиры, углеводы)

белков 250-300 фибриноген глюкоза

гормоны, витамины;

антитела

Закрепление по данному вопросу:

Учитель: 1. Какие вещества имеются в плазме?

2. Благодаря какому белку происходит свертывание крови?

Состав плазмы у здорового человека постоянен, изменение состава плазмы губительно!

Клетки крови (формен. элементы)

а) Тромбоциты – кровяные пластинки, осколки клеток костного мозга

нет ядра округлые, овальные, ø 2-5 мкм, нет ядра

1 мм 3 – до 800 тыс. живут 5-7 дней

обр-ся: кр.кост.м. разруш-ся в селезенке

Учитель: Каково значение тромбоцитов?

Выясните значение тромбоцитов, прочитав 1 строчку статьи «Тромбоциты» на стр. 70 и запишите функцию тромбоцитов в таблицу.

Учитель: 1) каково значение тромбоцитов?

Ученик: 1). Участвуют в свертывании крови

2). Свертывание крови – это защитное приспособление организма от кровопотерь.

Каковы механизм и условия свертывания крови?

Ученик: Тромбоциты защищают наш организм от кровопотерь (впишите в схему).

Учитель: А сейчас мы познакомимся с клетками крови, которых называют клетки-пожиратели или фагоциты (И.И. Мечников, нобелевский лауреат).

Речь идет о лейкоцитах – белые кровяные клетки.

— работа с таблицей, дети заполняют «Лейкоциты».

белые кровяные клетки, ядро +

8 тыс. в 1мм3 колеблется нет постоян. формы тела

обр-ся: кр.кост.м, живут: 2-4 дня, до нескольких месяцев, лет

селезенка

лимф. узлы

Ученик: Лейкоциты весьма разнообразны

( их разнообразие, о лейкоцитах по схеме)

Учитель: Так почему же количество лейкоцитов подвержено колебаниям, непостоянно даже в течение 1 дня.

Какова их роль?

— изучаем фагоцитоз рис.40, стр.71

.

Учитель: Сформулируйте функцию лейкоцитов в организме.

Ученик: Лейкоциты выполняют ЗАЩИТНУЮ функцию.

Учитель: Какова функция эритроцитов и каково их строение?

Функции и строение взаимосвязаны.

Какая существует взаимосвязь строения и функций эритроцитов?

— изучим СТРОЕНИЕ эритроцитов

форма — — круглые, двояковогн.

диаметр — 7-8 микрон

обр-ся — кр.кост.м.

живут — ≈ 130 дней

1 мм3 — ≈ 5 мин.

ядро — нет, все внутреннее содержание заполн. гемоглобин.

Эритроциты на 90% состоят из гемоглобина.

Учитель: Какова роль гемоглобина?

глобин (белок) гемо (железосодержащая)

В легких образует непрочное соединение с О2 — оксигемоглобин

гемоглобин + О2 = оксигемоглобин

в тканях → распад оксигемоглобина = О2 + гемоглобин

оксигемоглобин → О2 = гемоглобин

— Определите функцию эритроцитов

Ученик: 1.Благодаря наличию гемоглобина в эритроцитах они выполняют транспортную функцию.

2. Лейкоциты выполняют защитную функцию.

  1. Тромбоциты участвуют в свертывании крови, защищают организм от кровопотерь.

Лабораторная работа № 5 стр. 72 «Сравнение крови человека с кровью лягушки».

Задания: 3, 5, 6 – письменно – по настенной таблице!

Эритроцит лягушки Эритроцит человека

  1. есть ядро, 5 двояковогнутая форма

двояковыпуклая форма безъядерные

Отличаются формой, строением (ядро), размерами.

Кровь человека переносит > О2, так как все содержимое заполнено гемоглобином.

Закрепление новых знаний – 4мин.

1.Благодаря каким особенностям состава кровь выполняет защитную и транспортную функции?

— защитную → лейкоциты – от инородных тел

тромбоциты – от кровопотерь

— транспортную → эритроцитам (гемоглобин).

Работа с тестами.

I в – четные вопросы II в – нечетные вопросы

2 – защитные, транспортные, t тела 1 – кровь, межклеточная жидкость

4 – плазма, 60% лимфа

6 – тромбоциты 3 – соединительные

8 – фагоцитоз 5 – лейкоциты

10 – 5 млн. 7 – эритроциты

12 – фибриногена в фибрин 9 – фибриноген

14 — лейкоциты (тромбоциты) 11 — И.И. Мечников

13 — транспортная

Выписать заранее оценки: 0-5; 1-2- 4; 3 – 3; более 3 — 2

1. Чем образована внутренняя среда организма?

2. Кровь выполняет следующие функции ……………

3. Какой тканью является кровь?

4. Межклеточное вещество крови называется ………………………. и составляет …………………%.

5. Белые клетки крови, имеющие ядро и непостоянную форму, называются …………..

6. Клетки крови, участвующие в ее свертывании, называются………………

7. Безъядерные клетки, все внутреннее содержимое которых заполнено гемоглобином, называется…………….

8. Процесс уничтожения микробов лейкоцитами называется…………….

9. Растворимый белок плазмы крови называется……………..

10. Эритроцитов в 1мм3 крови содержится около…………

11. Явление фагоцитоза открыл ……………..

12. Свертывание крови связано с превращением……….

13. Эритроциты выполняют……….функцию.

14. С наличием этих клеток связана защитная функция крови.

Подведение итогов .

Домашнее задание: изучить параграф, сообщение о И.И. Мечникове «Книга для чтения по анатомии».

гомеостаз | Определение, примеры и факты

Гомеостаз , любой саморегулирующийся процесс, с помощью которого биологические системы стремятся поддерживать стабильность, приспосабливаясь к условиям, оптимальным для выживания. Если гомеостаз успешен, жизнь продолжается; в случае неудачи наступает катастрофа или смерть. Достигнутая стабильность фактически представляет собой динамическое равновесие, в котором происходят непрерывные изменения, но при этом преобладают относительно однородные условия.

Популярные вопросы

Что такое гомеостаз?

Гомеостаз — это любой саморегулирующийся процесс, с помощью которого организм стремится поддерживать стабильность, приспосабливаясь к условиям, которые являются лучшими для его выживания.Если гомеостаз успешен, жизнь продолжается; если это не удается, это приводит к катастрофе или гибели организма. «Стабильность», которой достигает организм, редко бывает около точной точки (например, идеализированная температура человеческого тела 37 ° C [98,6 ° F]). Стабильность возникает как часть динамического равновесия, которое можно рассматривать как облако значений в узком диапазоне, в котором происходит непрерывное изменение. В результате преобладают относительно однородные условия.

Какой пример гомеостаза у живого существа?

Контроль температуры тела человека — один из наиболее известных примеров гомеостаза.Нормальная температура тела колеблется около 37 ° C (98,6 ° F), но на это значение может повлиять ряд факторов, включая воздействие элементов, гормонов, скорость метаболизма и болезни, приводящие к чрезмерно высокой или низкой температуре тела. Гипоталамус в головном мозге регулирует температуру тела, и обратная связь о температуре тела от тела передается через кровоток в мозг, что приводит к корректировке частоты дыхания, уровня сахара в крови и скорости метаболизма. Напротив, снижение активности, потоотделение и процессы теплообмена, которые позволяют большему количеству крови циркулировать около поверхности кожи, способствуют потере тепла.Потери тепла уменьшаются за счет теплоизоляции, уменьшения циркуляции к коже, одежде, укрытию и внешним источникам тепла.

Какой пример гомеостаза в механической системе?

Знакомый пример гомеостатического регулирования в механической системе — это действие термостата, механизма, который регулирует температуру в помещении. В центре термостата находится биметаллическая полоса, которая реагирует на изменения температуры. Полоса расширяется в более теплых условиях и сжимается в более прохладных условиях, нарушая или замыкая электрическую цепь.Когда комната остывает, контур замыкается, печь включается, и температура повышается. При заданном уровне, например, 20 ° C (68 ° F), цепь размыкается, печь останавливается, и дополнительное тепло в комнату не выделяется. Со временем температура медленно понижается, пока в комнате не остынет достаточно, чтобы снова запустить процесс.

Есть ли примеры гомеостаза в экосистемах?

Понятие гомеостаза также использовалось при изучении экосистем. Американский эколог канадского происхождения Роберт Макартур впервые предположил в 1955 году, что гомеостаз в экосистемах является результатом биоразнообразия (разнообразия жизни в данном месте) и экологических взаимодействий (хищничество, конкуренция, разложение и т. Д.)), которые происходят между живущими там видами. Термин гомеостаз использовался многими экологами для описания двустороннего взаимодействия, которое происходит между различными частями экосистемы для поддержания статус-кво. Считалось, что этот вид гомеостаза может помочь объяснить, почему леса, луга или другие экосистемы сохраняются (то есть остаются в одном и том же месте в течение длительных периодов времени). С 1955 года концепция изменилась и теперь включает неживые части экосистемы, такие как камни, почва и вода.

Любая система в динамическом равновесии стремится достичь устойчивого состояния, равновесия, которое сопротивляется внешним силам изменения. Когда такая система нарушается, встроенные регулирующие устройства реагируют на отклонения, чтобы установить новый баланс; такой процесс является одним из процессов управления с обратной связью. Все процессы интеграции и координации функций, опосредованные электрическими цепями или нервной и гормональной системами, являются примерами гомеостатической регуляции.

Знакомым примером гомеостатического регулирования в механической системе является действие регулятора комнатной температуры или термостата.Сердцем термостата является биметаллическая полоса, которая реагирует на изменения температуры, замыкая или разрывая электрическую цепь. Когда комната остывает, контур замыкается, печь работает, и температура повышается. На заданном уровне происходит разрыв цепи, печь останавливается и температура падает. Однако более сложные биологические системы имеют регуляторы, лишь приблизительно сопоставимые с такими механическими устройствами. Однако эти два типа систем схожи по своим целям — поддерживать активность в установленных пределах, будь то контроль толщины стального проката или давления в системе кровообращения.

термостат

Регулировка бытового термостата. Биметаллическая полоса внутри устройства реагирует на изменения температуры, замыкая или разрывая электрическую цепь. В холодном помещении контур замыкается, печь включается, и температура воздуха в помещении повышается. На заданном уровне цепь размыкается, в результате чего печь выключается и тем самым позволяет температуре упасть.

© GreenStockCreative / Shutterstock.com

Контроль температуры тела человека — хороший пример гомеостаза в биологической системе.У людей нормальная температура тела колеблется около значения 37 ° C (98,6 ° F), но на это значение могут влиять различные факторы, включая воздействие, гормоны, скорость метаболизма и болезни, приводящие к чрезмерно высоким или низким температурам. Регулирование температуры тела контролируется областью мозга, называемой гипоталамусом. Обратная связь о температуре тела передается через кровоток в мозг и приводит к компенсаторным изменениям частоты дыхания, уровня сахара в крови и скорости метаболизма.Потере тепла у людей способствует снижение активности, потоотделение и механизмы теплообмена, которые позволяют большему количеству крови циркулировать около поверхности кожи. Потери тепла уменьшаются за счет изоляции, уменьшения кровообращения к коже и культурных изменений, таких как использование одежды, укрытия и внешних источников тепла. Диапазон между высокими и низкими уровнями температуры тела составляет гомеостатическое плато — «нормальный» диапазон, поддерживающий жизнь. По мере приближения к одному из двух крайних значений корректирующее действие (посредством отрицательной обратной связи) возвращает систему в нормальный диапазон.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Концепция гомеостаза также применяется к экологическим условиям. Гомеостаз в экосистемах, впервые предложенный американским экологом канадского происхождения Робертом Макартуром в 1955 году, является продуктом сочетания биоразнообразия и большого количества экологических взаимодействий, происходящих между видами. Это было задумано как концепция, которая могла бы помочь объяснить стабильность экосистемы, то есть ее устойчивость как особый тип экосистемы с течением времени ( см. экологической устойчивости).С тех пор концепция немного изменилась, чтобы включить абиотические (неживые) части экосистемы; Этот термин использовался многими экологами для описания взаимодействия, которое происходит между живой и неживой частями экосистемы для поддержания статус-кво. Гипотеза Гайи — модель Земли, предложенная английским ученым Джеймсом Лавлоком, которая рассматривает ее различные живые и неживые части как компоненты более крупной системы или единого организма — делает предположение, что коллективные усилия отдельных организмов вносят вклад в гомеостаз на планетарном уровне.Аспект единственного организма в гипотезе Гайи считается спорным, потому что он утверждает, что живые существа на определенном уровне вынуждены работать на благо биосферы, а не ради собственного выживания.

Гомеостаз — Определение и примеры

Гомеостаз Определение

Гомеостаз — это процесс поддержания в организме стабильной внутренней среды, пригодной для поддержания жизни. Слово гомеостаз происходит от греческого языка, где home означает «подобный», а stasis означает «стабильный».При использовании в качестве прилагательного оно гомеостатично.

Обычно мы думаем о гомеостазе всего тела, но отдельные системы, то есть группы органов, также поддерживают гомеостатические условия. Тем не менее, длительный дисбаланс только в одной системе может негативно повлиять на гомеостаз всего организма.

Примеры гомеостаза

Гомеостаз — это нормативная процедура. В организме человека гомеостатические процессы регулируют:

  • Соотношение воды и минералов
  • Температура тела
  • Химические уровни

Формирование камня в почках

Витамины и минералы обеспечивают наш организм необходимыми для процветать.В то время как наш толстый кишечник и слюнные железы поглощают большую часть этих питательных веществ, избыточное количество выводится из нашего тела с потом и мочеиспусканием.

Конечно, минералы различаются по размеру. Кальций, фосфор и натрий считаются соединениями, способствующими образованию камней, , потому что они образуют кристаллы в мочевыводящих путях, которые проходят через мочевой пузырь. Технически у большинства людей всегда есть камни в почках; не все они болезненны.

Вот где вступает в игру гомеостаз. В условиях гомеостаза наши камни в почках (или кристаллы, говоря техническим языком) настолько малы, что мы мочимся, не задумываясь.С другой стороны, переизбыток соединений, способствующих образованию камней, или недостаток жидкости в мочевыделительной системе может привести к образованию кристаллов и их объединению в мочевыводящих путях, образуя камень. Эти камни, хотя и вызывают мучительную боль, обычно проходят естественным путем. Однако иногда из-за расположения или размера они требуют хирургического вмешательства.

Лихорадка

Ежедневно вы подвергаетесь воздействию более миллиона микробов и бактериальных клеток — больше, если вы работаете в школе, сарае, кабинете врача или другом месте с частым контактом.К счастью, иммунная система человека — лимфатические узлы, ферменты, Т-клетки и В-клетки — защищает ваше тело от болезней, которые могут вызывать эти организмы.

Но некоторые микробы крепче остальных. Будь то легкая, как простуда, или такая тяжелая, как туберкулез, около штаммов или различные болезни преодолевают вашу первую линию защиты и делают вас своим хозяином.

Микроскопические инвазии определенно нарушают гомеостаз, достаточно часто, чтобы организм точно знал, как восстановить нормальные условия.Гипоталамус повышает температуру тела, делая ваши внутренности непривлекательными и непригодными для проживания незваных гостей. Более того, ваша иммунная система записывает эти заболевания в свою «память», что затрудняет повторное заражение одной и той же ошибкой.

Производство инсулина в ответ на высокий уровень сахара в крови

В гомеостатических условиях наш организм удерживает уровень сахара в крови в узком диапазоне — от 70 до 100 мг / дл, если быть точным. Однако это хрупкое равновесие. Наш вес, диета, возраст и уровень активности могут легко вывести нас из нормального уровня.

Из перечисленных выше факторов, влияющих на уровень глюкозы в крови, диета играет самую большую роль. Будь то пожилые или молодые, люди с недостаточным или избыточным весом, диабетики или недиабетики, мы используем пищу для контроля уровня глюкозы в крови. Обычно мы признаем его способность повышать уровни, но даже это преимущество может зайти слишком далеко.

Наши диеты стали все более сладкими, особенно с появлением пищевых продуктов, подвергшихся технологической обработке. В то время как мы потребляли сложные сахара — например, те, которые получают из фруктов и злаков — на протяжении веков, простые сахара — например, в конфетах и ​​хлопьях — попали в наши системы только несколько десятилетий назад.

Простые сахара быстро попадают в наш кровоток и поэтому могут вызвать скачок уровня глюкозы в крови всего за полчаса. Чтобы сбалансировать уровень сахара в крови и поддерживать гомеостаз, поджелудочная железа вырабатывает инсулин — гормон, который превращает глюкозу в энергию или сохраняет ее для использования в будущем. Люди с диабетом , состоянием, характеризующимся хроническим высоким уровнем сахара в крови, вводят инсулин после еды, чтобы поддерживать такое же состояние гомеостаза.

  • Осморегуляция — Также называется экскрецией, поддержание организмом внутреннего баланса между водой и растворенными минералами независимо от условий окружающей среды.
  • Терморегуляция — Поддержание оптимальной внутренней температуры.
  • Глюкорегуляция — Регулирование уровня сахара в крови.
  • Фильтрация — Массовое перемещение воды и растворенных веществ в почки, где они перерабатываются в мочу.

Тест

1. Каков пример нарушения гомеостаза?
A. Температура тела повышается для защиты от вирусов или бактерий.
Б. Высокий уровень сахара в крови после ночи угощения.
C. Полный мочевой пузырь после выпитого галлона воды.
D. Плач после того, как ваша вторая половинка расстается с вами.

Ответ на вопрос № 1

B правильный. Лихорадка — это способ организма восстановить гомеостаз, а полный мочевой пузырь — способ его поддерживать. Хотя разрыв может вызвать некоторое эмоциональное расстройство, считается, что он не нарушает гомеостаз.

2.О теле, которое поддерживает гомеостаз во всех системах, говорят, что он находится в…
A. … идеальном режиме.
B. … нормальные гомеостатические условия.
C. … пул рисков.
Д. … глубоководный.

Ответ на вопрос № 2

B правильный. «Гомеостатический» — это прилагательная форма гомеостаза, которая используется для описания животных и людей, внутреннее физическое состояние которых не выходит за пределы нормального диапазона.

3.Гомеостаз означает поддержание идеальных _________ условий.
A. Внутренний
B. Дневной
C. Внешний
D. Множественный

Ответ на вопрос № 3

A правильный. Хотя некоторые нарушения гомеостаза могут показаться внешними, например порезы и синяки, реальный ущерб происходит внутри организма. Вот почему инфекция от разрыва иногда распространяется на другие органы или даже другие участки тканей.

Гомеостаз — определение и примеры

Три основных компонента гомеостаза — это рецептор, центр управления и эффектор.Рецептор получает информацию из окружающей среды и передает ее в центр управления. Центр управления, в свою очередь, обрабатывает информацию и отправляет сигналы исполнительному элементу. Затем эффектор производит ответ на основе сигнала из центра управления.

Гомеостаз — это стремление не отклоняться от диапазона благоприятных или идеальных внутренних условий. Такие условия необходимо поддерживать постоянно. Поддержание стабильного внутреннего состояния имеет решающее значение для любого живого существа.Различные физиологические стратегии используются для поддержания надлежащего функционирования системы, несмотря на динамику внешней среды. Фактически, эта способность — один из отличительных признаков жизни. Вместо того, чтобы ничего не делать, он воздействует на внешние факторы и сопротивляется им, чтобы не отклоняться от состояния равновесия, стабильности или баланса, которому он способствует. У людей гомеостаз поддерживается посредством регуляторных механизмов, каждый из которых состоит из трех основных компонентов: рецептора , центра управления и эффектора .Гомеостатический механизм может иметь форму петли, которая может быть положительной или отрицательной . Положительная обратная связь ведет к большему стимулированию или ускорению процесса, тогда как отрицательная обратная связь ведет к подавлению (источника) стимула или к замедлению процесса. Примерами положительной обратной связи являются схватки при родах, свертывание крови и создание потенциала действия. Примерами отрицательной обратной связи являются терморегуляция, регуляция уровня глюкозы в крови, барорефлекс артериального давления, гомеостаз кальция, гомеостаз калия и осморегуляция.

Определение гомеостаза

Определение гомеостаза в биологии — это способность или стремление организма или клетки искать и поддерживать состояние равновесия — стабильную внутреннюю среду — поскольку оно имеет дело с внешними изменениями. Он использует элементы управления с обратной связью и другие механизмы регулирования, чтобы поддерживать постоянную внутреннюю среду. Его можно рассматривать как умение живого организма, стремящегося оставаться в оптимальном диапазоне, несмотря на колебания условий окружающей среды.Таким образом, в биологическом контексте слово «гомеостаз» включает в себя множество физиологических механизмов для поддержания и стабилизации функционального нормального состояния организма.

Этимология: Термин гомеостаз происходит от древнегреческого ὅμοιος ( hómoios , что означает «подобный»), от στημι ( hístēmi , «стоячие») и stasis . , из στάσις ( stásis , что означает «стоя»).Концепция гомеостаза была впервые описана в 1865 году французским физиологом Клодом Бернаром. Однако этот термин был придуман позже, в 1962 году, американским физиологом Уолтером Брэдфордом Кэнноном. Вариант: гомеостаз.

Гомеостатические процессы

Организму нужна система, которая эффективно связывает различные биологические процессы и функции. Человеческое тело, например, имеет органы, состоящие из клеток, функционирующих в унисон. Эти органы, хотя и отличаются друг от друга, должны работать вместе, чтобы поддерживать набор внутренних условий в идеальном диапазоне.Существуют различные гомеостатические процессы, и каждый из них работает, регулируя определенные переменные внутренней среды.

Гомеостаз в человеческом теле

Человеческое тело не сможет эффективно функционировать при длительном дисбалансе внутренних физических условий и химического состава. Как и любое другое живое существо, человеческое тело использует различные гомеостатические механизмы для поддержания своего оптимального функционирования.

Переменные, такие как температура тела, pH, уровень натрия, уровень калия, уровень кальция и уровень сахара в крови, должны поддерживаться в пределах гомеостатического диапазона .Гомеостатический диапазон определяется как допустимые верхний и нижний пределы для конкретной переменной. Если выйти за пределы этого диапазона, организм вскоре перестанет выполнять свои задачи и станет дисфункциональным. Чтобы организм удерживал эти переменные в эффективных пределах, используются различные регулирующие механизмы, и каждый из них состоит из трех общих компонентов.

Компоненты гомеостаза

Компонентами гомеостаза являются: (1) рецептор, (2) центр управления и (3) эффектор.Рецептор , как следует из названия, является частью гомеостатической системы, которая получает информацию о состоянии тела. Он отслеживает и воспринимает изменения в окружающей среде, как внутренние, так и внешние. Он представляет собой сенсорный нервный терминал, который получает информацию (т. Е. Стимул), а затем отвечает, производя нервный импульс в соответствии с типом, наличием / отсутствием или степенью стимуляции. Примеры рецепторов в организме человека следующие:

  • Фоторецепторы , т.е.е. рецепторы, которые реагируют на световые стимулы
  • Обонятельные рецепторные клетки , т.е. рецепторы в обонятельном эпителии на крыше носа, которые реагируют на запахи или запах
  • рецепторы вкуса , т.е. рецепторы вкуса
  • слуховые рецепторные клетки , т.е. рецепторы в эпителии кортиевого органа, которые реагируют на звуковые стимулы
  • Терморецепторы , т.е. рецепторы в сенсорной клетке, чувствительной к изменениям температуры
  • Механорецепторы , т.е.е. рецепторы в коже, которые реагируют на различные механические раздражители
  • Интерорецепторы , то есть рецепторы, которые реагируют на раздражители внутри тела
  • Ноцицепторы , т.е. рецепторы, ответственные за обнаружение боли или реакцию на нее
  • Периферические хеморецепторы , т.е. рецепторы, которые реагировать на химические изменения в крови, например концентрация кислорода

Центры управления относятся к гомеостатическому компоненту, который обрабатывает импульсы, передаваемые рецепторами.Примерами являются дыхательный центр и ренин-ангиотензиновая система. Эффекторы являются мишенью гомеостатического ответа, который приведет к возврату условий к оптимальному или нормальному диапазону . На уровне ткани или органа они представлены мышцей или железой. На клеточном уровне они являются рецепторами нерва, включая ядерные рецепторы.
Эти три компонента работают, сначала обнаруживая информацию, а затем реагируя на нее (т.е. стимул) рецепторами сенсорных клеток. Они реагируют на обнаруженное изменение в окружающей среде, передавая информацию в центр управления , обрабатывающий , или непосредственно на конкретный целевой эффектор. Обработка в центре управления влечет за собой обсуждение и определение соответствующей реакции на переданные стимулы. Затем он отправляет это сообщение исполнительным элементам. Эффекторы после получения сообщения вызовут предполагаемый ответ, который вернется в нормальный гомеостатический диапазон.На клеточном уровне активированные ядерные рецепторы будут действовать, регулируя (или подавляя) экспрессию определенного гена (ов). Затем белок, продуцируемый в результате экспрессии гена, будет оказывать свое действие на орган-мишень.

Гомеостатические механизмы

Гомеостатические механизмы, которые реагируют на возмущение, могут иметь форму петлевого механизма (называемого механизмом обратной связи ), который может быть положительным или отрицательным . Положительная обратная связь поддерживает направление стимула.Он имеет тенденцию ускорять или усиливать действие раздражителя. Примерами являются схватки, свертывание крови и генерация потенциала действия. Отрицательная обратная связь — это система саморегуляции, которая используется в различных биологических системах. Он меняет направление стимула на 9024 и имеет тенденцию подавлять источник стимула или замедлять метаболический процесс. Примеры включают терморегуляцию, регулирование уровня глюкозы в крови, барорефлекс кровяного давления, гомеостаз кальция, гомеостаз калия и осморегуляцию.

Сокращения родов

Сокращения родов во время родов — положительная обратная связь, поскольку первоначальное сокращение мышцы матки приводит к дальнейшим сокращениям. Вместо того, чтобы препятствовать сокращению, тело имеет тенденцию производить больше сокращений. Во время родов задний гипофиз выделяет окситоцин, который стимулирует сокращение мышц. Во время родов высвобождение окситоцина еще больше усиливается, усиливая мышечные сокращения, пока новорожденный не будет вытеснен за пределы родовых путей.

Свертывание крови

Образование сгустка крови является примером положительной обратной связи. Превращение крови из жидкой в ​​твердую влечет за собой серию активации факторов свертывания. Как только активируется один фактор свертывания, активируется следующий фактор свертывания, что приводит к образованию фибринового сгустка. В этом процессе сохраняется направление раздражителя.

Генерация потенциала действия

В передаче сигналов нейронов положительная обратная связь проявляется во время деполяризации мембраны.Когда нервный импульс передается по аксону нейрона, управляемые напряжением натриевые каналы последовательно открываются по аксону. Первый набор потенциалзависимых натриевых каналов открывается, что приводит к притоку ионов натрия. Это, в свою очередь, вызывает деполяризацию окружающей области, что означает открытие следующего набора потенциалзависимых натриевых каналов.

Терморегуляция

Гомеостатическое регулирование температуры тела зимой (слева) и летом (справа). Зимой терморецепторы обнаруживают падение температуры тела и передают эту информацию в передний гипоталамус и преоптическую область мозга.Затем мозговые центры запускают механизмы контроля, чтобы вернуть внутреннюю температуру тела к заданному значению . Летом тело корректирует повышение внутренней температуры, рассеивая тепло и испарительное охлаждение за счет потоотделения.

Терморегуляция — пример отрицательной обратной связи. Это относится к гомеостатическому регулированию температуры тела. Человеческое тело имеет тенденцию поддерживать внутреннюю температуру около 98,6 градусов по Фаренгейту (98,6 F, что эквивалентно 37 ˚C), также называемую уставкой .Центральная температура регулируется в основном нервной системой, особенно передним гипоталамусом , и преоптической областью мозга.

Когда температура окружающей среды ниже температуры кожи, происходит потеря тепла. Это означает, что в более холодной окружающей среде (например, в холодное зимнее время) тело теряет тепло в основном за счет рук и ног. В результате температура ядра падает. Это улавливается терморегуляторным центром мозга и запускает механизмы контроля, чтобы вернуть внутреннюю температуру к заданному значению.Один из гомеостатических механизмов — это дрожь для выделения тепла. Центр терморегуляции в головном мозге посылает сигнал мышцам дрожать . Поскольку при дрожании тело остается неподвижным, в окружающую среду будет рассеиваться меньше тепла.
И наоборот, когда температура окружающей среды на выше, чем на , чем температура кожи, тело получает тепла, и, следовательно, внутренняя температура повышается. Это происходит в жаркие летние дни. Центр терморегуляции в головном мозге реагирует, например, стимулируя эккринные потовые железы выделять пот для охлаждения тела (с помощью испарительного охлаждения).
Терморегуляция — важный гомеостатический механизм не только у людей, но и у млекопитающих. Млекопитающие поддерживают постоянную температуру тела, что делает их характерными для теплокровных . Организм поддерживает оптимальную внутреннюю температуру за счет внутренней регуляции системой организма, состоящей из терморецепторов в гипоталамусе, головном мозге, спинном мозге, внутренних органах и магистральных венах. 1 Другой способ — это аллостаз , который представляет собой поведенческую форму гомеостатической регуляции.Например, в жаркую погоду они стремятся искать тенистые, более прохладные места и / или мало передвигаются. В холодное время года они ищут теплые места и, как правило, повышают активность. Некоторые виды, например птицы, сбиваются в кучу или прижимаются друг к другу, чтобы согреться. 2 Люди, в свою очередь, изобрели определенные инструменты, системы и оборудование для достижения приемлемой или идеальной температуры окружающей среды внутри своих убежищ. Например, лучистое отопление в виде паровых радиаторов, лучистое отопление полов, внутристенное отопление, каменные обогреватели и пассивное солнечное отопление может эффективно нагревать поверхности и предметы и производить равномерное и комфортное тепло.Узнайте больше о лучистом отоплении.

Гомеостаз крови

Гомеостатическая регуляция уровня глюкозы в крови. Когда уровень глюкозы в крови низкий, альфа-клетки поджелудочной железы выделяют глюкагон, который стимулирует печень превращать накопленный гликоген в глюкозу путем гликогенолиза или путем выработки глюкозы путем глюконеогенеза. Также прекращается секреция инсулина. В результате глюкоза вырабатывается или попадает в кровоток, тем самым повышая уровень сахара в крови. Когда уровень глюкозы в крови высок, бета-клетки поджелудочной железы выделяют инсулин, который стимулирует скелетные мышцы и жировые ткани поглощать глюкозу из крови.Он также заставляет клетки печени преобразовывать глюкозу в запасенный гликоген. Также подавляется секреция глюкагона. В результате уровень глюкозы в крови возвращается к нормальному уровню.

Кровь человека состоит из клеточных элементов и плазмы. В то время как клеточные элементы включают клетки крови и тромбоциты, плазма состоит в основном из воды, примерно на 95% по объему, а оставшийся процент включает растворенные белки (например, альбумины сыворотки, глобулины, фибриноген), глюкозу, факторы свертывания крови, электролиты, гормоны. , углекислый газ и кислород.Уровни этих компонентов в плазме крови регулируются гомеостатически. Например, уровень сахара в крови регулируется, чтобы установить концентрацию глюкозы в крови в пределах допустимого предела. Организм поддерживает гомеостаз в этом отношении в основном через поджелудочную железу . Поджелудочная железа — это железистая структура, состоящая из двух основных типов клеток: альфа- и бета-клеток. Альфа-клетки производят и секретируют глюкагон, а бета-клетки — инсулин. Глюкагон и инсулин — это гормоны поджелудочной железы, регулирующие концентрацию глюкозы в крови.В частности, инсулин снижает уровень сахара в крови, побуждая скелетные мышцы и жировые ткани поглощать глюкозу из кровотока. Он также побуждает клетки печени принимать глюкозу и сохранять ее в гликоген. И наоборот, глюкагон повышает уровень сахара в крови, стимулируя печень преобразовывать накопленный гликоген в глюкозу с помощью гликогенолиза или продуцировать глюкозу с помощью глюконеогенеза и высвобождать ее в кровоток. Таким образом, когда уровень глюкозы высокий, в кровообращении (т.е.грамм. при употреблении богатой углеводами пищи) бета-клетки поджелудочной железы секретируют инсулин и препятствуют альфа-клеткам секретировать глюкагон. Но когда уровень глюкозы падает (например, во время энергоемкой тренировки), альфа-клетки секретируют глюкагон, и секреция инсулина прекращается.

Гомеостаз артериального давления

Другой пример отрицательной обратной связи — гомеостатическая регуляция артериального давления. Артериальное давление — это сила, проявляемая циркулирующей кровью, когда она ударяет по стенкам артерий.Давление исходит от сердца, когда оно создает пульсирующий акт. Это кровяное давление регулируется в пределах гомеостатического диапазона сердечно-сосудистым центром. Этот центр управления выполняет три различных действия, связанных с регулированием артериального давления. 3 :
(1) Сердечный центр посылает нервные импульсы симпатическим сердечным нервам для увеличения сердечного выброса (за счет увеличения частоты сердечных сокращений).
(2) Сердечный центр посылает нервные импульсы парасимпатическим блуждающим нервам для уменьшения сердечного выброса (за счет уменьшения частоты сердечных сокращений).
(3) Сосудодвигательный центр, регулирующий диаметр кровеносных сосудов.
Сердечно-сосудистый центр получает информацию об изменении артериального давления от рецепторов, например барорецепторы. Барорецепторы — это рецепторы, которые в основном находятся в каротидном синусе. Они чувствительны к перепадам артериального давления. Например, когда артериальная стенка растягивается из-за увеличенного объема крови, барорецепторы обнаруживают последующее повышение артериального давления. Они посылают сигналы клеткам предсердной мышцы сердца, чтобы секретировать предсердный натрийуретический пептид (ANP) в кровоток.ANP — сильнодействующее сосудорасширяющее средство, действие которого включает снижение артериального давления. В этом отношении его органом-мишенью являются почки, которые помимо основной функции выведения отходов из организма в виде мочи, также играют важную роль в управлении объемом крови через систему ренин-ангиотензин-альдостерон . В частности, ANP стимулирует почки к прекращению секреции ренина.
Ренин — это фермент, который превращает ангиотензиноген из печени в ангиотензин I . Затем ангиотензин I преобразуется ангиотензин-превращающим ферментом в легких в мощный сосудосуживающий пептид, ангиотензин II .Последнее заставляет целевой кровеносный сосуд сужаться, тем самым повышая периферическое сопротивление. Повышение периферического сопротивления приводит к повышению артериального давления. Ангиотензин II также действует на надпочечники, стимулируя их секрецию альдостерона . Альдостерон снижает диурез. Он делает это, проникая в основные клетки дистального канальца и собирательный канал нефрона почки, чтобы связываться с ядерным рецептором минералокортикоидов. Это активирует клетку для высвобождения ионов натрия (Na + ) через базолатеральные насосы Na + / K + .Три иона Na + выделяются из клетки в межклеточную жидкость . Одновременно из межклеточной жидкости в клетку поступает 2 иона K + . В результате градиент концентрации заставляет ионы Na + и воду попадать в кровоток (что касается ионов K + , они секретируются из просвета собирательного канала в мочу). Реабсорбция как ионов Na + , так и воды в кровь увеличивает объем крови.
Если почки не секретируют ренин, то его эффекты и последующие события также будут подавлены.В результате уменьшается объем крови и падает артериальное давление.

Гомеостаз кальция

Главными клетками паращитовидных желез и парафолликулярными клетками щитовидной железы являются сенсорные клетки, чувствительные к уровням ионов кальция (Ca 2+ ). Падение ионов кальция в плазме побуждает основные клетки секретировать паратироидный гормон, тогда как повышение количества ионов кальция побуждает парафолликулярные клетки секретировать кальцитонин. 4
Снижение уровня Ca 2+ вызывает выброс паратироидного гормона.Повышение уровня этого гормона, циркулирующего в крови, вызывает резорбцию костей. Также гормон вызывает выведение ионов фосфата с мочой. Экскреция фосфат-ионов препятствует связыванию последнего с Ca 2+ . Таким образом, несвязанный Ca 2+ может высвобождаться в плазму, корректируя уровень Ca 2+ . Кроме того, гормон действует и на почки. Он стимулирует почки высвобождать кальцитриол в кровь. Кальцитриол нацелен на эпителиальные клетки двенадцатиперстной кишки и тощей кишки тонкой кишки, чтобы увеличить их способность абсорбировать кальций из просвета кишечника, а затем высвобождать его в кровь. 5
Повышение Ca 2+ приводит к тому, что парафолликулярные клетки секретируют кальцитонин в кровь. Этот гормон, в свою очередь, воздействует на костные клетки, стимулируя последние поглощать кальций и превращать его в нерастворимую форму внутри кости, тем самым удаляя избыток Ca 2+ из крови.

Гомеостаз калия

Организм корректирует уровень калия за счет действия надпочечникового комплекса. Высокая концентрация калия в плазме приводит к деполяризации мембраны клубочковой зоны коры надпочечников. 6 Это вызывает выброс альдостерона в кровь. Этот гормон действует на почки. Стимулирует выведение лишних ионов калия с мочой. Это происходит через базолатеральные натриевые / калиевые насосы канальцевых эпителиальных клеток. Каждый из этих насосов работает, высвобождая три иона натрия из клетки, а затем забирая в клетку два иона калия. Из-за результирующего градиента ионной концентрации ионы натрия реабсорбируются в кровь, а затем ионы калия секретируются в просвет собирательного канала для их окончательного выведения с мочой.

Осморегуляция

Жидкости организма человеческого тела бывают двух основных типов: внутриклеточная жидкость (жидкость внутри клетки) и внеклеточная жидкость (жидкость вне клетки). Оба эти типа состоят в основном из воды. Количество молекул воды между этими двумя жидкостями необходимо регулировать и стабилизировать. Организм делает это за счет осморегуляции. Гомеостатический механизм запускается осморецепторами в гипоталамусе. Эти рецепторы чувствительны к изменениям осмотического давления.Когда эти рецепторы обнаруживают гипертонус (больше растворенного вещества) или гиперосмоляльность во внеклеточной среде, вазопрессин выделяется в кровоток. В случае осморегуляции вазопрессин воздействует на почки, вызывая антидиуретический ответ, в частности, способствуя реабсорбции воды, тем самым подавляя дальнейшую потерю воды. Помимо высвобождения вазопрессина, гипоталамус также стимулирует центр жажды мозга, чтобы усилить желание пить воду. В случае гипоосмоляльности внешней среды наблюдается низкий уровень вазопрессина в плазме.Как следствие, вода не реабсорбируется из почечных канальцев и, следовательно, выводится с мочой.

Биологическое значение гомеостаза

Гомеостаз важен для поддержания и поддержания жизни. Без этих гомеостатических механизмов, обеспечивающих поддержание врожденных переменных в оптимальных или подходящих значениях, в организме была бы нестабильность. Система не сможет работать должным образом и эффективно. В конечном итоге человек заболеет или, что еще хуже, столкнется со смертью из-за неспособности организма исправить ложные переменные, которые мешают системе функционировать должным образом.

ПРОЧИТАТЬ: Физиологический гомеостаз, гомеостатические механизмы и клеточная коммуникация

Связанные термины

См. Также

Ссылки

  1. Tansey, Etain A .; Джонсон, Кристофер Д. (2015). «Последние достижения в области терморегуляции». Достижения в физиологическом образовании. 39 (3): 139–148.
  2. Кэмпбелл, Нил А. (1990). Биология (Второе изд.). Редвуд-Сити, Калифорния: Издательство Бенджамин / Каммингс.
  3. Контроль артериального давления. (2015). Получено с веб-сайта Cliffsnotes.com: https://www.cliffsnotes.com/study-guides/anatomy-and-physiology/the-cardiovascular-system/control-of-blood-pressure
  4. Brini, M., Ottolini, D ., Кали, Т., и Карафоли, Э. (2013). «Глава 4. Кальций в здоровье и болезнях». В Sigel A, Helmut RK (ред.). Взаимосвязь между ионами эссенциальных металлов и болезнями человека. Ионы металлов в науках о жизни. 13. Springer. С. 81–137.
  5. Страйер, Л. (1995).«Витамин D образуется из холестерина под действием света, расщепляющего кольца». В кн .: Биохимия (Четвертое изд.). Нью-Йорк: W.H. Фримен и компания. п. 707.
  6. Ху, К., Русин, К. Г., Тан, З., Гуальярдо, Н. А., и Барретт, П. К. (июнь 2012 г.). «Клетки клубочковой зоны коры надпочечников мыши являются собственными электрическими осцилляторами». J Clin Invest. 122 (6): 2046–2053.
  7. Палмер, Л. Г. и Фриндт, Г. (2000). «Секреция альдостерона и калия кортикальным собирательным каналом».Kidney International. 57 (4): 1324–8.
  8. Modell, H., Cliff, W., Michael, J., McFarland, J., Wenderoth, M. P., & Wright, A. (2015). Взгляд физиолога на гомеостаз. Достижения в физиологическом образовании, 39 (4), 259–266. https://doi.org/10.1152/advan.00107.2015
  9. Гомеостаз, устойчивые состояния и равновесие. (2019). Получено с веб-сайта Rice.edu: https://www.ruf.rice.edu/~bioslabs/studies/invertebrates/steadystate.html
  10. Гомеостаз. (2019). Получено из Беллармина.Веб-сайт edu: https://www.bellarmine.edu/faculty/dobbins/microbial/MBernard.htm
  11. 1.3 Анатомия и физиология гомеостаза. (2019). Получено с веб-сайта Oregonstate.edu: http://library.open.oregonstate.edu/aandp/chapter/1-5-homeostasis/
  12. Гомеостаз: механизм положительной и отрицательной обратной связи. (нет данных). Получено с https://www.michigan.gov/documents/explorelabscience/Presentation_on_Homeostasis_560162_7.pdf
  13. Lecture 21. (2019). Получено с веб-сайта Columbia.edu: http: // www.columbia.edu/cu/biology/courses/c2006/lectures08/lect21.08.html
  14. Системы органов животных. (2019). Получено с веб-сайта Estrellamountain.edu: https://www2.estrellamountain.edu/faculty/farabee/biobk/BioBookANIMORGSYS.html

Для дальнейшего чтения:

© Biology Online. Контент предоставлен и модерируется Biology Online Editors

Следующий

Что такое гомеостаз? — Scientific American

Гомеостаз, от греческих слов «одинаковый» и «устойчивый», относится к любому процессу, который живые существа используют для активного поддержания достаточно стабильных условий, необходимых для выживания.Термин был изобретен в 1930 году врачом Уолтером Кэнноном. Его книга « Мудрость тела » описывает, как человеческое тело поддерживает постоянный уровень температуры и других жизненно важных условий, таких как содержание воды, соли, сахара, белка, жира, кальция и кислорода в крови. Подобные процессы динамически поддерживают установившиеся условия в окружающей среде Земли.

Гомеостаз нашел полезное применение в социальных науках. Это относится к тому, как человек в условиях конфликтных стрессов и мотиваций может поддерживать стабильное психологическое состояние.Общество гомеостатически поддерживает свою стабильность, несмотря на конкурирующие политические, экономические и культурные факторы. Хорошим примером является закон спроса и предложения, согласно которому взаимодействие спроса и предложения сохраняет рыночные цены на достаточно стабильном уровне.

Гомеостатические идеи разделяет наука кибернетика (от греческого «рулевой»), определенная в 1948 году математиком Норбертом Винером как «вся область теории управления и коммуникации, будь то в машине или в животном».«Кибернетические системы могут« запоминать »нарушения и, таким образом, используются в информатике для хранения и передачи информации. Отрицательная обратная связь является центральной гомеостатической и кибернетической концепцией, относящейся к тому, как организм или система автоматически противодействуют любому изменению, наложенному на него.

Например, человеческое тело использует ряд процессов для контроля своей температуры, поддерживая ее близкое к среднему значению или норме 98,6 градусов по Фаренгейту. Одна из наиболее очевидных физических реакций на перегрев — потоотделение, которое охлаждает тело, делая кожу доступной для испарения.С другой стороны, тело снижает потери тепла в холодной окружающей среде за счет меньшего потоотделения и уменьшения кровообращения в коже. Таким образом, любое изменение, повышающее или понижающее нормальную температуру, автоматически вызывает противодействующую обратную связь, обратную или отрицательную. Здесь отрицательный означает просто противоположное, а не плохое; на самом деле, в этом примере он действует на наше благополучие. Положительная обратная связь — это реакция на изменение нормального состояния, которая еще больше увеличивает отклонение.

Например, если температура человека повышается примерно до 107 градусов по Фаренгейту, системы отрицательной обратной связи перестают работать.У человека с высокой температурой будет горячая и сухая кожа, если он потеет, чтобы охладить ее. В этом случае не только отключаются системы отрицательной обратной связи; повышенная температура ускоряет химию тела, что вызывает еще большее повышение температуры, что, в свою очередь, еще больше ускоряет химию тела и так далее. Этот порочный круг положительной обратной связи, процесс «побега» может закончиться только смертью, если его не остановить.

Важно подчеркнуть, что гомеостатические реакции неизбежны и автоматические, если система функционирует должным образом, и что устойчивое состояние или гомеостаз могут поддерживаться многими системами, работающими вместе.Например, приливы крови — это еще одна автоматическая реакция организма на нагревание: кожа краснеет, потому что ее мелкие кровеносные сосуды автоматически расширяются, подводя более нагретую кровь к поверхности, где она может охладиться. Дрожь — это еще одна реакция на озноб: непроизвольные движения сжигают ткани тела, выделяя больше тепла.

Отрицательная обратная связь возникает из-за баланса между силами и факторами, которые взаимно влияют друг на друга. Чтобы проиллюстрировать некоторые из его важных характеристик, мы можем рассматривать автомобиль и его водителя как единую, сложную, гомеостатическую или «целенаправленную» систему — киборга, или «кибернетический организм», в том смысле, что он стремится поддерживать движение автомобиля. на ходу.Водитель не управляет, удерживая колесо в фиксированном положении, а продолжает слегка поворачивать колесо влево и вправо, ища положения колес, которые вернут естественно извилистую машину на ходу. Нарушение или отклонение от равновесия не менее важно, чем отрицательная обратная связь: системы не могут исправиться, если они не отклоняются.

Колебания — обычное и необходимое поведение многих систем. Если автомобиль заносит, водитель автоматически реагирует, быстро поворачивая в противоположном направлении.Однако такая резкая отрицательная обратная связь обычно приводит к чрезмерной коррекции, заставляя автомобиль двигаться к другой стороне дороги. Отрицательная обратная связь, если она столь же велика, как вызвавшее ее возмущение, может стать впечатляющим изменением в направлении, противоположном направлению исходного возмущения. Автомобиль и водитель преодолевают занос, качаясь из стороны в сторону, каждый раз поворачивая немного меньше. Другими словами, каждая обратная связь меньше последнего отклонения от цели, поэтому колебания «затухают».«Отрицательная обратная связь требует времени, и такая задержка во времени является важной особенностью многих природных систем. Это может привести к колебаниям системы выше и ниже равновесного уровня.

Гомеостаз

Гомеостаз играет важную роль в формировании формы и функций всех биологических молекул и организмов

Студенты должны уметь объяснять и применять основные концепции, лежащие в основе гомеостаза, включая необходимость биологического баланса, связанных устойчивых процессов, количественной оценки гомеостаза, организации химических процессов и механизмов контроля.

Цели обучения, указанные ниже, подразделяются на вводные A, промежуточные B и верхние C.

1. Биологическая потребность в гомеостазе

Биологический гомеостаз — это способность поддерживать относительную стабильность и функционировать при изменениях, происходящих во внутренней или внешней среде. Организмы жизнеспособны в относительно узком наборе условий. Таким образом, существует необходимость в жестком регулировании концентрации метаболитов и малых молекул на клеточном уровне для обеспечения выживания.Чтобы оптимизировать использование ресурсов и поддерживать условия, организм может жертвовать эффективностью ради устойчивости. Нарушение гомеостатической регуляции может способствовать возникновению или прогрессированию заболевания или привести к гибели клеток.

Связанные цели обучения
  • Студенты должны уметь описать, почему поддержание гомеостаза выгодно для организма. A
  • Студенты должны уметь определять гомеостаз в биохимическом контексте как для научно подготовленных, так и для непрофессиональных аудиторий.B
  • Студенты должны быть в состоянии описать, как гомеостатические пути и механизмы сохранялись на протяжении всей эволюции. B
  • Студенты должны уметь оценивать затраты и преимущества различных гомеостатических механизмов для организма. C
  • Студенты должны уметь соотносить различные факторы окружающей среды, требующие гомеостаза, с определенной адаптацией. C

2. Связать устойчивые процессы и гомеостаз

Система, находящаяся в устойчивом состоянии, остается постоянной во времени, но это постоянное состояние требует постоянной работы.Система в устойчивом состоянии имеет более высокий уровень энергии, чем ее окружение. Биохимические системы поддерживают гомеостаз за счет регуляции экспрессии генов, метаболического потока и преобразования энергии, но никогда не находятся в равновесии.

Связанные цели обучения
  • Учащиеся должны уметь объяснить, что система, находящаяся в химическом равновесии (или просто равновесии), стабильна во времени, но для поддержания этого состояния не требуется никакой энергии или работы. A
  • Студенты должны уметь применять принципы кинетики для описания биохимических потоков.A
  • Студенты должны уметь обсуждать метаболические пути с точки зрения равновесия и принципа Ле Шателье. A
  • Студенты должны уметь связывать законы термодинамики с гомеостазом и объяснять, как клетка или организм поддерживает гомеостаз. B
  • Студенты должны уметь моделировать, как возмущения устойчивого состояния могут привести к изменениям гомеостатического состояния. C
  • Студенты должны уметь предлагать, как ресурсы, хранящиеся в гомеостатическом состоянии, могут быть использованы в случае необходимости.C

3. Количественная оценка гомеостаза

Множественные реакции со сложной сетью активаторов и ингибиторов участвуют в биологическом гомеостазе. Модификации таких сетей могут приводить к активации ранее скрытых метаболических путей или даже к непредсказуемым взаимодействиям между компонентами этих сетей. Эти пути и сети могут быть математически смоделированы и коррелированы с данными метаболомики, а также кинетическими и термодинамическими параметрами отдельных компонентов для количественной оценки эффектов изменения условий, связанных с нормальными или болезненными состояниями.

Связанные цели обучения
  • Учащиеся должны уметь описывать эксперименты, в которых обсуждаются способы количественной оценки сигнальных и регуляторных молекул и промежуточных продуктов метаболизма в лаборатории. A
  • Студенты должны уметь соотносить концентрации ключевых метаболитов со стадиями метаболических путей и описывать роли, которые они играют в гомеостазе. A
  • Студенты должны уметь рассчитывать ферментативные уровни и сравнивать их, а также соотносить эти показатели с гомеостазом клеток или организма.B
  • Студенты должны объяснить, что гомеостаз организма можно измерить разными способами и в разных временных масштабах (секунды, минуты, часы, дни и месяцы). B
  • Учащиеся, учитывая метаболическую сеть и соответствующие данные, должны уметь прогнозировать результаты изменений параметров системы, таких как повышение концентрации определенных промежуточных соединений или изменения активности определенных ферментов. C

4. Механизмы управления

Гомеостаз поддерживается рядом механизмов контроля, действующих на уровне органа, ткани или клетки.Эти механизмы контроля включают поставку субстрата, активацию или ингибирование отдельных ферментов и рецепторов, синтез и деградацию ферментов и компартментализацию. Основные компоненты, отвечающие за поддержание гомеостаза, можно разделить на стимул, рецептор, центр управления, эффектор и механизм обратной связи.

Связанные цели обучения
  • Учащиеся должны уметь обсуждать, как химические процессы разделены на части в организме, органе и клетке.A
  • Студенты должны быть в состоянии объяснить, почему биохимические пути проходят через промежуточные соединения, которые они делают (постепенное окисление или восстановление), и почему пути разделяют промежуточные соединения. A
  • Студенты должны уметь суммировать различные уровни контроля (включая компартментализацию реакции, экспрессию генов, ковалентную модификацию ключевых ферментов, аллостерическую регуляцию ключевых ферментов, доступность субстрата и протеолитическое расщепление) и соотносить эти различные уровни контроля с гомеостазом.A
  • Учащиеся должны уметь сравнивать временной аспект различных механизмов контроля (например, насколько быстро происходит фосфорилирование по сравнению с изменениями в экспрессии генов). A
  • Студенты должны уметь выдвигать гипотезы, почему и как органы эволюционировали со специализированными функциями у многоклеточных животных. B
  • Студенты должны уметь обсуждать различные модели аллостерической регуляции. B
  • Студенты должны уметь формулировать модели, относящиеся к изменениям в потоке по пути к другим путям и к общему гомеостазу.C
  • Студенты должны уметь отстаивать, почему анаболические и катаболические пути разделены в клетке. C

5. Гомеостаз клетки и организма

Гомеостаз в организме или колонии одноклеточных организмов регулируется секретируемыми белками и небольшими молекулами, часто действующими как сигналы. Гомеостаз в клетке поддерживается за счет регулирования и обмена материалами и энергией с окружающей средой.

Связанные цели обучения
  • Учащиеся должны быть в состоянии описать, как клетки и организм хранят ресурсы (как в плане запасенной энергии, так и химических строительных блоков) на случай необходимости, и как они мобилизуют эти ресурсы.A
  • Студенты должны уметь интегрировать гомеостаз от клеточного до организменного уровня. Другими словами, учащиеся должны быть в состоянии описать, как сложные многоклеточные животные могут иметь как клеточную, так и организменную реакцию для поддержания гомеостаза. B
  • Студенты должны уметь сравнивать и противопоставлять гомеостаз у разных организмов. B
  • Студенты должны уметь описывать гомеостаз на уровне клетки, организма или системы организмов и предполагать, как система будет реагировать на отклонения от гомеостаза.C

11.1 Гомеостаз и осморегуляция — Концепции биологии — 1-е канадское издание

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Объясните понятие гомеостаза
  • Описать терморегуляцию эндотермических и экзотермических животных
  • Объясните, как почки служат главными осморегуляторными органами в организме человека

Гомеостаз относится к относительно стабильному состоянию внутри тела животного.Органы и системы животных постоянно приспосабливаются к внутренним и внешним изменениям, чтобы поддерживать это устойчивое состояние. Примерами внутренних условий, поддерживаемых гомеостатически, являются уровень глюкозы в крови, температура тела, уровень кальция в крови. Эти условия остаются стабильными из-за физиологических процессов, которые приводят к отрицательной обратной связи. Если уровень глюкозы или кальция в крови повышается, это посылает сигнал органам, ответственным за снижение уровня глюкозы или кальция в крови. Сигналы, восстанавливающие нормальный уровень, являются примерами отрицательной обратной связи.Когда гомеостатические механизмы не работают, результаты могут быть неблагоприятными для животного. Гомеостатические механизмы поддерживают тело в динамическом равновесии, постоянно приспосабливаясь к изменениям, с которыми сталкиваются системы организма. Даже животное, которое явно неактивно, поддерживает это гомеостатическое равновесие. Двумя примерами гомеостатических факторов являются температура и содержание воды. Процессы, поддерживающие гомеостаз этих двух факторов, называются терморегуляцией и осморегуляцией.

Целью гомеостаза является поддержание равновесия вокруг определенного значения некоторого аспекта тела или его клеток, называемого заданной точкой. Хотя есть нормальные отклонения от заданной точки, системы организма обычно пытаются вернуться к этой точке. Изменение внутренней или внешней среды называется стимулом и обнаруживается рецептором; реакция системы состоит в том, чтобы отрегулировать деятельность системы так, чтобы значение вернулось к заданному значению. Например, если тело становится слишком теплым, производятся корректировки, чтобы охладить животное.Если уровень глюкозы в крови повышается после еды, вносятся корректировки, чтобы понизить его и доставить питательное вещество в ткани, которые в нем нуждаются, или сохранить его для дальнейшего использования.

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

Животных можно разделить на две группы: животных, которые поддерживают постоянную температуру тела при различных температурах окружающей среды, и животных, температура тела которых совпадает с температурой окружающей среды и, следовательно, изменяется в зависимости от температуры окружающей среды. Животных, у которых нет внутреннего контроля температуры тела, называют эктотермами. Температура тела этих организмов, как правило, аналогична температуре окружающей среды, хотя отдельные организмы могут делать вещи, которые поддерживают температуру своего тела немного ниже или выше температуры окружающей среды.Это может быть закапывание под землей в жаркий день или отдых на солнце в холодный день. Эктотермов называют хладнокровными — термин, который может не относиться к животным в пустыне с очень высокой температурой тела.

Животное, которое поддерживает постоянную температуру тела перед лицом изменений окружающей среды, называется эндотермом. Эти животные способны поддерживать уровень активности, недоступный для экзотермических животных, потому что они генерируют внутреннее тепло, которое поддерживает оптимальную работу их клеточных процессов даже при холодной окружающей среде.

Концепция в действии


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

Животные сохраняют или рассеивают тепло различными способами. У эндотермических животных есть какая-то изоляция. У них есть мех, жир или перья. Животные с густым мехом или перьями создают изолирующий слой воздуха между кожей и внутренними органами. Белые медведи и тюлени живут и плавают в условиях низких температур, но при этом поддерживают постоянную теплую температуру тела.Например, песец использует свой пушистый хвост как дополнительную изоляцию, когда сворачивается клубочком, чтобы спать в холодную погоду. Млекопитающие могут увеличивать выработку тепла телом из-за дрожи, что является непроизвольным увеличением мышечной активности. Кроме того, мышцы arrector pili могут сокращаться, заставляя отдельные волоски встать дыбом, когда человеку холодно. Это увеличивает изолирующий эффект волос. Люди сохраняют эту реакцию, которая не оказывает ожидаемого воздействия на наши относительно безволосые тела; вместо этого он вызывает «мурашки по коже».Млекопитающие также используют слои жира в качестве изоляции. Потеря значительного количества жира снижает способность человека сохранять тепло.

Ectotherms и endotherms используют свои кровеносные системы для поддержания температуры тела. Расширение сосудов, открытие артерий к коже за счет расслабления их гладких мышц, приносит больше крови и тепла к поверхности тела, облегчая радиационную потерю тепла и испарения, охлаждая тело. Сужение сосудов, сужение кровеносных сосудов к коже за счет сокращения их гладкой мускулатуры, уменьшает кровоток в периферических кровеносных сосудах, заставляя кровь двигаться к сердцевине и жизненно важным органам, сохраняя тепло.У некоторых животных есть приспособления к их кровеносной системе, которые позволяют им передавать тепло от артерий венам, которые текут рядом друг с другом, нагревая кровь, возвращающуюся к сердцу. Это называется противоточным теплообменом; он не дает холодной венозной крови охлаждать сердце и другие внутренние органы. Противоточная адаптация встречается у дельфинов, акул, костистых рыб, пчел и колибри.

Некоторые экзотермические животные используют изменения в своем поведении, чтобы регулировать температуру тела.Они просто ищут более прохладные места в самое жаркое время дня в пустыне, чтобы не стало слишком жарко. Те же животные могут забираться на скалы вечером, чтобы поймать тепло холодной пустынной ночью, прежде чем войти в свои норы.

Терморегуляция координируется нервной системой (рис. 11.2). Процессы контроля температуры сосредоточены в гипоталамусе развитого мозга животного. Гипоталамус поддерживает заданную температуру тела за счет рефлексов, вызывающих расширение или сужение сосудов, а также дрожь или потоотделение.Симпатическая нервная система, находящаяся под контролем гипоталамуса, управляет реакциями, которые влияют на изменения в потере или повышении температуры, которые возвращают тело к заданному значению. В некоторых случаях уставка может быть изменена. Во время инфекции вырабатываются соединения, называемые пирогенами, которые циркулируют в гипоталамусе, сбрасывая термостат на более высокое значение. Это позволяет температуре тела повышаться до новой точки гомеостатического равновесия при том, что обычно называют лихорадкой. Повышение температуры тела делает его менее оптимальным для роста бактерий и увеличивает активность клеток, чтобы они могли лучше бороться с инфекцией.

Рис. 11.2. Организм способен регулировать температуру в ответ на сигналы нервной системы.

Когда бактерии уничтожаются лейкоцитами, пирогены попадают в кровь. Пирогены сбрасывают термостат тела на более высокую температуру, что приводит к лихорадке. Как пирогены могут вызывать повышение температуры тела?

Осморегуляция — это процесс поддержания солевого и водного баланса (осмотического баланса) через мембраны в организме.Жидкости внутри и вокруг ячеек состоят из воды, электролитов и неэлектролитов. Электролит — это соединение, которое при растворении в воде диссоциирует на ионы. Неэлектролит, напротив, не диссоциирует на ионы в воде. Жидкости организма включают плазму крови, жидкость, которая существует внутри клеток, и межклеточную жидкость, которая существует в пространствах между клетками и тканями тела. Мембраны тела (как мембраны вокруг клеток, так и «мембраны», состоящие из клеток, выстилающих полости тела) являются полупроницаемыми мембранами.Полупроницаемые мембраны проницаемы для определенных типов растворенных веществ и воды, но обычно клеточные мембраны непроницаемы для растворенных веществ.

Тело не существует изолированно. В систему постоянно поступает вода и электролиты. Избыточная вода, электролиты и отходы транспортируются в почки и выводятся из организма, помогая поддерживать осмотический баланс. Недостаточное потребление жидкости приводит к сохранению жидкости почками. Биологические системы постоянно взаимодействуют и обмениваются водой и питательными веществами с окружающей средой, потребляя пищу и воду, а также выделяя их в виде пота, мочи и фекалий.Без механизма регулирования осмотического давления или когда болезнь повреждает этот механизм, существует тенденция к накоплению токсичных отходов и воды, что может иметь ужасные последствия.

Системы млекопитающих эволюционировали для регулирования не только общего осмотического давления на мембранах, но и конкретных концентраций важных электролитов в трех основных жидкостных компартментах: плазме крови, межклеточной жидкости и внутриклеточной жидкости. Поскольку осмотическое давление регулируется движением воды через мембраны, объем жидкостных отсеков также может временно изменяться.Поскольку плазма крови является одним из компонентов жидкости, осмотическое давление имеет прямое отношение к кровяному давлению.

Экскреторная система

Выделительная система человека выводит отходы из организма через кожу в виде пота, через легкие в виде выдыхаемого углекислого газа и через мочевыводящую систему в виде мочи. Все три системы участвуют в осморегуляции и удалении отходов. Здесь мы сосредоточимся на мочевыводящей системе, которая состоит из парных почек, мочеточника, мочевого пузыря и уретры (Рисунок 11.3). Почки — это пара бобовидных структур, расположенных чуть ниже печени в полости тела. Каждая почка содержит более миллиона крошечных единиц, называемых нефронами, которые фильтруют кровь, содержащую метаболические отходы из клеток. Вся кровь в организме человека фильтруется почками примерно 60 раз в день. Нефроны удаляют отходы, концентрируют их и образуют мочу, которая собирается в мочевом пузыре.

Внутри почка состоит из трех областей: внешней коры, мозгового вещества в середине и почечной лоханки, которая является расширенным концом мочеточника.Кора почек содержит нефроны — функциональную единицу почек. Почечная лоханка собирает мочу и ведет к мочеточнику на внешней стороне почки. Мочеточники — это трубки, несущие мочу, которые выходят из почки и попадают в мочевой пузырь.

Рисунок 11.3. Выделительная система человека состоит из почек, мочеточника, мочевого пузыря и уретры. Почки фильтруют кровь и образуют мочу, которая хранится в мочевом пузыре до тех пор, пока не будет выведена через уретру. Справа показано внутреннее строение почки.(кредит: модификация работы NCI, NIH)

Кровь поступает в каждую почку из аорты, основной артерии, снабжающей тело ниже сердца, через почечную артерию. Он распределяется по более мелким сосудам, пока не достигает каждого нефрона в капиллярах. Внутри нефрона кровь вступает в тесный контакт с канальцами для сбора отходов в структуре, называемой клубочком. Вода и многие растворенные вещества, присутствующие в крови, включая ионы натрия, кальция, магния и другие; а также отходы и ценные вещества, такие как аминокислоты, глюкоза и витамины, покидают кровь и попадают в канальцевую систему нефрона.Когда материалы проходят через канальцы, большая часть воды, необходимые ионы и полезные соединения реабсорбируются обратно в капилляры, которые окружают канальцы, оставляя отходы позади. Некоторая часть этой реабсорбции требует активного транспорта и потребляет АТФ. Некоторые отходы, включая ионы и некоторые лекарства, остающиеся в крови, диффундируют из капилляров в интерстициальную жидкость и поглощаются клетками канальцев. Затем эти отходы активно секретируются в канальцы. Затем кровь собирается в все более и более крупные сосуды и покидает почку в почечной вене.Почечная вена соединяется с нижней полой веной, основной веной, которая возвращает кровь к сердцу из нижней части тела. Количество воды и ионов, реабсорбируемых в систему кровообращения, тщательно регулируется, и это важный способ, которым организм регулирует содержание воды и уровни ионов. Отходы собираются в более крупные канальцы, а затем покидают почку в мочеточнике, который ведет в мочевой пузырь, где хранится моча, смесь отходов и воды.

Мочевой пузырь содержит сенсорные нервы, рецепторы растяжения, которые сигнализируют о необходимости опорожнения.Эти сигналы вызывают позыв к мочеиспусканию, который можно добровольно подавить до предела. Сознательное решение помочиться запускает сигналы, которые открывают сфинктеры, кольца гладкой мускулатуры, закрывающие отверстие, к уретре, которая позволяет мочи вытекать из мочевого пузыря и тела.

Техник по диализу

Диализ — это медицинский процесс удаления шлаков и избытка воды из крови путем диффузии и ультрафильтрации. При нарушении функции почек необходимо провести диализ, чтобы искусственно избавить организм от шлаков и жидкостей.Это жизненно важный процесс для сохранения жизни пациентов. В некоторых случаях пациенты проходят искусственный диализ до тех пор, пока они не будут иметь право на трансплантацию почки. Для тех, кто не является кандидатом на пересадку почки, диализ необходим на всю жизнь.

Специалисты по диализу обычно работают в больницах и клиниках. Хотя некоторые роли в этой области включают разработку и обслуживание оборудования, большинство диализных техников работают непосредственно с пациентами. Их рабочие обязанности, которые обычно выполняются под непосредственным наблюдением дипломированной медсестры, сосредоточены на обеспечении диализного лечения.Это может включать в себя анализ истории болезни и текущего состояния пациента, оценку и реагирование на потребности пациента до и во время лечения, а также мониторинг процесса диализа. Лечение может включать анализ показателей жизнедеятельности пациента и сообщение о них, подготовку растворов и оборудования для обеспечения точных и стерильных процедур.

Гомеостаз — это динамическое равновесие, которое поддерживается в тканях и органах тела. Он динамичен, потому что он постоянно приспосабливается к изменениям, с которыми сталкиваются системы.Это равновесие, потому что функции организма поддерживаются в пределах нормы, с некоторыми колебаниями вокруг заданного значения. Почки — главные органы осморегуляции в системах млекопитающих; они фильтруют кровь и поддерживают концентрацию растворенных ионов в биологических жидкостях. Внутри они состоят из трех отдельных областей: коры, продолговатого мозга и таза. Кровеносные сосуды, по которым кровь поступает в почки и выходит из них, возникают и сливаются с аортой и нижней полой веной соответственно.Нефрон — это функциональная единица почек, которая активно фильтрует кровь и вырабатывает мочу. Моча покидает почки через мочеточник и сохраняется в мочевом пузыре. Моча выводится из организма через уретру.

Глоссарий

ectotherm: организм, который в первую очередь полагается на источники тепла окружающей среды для поддержания температуры своего тела

эндотерм: организм, который в основном полагается на внутренние источники тепла для поддержания температуры своего тела

Межклеточная жидкость: жидкость, находящаяся между клетками в организме, аналогичная по строению жидкому компоненту крови, но без высоких концентраций белков

почка: орган, выполняющий выделительную и осморегуляторную функции

нефрон: функциональная единица почки

осморегуляция: механизм, с помощью которого концентрация воды и растворенных веществ поддерживается на желаемом уровне

осмотический баланс: соответствующие значения концентраций воды и растворенных веществ для здорового организма

почечная артерия: артерия, доставляющая кровь к почкам

почечная вена: вена, отводящая кровь от почки

уставка: целевое значение физиологического состояния в гомеостазе

мочеточник: мочевые трубки, выходящие из почки

уретра: трубка, по которой моча выводится из мочевого пузыря во внешнюю среду

мочевой пузырь: структура, в которой мочеточники выводят мочу до соответствующих значений концентрации воды и растворенных веществ для здорового организма

14.3 Гомеостаз — Концепции биологии — 1-е канадское издание

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Определить гомеостаз
  • Опишите факторы, влияющие на гомеостаз
  • Обсудить механизмы положительной и отрицательной обратной связи, используемые в гомеостазе
  • Описать терморегуляцию эндотермических и экзотермических животных

Органы и системы животных постоянно приспосабливаются к внутренним и внешним изменениям посредством процесса, называемого гомеостазом («устойчивое состояние»).Эти изменения могут быть связаны с уровнем глюкозы или кальция в крови или внешней температурой. 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 организма находятся в определенных пределах. Даже животное, которое явно неактивно, поддерживает это гомеостатическое равновесие.

Целью гомеостаза является поддержание равновесия около точки или значения, называемого контрольной точкой .Хотя есть нормальные отклонения от заданной точки, системы организма обычно пытаются вернуться к этой точке. Изменение внутренней или внешней среды называется стимулом и обнаруживается рецептором; реакция системы заключается в корректировке параметра отклонения в сторону уставки. Например, если тело становится слишком теплым, производятся корректировки, чтобы охладить животное. Если уровень глюкозы в крови повышается после еды, вносятся корректировки, чтобы снизить уровень глюкозы в крови за счет доставки питательного вещества в ткани, которые в нем нуждаются, или для хранения его для дальнейшего использования.

Когда в среде животного происходят изменения, необходимо произвести корректировку. 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 — это мышца (которая сокращается или расслабляется) или выделяющая железа. Гомеостаз поддерживается петлями отрицательной обратной связи. Положительные петли обратной связи фактически выталкивают организм из гомеостаза, но могут быть необходимы для возникновения жизни.Гомеостаз контролируется нервной и эндокринной системой млекопитающих.

Механизмы отрицательной обратной связи

Любой гомеостатический процесс, который изменяет направление стимула, представляет собой цикл отрицательной обратной связи . Он может либо увеличивать, либо уменьшать стимул, но стимул не может продолжаться, как это было до того, как рецептор его почувствовал. Другими словами, если уровень слишком высок, тело делает что-то, чтобы его понизить, и, наоборот, если уровень слишком низкий, тело делает что-то, чтобы заставить его подняться.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. Специализированные клетки поджелудочной железы чувствуют это, и гормон инсулин вырабатывается эндокринной системой. Инсулин вызывает снижение уровня глюкозы в крови, как и следовало ожидать в системе отрицательной обратной связи, как показано на рисунке 14.20. Однако, если животное не ест и уровень глюкозы в крови снижается, это ощущается в другой группе клеток поджелудочной железы, и высвобождается гормон глюкагон, вызывая повышение уровня глюкозы.Это все еще цикл отрицательной обратной связи, но не в том направлении, которое ожидалось при использовании термина «отрицательный». Другой пример увеличения в результате обратной связи — это контроль содержания кальция в крови. Если уровень кальция снижается, специализированные клетки паращитовидной железы ощущают это и выделяют паратироидный гормон (ПТГ), вызывая повышенное всасывание кальция через кишечник и почки и, возможно, разрушение костей с целью высвобождения кальция. Эффект ПТГ заключается в повышении уровня этого элемента в крови.Петли отрицательной обратной связи являются преобладающим механизмом, используемым в гомеостазе.

Рисунок 14.20. Уровень сахара в крови контролируется петлей отрицательной обратной связи. (кредит: модификация работы Джона Салливана)

Петля положительной обратной связи поддерживает направление стимула, возможно, ускоряя его. Несколько примеров петель положительной обратной связи существует в телах животных, но один встречается в каскаде химических реакций, которые приводят к свертыванию крови или коагуляции. Когда один фактор свертывания крови активируется, он последовательно активирует следующий фактор, пока не образуется фибриновый сгусток.Направление сохраняется, а не меняется, так что это положительный отзыв. Другой пример положительной обратной связи — сокращения матки во время родов, как показано на рис. 14.21. Гормон окситоцин, вырабатываемый эндокринной системой, стимулирует сокращение матки. Это вызывает боль, ощущаемую нервной системой. Вместо того, чтобы снижать уровень окситоцина и ослаблять боль, вырабатывается больше окситоцина, пока схватки не станут достаточно сильными, чтобы вызвать роды.

Рисунок 14.21. Рождение человеческого младенца — результат положительной обратной связи.

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

  1. Человек чувствует насыщение после обильной еды.
  2. В крови много красных кровяных телец. В результате эритропоэтин, гормон, стимулирующий выработку новых красных кровяных телец, больше не выделяется почками.

Можно отрегулировать уставку системы.Когда это происходит, контур обратной связи работает, чтобы поддерживать новую настройку. Примером этого является артериальное давление: со временем нормальное или заданное значение артериального давления может увеличиваться в результате постоянного повышения артериального давления. Организм больше не распознает высоту как ненормальную, и не предпринимается никаких попыток вернуться к нижнему заданному значению. В результате поддерживается повышенное кровяное давление, которое может оказывать вредное воздействие на организм. Лекарства могут снизить кровяное давление и снизить уставку в системе до более здорового уровня.Это называется процессом изменения уставки в контуре обратной связи.

Изменения могут быть внесены в группу систем органов тела для поддержания заданного значения в другой системе. Это называется акклиматизацией . Это происходит, например, когда животное перемещается 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.Другой пример акклиматизации — животные, у которых есть сезонные изменения в своей шерсти: более плотная шерсть зимой обеспечивает адекватное удержание тепла, а легкая летом помогает удерживать температуру тела от повышения до вредного уровня.

Концепция в действии


Механизмы обратной связи можно понять с точки зрения вождения гоночного автомобиля по трассе: посмотрите небольшой видео-урок о контурах положительной и отрицательной обратной связи.

Гомеостаз: терморегуляция

Температура тела влияет на деятельность тела.Как правило, с повышением температуры тела повышается и активность ферментов. При повышении температуры на каждые десять градусов по Цельсию активность фермента удваивается, вплоть до определенной точки. Белки организма, включая ферменты, начинают денатурировать и терять свою функцию при высокой температуре (около 50 o C для млекопитающих). Активность ферментов снижается наполовину на каждые десять градусов по Цельсию, вплоть до точки замерзания, за некоторыми исключениями. Некоторые виды рыб выдерживают замерзание и возвращаются в нормальное состояние после оттаивания.

Концепция в действии


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

Эндотерм и эктотерм

Животных можно разделить на две группы: одни поддерживают постоянную температуру тела при различных температурах окружающей среды, в то время как другие имеют температуру тела, которая совпадает с окружающей их средой и, следовательно, меняется в зависимости от окружающей среды.Животные, которые не контролируют температуру своего тела, являются эктотермами. Эту группу называют хладнокровными, но этот термин может не относиться к животным в пустыне с очень высокой температурой тела. В отличие от эктотерм, которые полагаются на внешнюю температуру, чтобы установить температуру тела, пойкилотермы — это животные с постоянно меняющейся внутренней температурой. Животное, которое поддерживает постоянную температуру тела при изменении окружающей среды, называется гомеотермой. Эндотермные животные — это животные, которые зависят от внутренних источников температуры тела, но могут иметь очень высокие температуры.Эти животные способны поддерживать уровень активности при более низких температурах, чего не может эктотермия из-за различных уровней активности ферментов.

Тепло может передаваться между животным и окружающей его средой посредством четырех механизмов: излучения, испарения, конвекции и теплопроводности (рис. 14.22). Радиация — это излучение электромагнитных «тепловых» волн. Таким образом, тепло исходит от солнца и излучается от сухой кожи таким же образом. При испарении тепло можно отводить жидкостью с поверхности.Это происходит, когда млекопитающее потеет. Конвекционные потоки воздуха отводят тепло от поверхности сухой кожи, когда воздух проходит над ней. Тепло будет передаваться от одной поверхности к другой во время прямого контакта с поверхностями, например, когда животное отдыхает на теплом камне.

Рисунок 14.22. Обмен теплом может осуществляться с помощью четырех механизмов: (а) излучение, (б) испарение, (в) конвекция или (г) теплопроводность. (кредит b: модификация работы «Kullez» / Flickr; кредит c: модификация работы Чада Розенталя; кредит d: модификация работы «stacey.d ”/ Flickr)

Сохранение и отвод тепла

Животные сохраняют или рассеивают тепло различными способами. В определенных климатических условиях у эндотермических животных есть какая-то изоляция, 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 низких температур, но при этом поддерживают постоянную теплую температуру тела. Например, песец использует свой пушистый хвост как дополнительную изоляцию, когда сворачивается клубочком, чтобы спать в холодную погоду.У млекопитающих наблюдается остаточный эффект от дрожи и повышенной мышечной активности: мышцы arrector pili вызывают «мурашки по коже», заставляя мелкие волоски встать дыбом, когда человеку холодно; это имеет предполагаемый эффект повышения температуры тела. Млекопитающие используют слои жира для достижения той же цели. Потеря значительного количества жира снижает способность человека сохранять тепло.

Endotherms используют свои кровеносные системы для поддержания температуры тела. Вазодилатация приносит больше крови и тепла к поверхности тела, способствуя потере тепла на излучение и испарение, что помогает охладить тело.Сужение сосудов снижает кровоток в периферических кровеносных сосудах, направляя кровь к сердцевине и находящимся там жизненно важным органам и сохраняя тепло. У некоторых животных есть приспособления к своей кровеносной системе, которые позволяют им переносить тепло от артерий к венам, нагревая кровь, возвращающуюся к сердцу. Это называется противоточным теплообменом; он не дает холодной венозной крови охлаждать сердце и другие внутренние органы. У некоторых животных эту адаптацию можно отключить, чтобы предотвратить перегрев внутренних органов.Противоточная адаптация наблюдается у многих животных, включая дельфинов, акул, костистых рыб, пчел и колибри. Напротив, подобные приспособления могут помочь при необходимости охладить эндотермы, такие как дельфиньи сосальщики и уши слона.

Некоторые экзотермические животные используют изменения в своем поведении, чтобы регулировать температуру тела. Например, экзотермическое животное в пустыне может просто искать более прохладные места в самое жаркое время дня в пустыне, чтобы не перегреться. Те же животные могут забираться на скалы, чтобы улавливать тепло холодной пустынной ночью.Некоторым животным нужна вода, чтобы испаряться и охладить их, как это было с рептилиями. Другие эктотермы используют групповую активность, такую ​​как активность пчел, чтобы согреть улей, чтобы пережить зиму.

Многие животные, особенно млекопитающие, используют отходящее тепло метаболизма в качестве источника тепла. Когда мышцы сокращаются, большая часть энергии АТФ, используемой в мышечной деятельности, является потраченной впустую энергией, которая превращается в тепло. Сильный холод вызывает рефлекс дрожи, который выделяет тепло для тела. У многих видов также есть тип жировой ткани, называемый коричневым жиром, который специализируется на выработке тепла.

Нейронный контроль терморегуляции

Нервная система важна для терморегуляции , как показано на рисунке 14.23. Процессы гомеостаза и контроля температуры сосредоточены в гипоталамусе развитого мозга животного.

Рисунок 14.23. Организм способен регулировать температуру в ответ на сигналы нервной системы.

Когда бактерии уничтожаются лейкоцитами, пирогены попадают в кровь.Пирогены сбрасывают термостат тела на более высокую температуру, что приводит к лихорадке. Как пирогены могут вызывать повышение температуры тела?

Гипоталамус поддерживает заданную температуру тела за счет рефлексов, которые вызывают
вазодилатацию и потоотделение, когда тело слишком тепло, или сужение сосудов и дрожь, когда тело слишком холодно. Он реагирует на химические вещества из организма.

About the Author

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

Related Posts