Примеры гомеостаз: Признаки и свойства живого — урок. Биология, 9 класс.

Организм как биологическая система. Гомеостаз. Регуляция функций организма

Организм как биологическая система. Гомеостаз. Регуляция функций организма

План урока

• Основные свойства живых систем
• Гомеостаз
• Ткани
• Системы органов

Цели урока

• определять у любой живой системы все признаки свойств живого
• приводить примеры механизмов регуляции гомеостаза
• классифицировать типы растительных и животных тканей, проводить сравнительный анализ их характерных свойств
• формулировать определения систем органов

Разминка

Вольвокс — водоросль, насчитывающая от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч клеток. Расположены клетки в один слой, образующий шарик диаметром до 2 мм, заполненный внутри слизью. Каждая клетка снабжена жгутиками и соединена с другими клетками нитями цитоплазмы. Однако вольвокса не относят к многоклеточным организмам. Почему?

Колониальная водоросль вольвокс.  

I — внешний вид колоний;
II — строение колонии:

1 — отдельные клетки,
2 — нити цитоплазмы,
3 — группы репродуктивных клеток, отвечающих за бесполое размножение.

 

---

Организм (от лат. organizo — устраиваю, придаю стройный вид) представляет собой биосистему, состоящую из взаимосвязанных частей, работающих как единое целое. 

---

Организм выступает основным носителем жизни, реально существующей в природе единицей. Ему присущи такие свойства, как питание, дыхание, транспорт веществ, выделение, раздражимость, регуляция, рост, размножение, изменчивость и приспособление к условиям среды.

 

Основные свойства живых систем

 

Живая система характеризуется сложным строением и имеет несколько уровней организации. Её свойства проявляются на каждом уровне, что обеспечивает взаимосвязь нижележащих и вышележащих уровней.

 

Свойства	Характеристика
1. Клеточная организация	Живая система состоит из отдельных, тесно связанных составляющих (атомов, молекул, органоидов, клеток, тканей).
2. Обмен веществ (питание, дыхание, выделение)	Живые системы постоянно восстанавливают и обновляют свои структуры — молекулы, органоиды, мембраны клеток, ткани. Для этого необходим постоянный обмен веществ и энергии с окружающей средой. Из окружающей среды система получает необходимые вещества, а выделяет в неё продукты обмена и тепловую энергию.
3. Саморегуляция	Способность живых организмов поддерживать относительное постоянство внутренней среды (гомеостаз). Это проявляется в поддержании количества неорганических и органических веществ, количества клеток в составе органа, а также температуры и давления.
4. Самовоспроизведение	В основе лежит удвоение молекул ДНК. В процессе самовоспроизведения передаётся наследственная информация.
5. Наследственность	Способность организмов передавать свои свойства и особенности следующему поколению. Благодаря наследственности организмы одного вида имеют одинаковые признаки.
6. Изменчивость	Способность организмов приобретать новые признаки. Благодаря изменчивости организмы одного вида отличаются друг от друга.
7. Раздражимость	Свойство организмов отвечать на сигналы из внешней среды и вырабатывать ответную реакцию на них. Формы раздражимости: — рефлекс — есть НС, — таксис — нет НС,  — тропизм — рост растений в направлении, — настии — движение частей растений.
8. Движение	Способность живых организмов перемещаться.
9. Развитие:	а) онтогенез (индивидуальное развитие организма) — любой организм имеет наследственную программу, которую несёт молекула ДНК. Эта программа реализуется в ходе онтогенеза под действием условий внешней среды; б) филогенез (историческое развитие) — историческое развитие мира живых организмов как в целом, так и отдельных таксономических групп.
10. Ритмичность	Все процессы в природе повторяются через равные промежутки времени (часы, сутки, месяцы, годы, сезоны).

 

Гомеостаз

 

Совместная работа частей многоклеточного организма возможна при относительном постоянстве его состава и свойств.

---

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

---

Мысль о существовании механизмов, обеспечивающих гомеостаз, впервые в XIX в. высказал французский учёный Клод Бернар. Изучая кровь, лимфу и тканевую жидкость, он пришёл к выводу: постоянство состава и свойств внутренней среды организма является необходимым условием нормальной жизнедеятельности его частей.

 

Под воздействием различных условий среды состав организма меняется, тогда включаются механизмы, направленные на восстановление гомеостаза. Например, усиленная мышечная работа вызывает повышение в крови содержания углекислого газа и снижение кислорода. Для восстановления исходной концентрации этих газов в организме увеличивается частота дыхательных движений и сокращений сердца, которая сопровождается также изменениями в работе опорно-двигательной, нервной, эндокринной и других систем. Такое временное объединения органов и систем, направленное на достижение необходимого организму результата, называют

функциональной системой.

 

Ткани

 

Органы состоят, как правило, из разных типов тканей.

---

Ткани — это совокупность клеток и межклеточного вещества, объединённых общим происхождением, сходным строением и выполняющая определённую функцию.

---

Ткани растений

Организм большинства высших растений состоит из пяти типов тканей: образовательных, покровных, проводящих, основных и механических. Среди типов тканей имеются отдельные их виды, отличающиеся друг от друга местоположением в организме, строением образующих их клеток и выполняемыми функциями.

 

Тип ткани	Особенности строения	Местоположение/функции
Образовательные ткани	мелкие живые клетки, способны к постоянному и быстрому делению митозом	точки роста растений: конус нарастания побега, кончик корня, основание междоузлий стеблей, внутри корней и стеблей, обеспечивая рост органов в толщину и заживление ран
Покровные ткани	состоят из плотно сомкнутых клеток	снаружи органов растений и выполняет функцию защиты
Проводящие ткани	вытянутые в длину клетки, которые соединяются друг с другом	обеспечивают проведение в растении воды с растворёнными веществами
Основные ткани	образована живыми клетками; содержит хлоропласты	запасающая — в клубнях, корневищах, луковицах, плодах; ассимиляционная — в мякоти листьев и зелёных частях растения
Механические ткани	как живыми, так и мёртвыми клетками (волокнами), которые выполняют и составляют каркас растения	опорная функция

 

Ткани животных и человека

Все типы тканей животных и человека развиваются из зародышевых клеток, тогда же происходит и их специализация по функциям. В организме животных и человека различают четыре типа тканей: эпителиальные, соединительные, мышечные и нервную. Все типы тканей, кроме нервной, подразделяют на виды.

 

Тип ткани	Особенности строения	Местоположение/функции
Эпителиальные ткани	представлены плотно прилегающими друг к другу клетками	покрывают поверхность тела, а также выстилают внутренние полости и выполняют защитную функцию; железистый эпителий обеспечивает секреторную функцию
Соединительные ткани	образованы клетками и большим количеством межклеточного вещества, которое может быть плотным (кости, хрящи), рыхлым (подкожная клетчатка), волокнистым (сухожилия) и жидким (кровь, лимфа)	выполняют опорную, защитную, питательную и транспортную функции
Мышечные ткани	поперечнополосатая скелетная, гладкая и поперечнополосатая сердечная: состоят из вытянутых в длину клеток; обладают сократимостью	входят в состав стенок полых внутренних органов, например пищевода, желудка, кишечника, мочевого пузыря; обеспечивают выполнение мышечными органами и организмом в целом двигательной функции
Нервная ткань	состоит из нервных клеток (нейронов) и нейроглии; обладают возбудимостью и проводимостью	по ним нервные импульсы передаются к телу нейрона

 

Системы органов

 

Любой организм должен решать множество задач, поэтому в многоклеточном организме формируются клетки различных типов, которые объединяются в ткани, органы и системы.

---

Орган (от греч. organon — орудие, инструмент) — часть организма, имеющая определённую форму, строение и выполняющая одну или несколько функций. 

---

У большинства многоклеточных организмов различают вегетативные и генеративные органы.

 

Вегетативные органы растений обеспечивают питание, дыхание и рост организма.  К ним относят корень и побег, который состоит из стебля, листьев и почек.

 

У животных и человека тоже можно выделить вегетативные органы которые аналогично обеспечивают пищеварение, дыхание, а также кровообращение и выделение. У животных выделяют соматические органы: мускулатуру скелет и кожу. Деятельность вегетативных и соматических органов регулируются нервной и эндокринной системами, получающими информацию от органов чувств. Поэтому органы этих систем — головной и спинной мозг, нервы, эндокринные железы — относят к регуляторным системам.

 

Генеративные органы (от лат. genero — рождаю, произвожу) выполняют функцию полового размножения. У цветковых растений —  это цветок, плод, семя. У животных это органы половой системы: половые железы, или гонады (семенники, яичники), половые протоки (семяпроводы и яйцеводы) и копулятивные органы, имеющиеся у животных с внутренним оплодотворением.

 

Все органы, связанные между собой, обеспечивают целостность организма как самостоятельной биосистемы.

 

У животных различают целый ряд систем органов, выполняющих различные функции.

 

Покровная система	кожа, слизистые оболочки	Главная функция этой системы — защитная. Кроме того, через клетки покровной системы происходит обмен веществ между организмом и внешней средой (кислород, питательные вещества и др.).
Опорно-двигательная система	кости и мышцы	Эта система отвечает за передвижение частей тела, перемещение всего тела в пространстве, поддержание позы.
Пищеварительная система	органы ротовой полости, глотка, пищевод, желудок, кишечник, пищеварительные железы	Эта система обеспечивает усвоение питательных веществ, поступающих в организм.
Кровеносная система	сердце, сосуды	Эта система разносит кровь по всем органам и тканям, где она выполняет сразу несколько важнейших функций.
Дыхательная система	дыхательные пути, лёгкие	Обеспечивает все органы и ткани кислородом, одновременно освобождая организм от углекислого газа.
Выделительная система	почки, мочевыводящие пути	Удаляет из организма растворённые продукты обмена. Часть таких продуктов выводится с потом через кожу.
Половая, или репродуктивная, система	мужские и женские половые железы, половые органы	Она обеспечивает размножение, т. е. воспроизводство себе подобных.
Эндокринная система	железы внутренней и смешанной секреции	Обеспечивает регуляцию всех функций организма при помощи химических веществ — гормонов, переносимых кровью.
Нервная система	центральная и периферическая нервная система	Воспринимает информацию о внешней среде и состоянии организма, координируя их деятельность.

 

Все системы органов многоклеточного организма работают согласованно, и управляют их работой нервная, эндокринная и иммунная системы. Нервная система получает через многочисленные анализаторы сведения о состоянии внешней и внутренней среды организма и практически мгновенно реагирует на изменения. Одновременно она запускает более медленную эндокринную регуляторную систему, на включение которой надо затратить некоторое время. Зато гормоны, выделяемые эндокринными железами, или железами внутренней секреции, действуют долго.

 

Иммунная система самая инертная, но зато во многих случаях антитела, вырабатывающиеся в ответ на проникновение в организм инфекции, сохраняются и оберегают организм от повторного заражения всю оставшуюся жизнь, например в случае ветряной оспы, кори, дифтерии.

---

Контрольные вопросы

1. Объясните, почему организм считают основным носителем жизни.
2. Из каких структурных частей состоят тела одноклеточных и многоклеточных организмов?
3. Чем организм отличается от образующих его частей?
4. В чём сходство и отличия системы органов, аппарата и функциональной системы?
5. Как обеспечивается целостность организма? Приведите примеры.
6. Что такое ткань? Чем клетки ткани отличаются от клетки одноклеточного организма?
7. Какие типы и виды тканей различают у растений и животных? Каковы их функции?
8. Что такое орган? Приведите примеры вегетативных органов растений и животных.
9. Какие функции они выполняют?
10. Какие органы у животных и человека относят к соматическим и регуляторным?
11. Приведите примеры генеративных органов растений и животных. Какие функции они выполняют?

---

Подумайте

 

Докажите, что состоящая всего лишь из одной клетки амёба обыкновенная и такое многоклеточное животное, как травяная лягушка, являются самостоятельными организмами.

---

Паранеопластические синдромы. Механизмы, клиника, терапия.

Герпесовидный дерматит Дюринга – симметричный пузырный дерматоз, очень похож на проявления герпесной инфекции. Это поражение кожи, когда на одном участке разные стадии поражения. Подвержено инфицированию и не поддается лечению.

Акрокератоз Базекса – облигатный синдром. Если поставлен диагноз Акрокератоз, то обязательно надо проводить онкологический поиск.
Ладонно-подошвенный гиперкератоз, когда гиперкератоз формируется только на подошвах и на ладонях. Сначала кожа утолщается, потом она сходит по типу носков и перчаток и остается тонкий слой кожи, который быстро поражается, появляются ссадины, царапины
Панникулит Вебера (асептическое воспаление ПЖК) – развитие склеротической ткани с рубцами. При пальпации живота под пальцами пальпируются утолщенные участки клетчатки.
Пушковый гипертрихоз, когда пациент очень быстро покрывается волосами.
Вульгарная пузырчатка. Характеризуется появлением на внешне неизменной коже или слизистых оболочках напряженных пузырей величиной с горошину, лесной орех и более, с прозрачным, постепенно мутнеющим содержимым. Пузыри вскрываются, образуя ярко-красные эрозии, или подсыхают, превращаясь в корку. На месте регрессировавших элементов остается стойкая пигментация.
На поверхности эрозий образуются вегетации, покрытые серовато-белым налетом или корками. По периферии очагов поражения отмечается наличие отслаивающегося в виде воротничка эпителия и единичных свежих пузырей.
В большинстве случаев диагностика пузырчатки затруднений не представляет. Положительный симптом Никольского и нахождение акантолитических клеток при цитологическом исследовании подтверждают предполагаемый диагноз.
Пузырчатку следует дифференцировать с дерматитами, герпетиформным дерматитом Дюринга

Суставные проявления
Наиболее частыми являются ревматоидный артриты – до 13%, возникающий на фоне рака ЖКТ, легких, гемобластозы.
Гиперторофическая остеоартропатия ранний симптом, аутоимунного генеза. У пациента появляются резкие боли в костях, обусловленные увеличением надкостницей. Ногти изменяются по типу «часовых стекол», пальцы по типу «барабанных палочек». Связь с раком плевры и легких – 50%, гемобластозы.

Поражение кроветворной системы
Анемия может быть как первичной, так и вторичной. Если опухоль выросла и начинает подкравливать, у пациента кровотечение, то речь идет о том, что это вторичная анемия. Если поражается кроветворная система вследствие измененного метаболизма, то тогда нарушается эритропоэз и развивается анемия развивается как паранеопластическое состояние.
Поражение кроветворной системы, простаты, яичников, желудка. Основа – нарушение эритропоэза.
Лейкемоидные реакции – это состояния, когда растет количество лейкоцитов.  Лейкоцитоз может быть до 20-30.  На 6-8 месяцев может опережать основное заболевание. Патогенез аутоиммунный. Гепатоспленомегалия. Чаще описано при поражении желудка и бронхов.
Тромбоцитопеническая пурпура – снижается количество тромбоцитов, у пациента появляются геморрагические высыпания, лихорадка, нарушения ЦНС, анемия, слабость, утомляемость, похудение, кровотечения. Связь с лимфомами, лимфогранулематоз.

Сосудистые расстройства
Тромбозы 50% случаев возникают у пожилых – это онкопатология, связанная с раком внутренних органов. Когда возникают мигрирующие тромбофлебиты, всегда должен быть онкопоиск.  Нет эффекта от антикоагулянтов и должны настораживать мигрирующие тромбофлебиты.
Гипокоагуляция приводит к тому, что появляются различные кровоизлияния разного размера, темно-красные, не исчезающие при надавливании. Может появляться кровохарканье, кровавая рвота, стул. Может появляться при раке поджелудочной, легких и желудка.

Энцефалопатия
Поражение белого вещества (лейкоэнцефалопатия). У пациента развиваются гемипарезы, афазии, дефекты полей зрения. Чаще всего описаны при гемобластозах. Прогноз неблагоприятный. В случае успешного лечения опухоли, поражение белого вещества может прогрессировать или оставаться на прежнем уровне. 
Поражение серого вещества (полиоэнцефалопатия). У пациента возникают психические симптомы (интеллект, память, деменция). Чаще сопровождают рак легких, яичников.

Поражение нервной системы
Прогрессирующие миелопатии и нейромиопатии. Описано, что эти состояния у пациентов до 50 лет возникают реже – 18-20%, старше 50 лет – 33%.
Развитие прогрессирующих состояний имеют неблагоприятный прогноз.

Эндокринные нарушения
У пациента формируется гипогликемия. Медленное развитие или в виде приступов. Если у пациента был сахарный диабет, то может произойти псевдонормализация сахара. Надо помнить, куда уходит глюкоза. Уходит на опухолевый рост.
Синдром Иценко-Кушинга развивается в небольшом проценте (4%) и он развивается в неполной своей клинической картине. Начало острое, совместно с остеопорозом и кожными проявлениями.
Гипер- и гипотиреоз происходит в 18-24% случаев
Гинекомастия двусторонняя
Необходим проводить дифференциальную диагностику с гипертиреозом, циррозом, лекарственными поражениями.

Другие органы
Поражение почек (62%) в виде нефротического синдрома из-за формирования сопутствующего гломерулонефрита или амилоидоза. Протеинурия 3-5г/сут.  Некомпенсированные потери белка. Описаны при раке бронхов у мужчин старше 50 лет, ЖКТ, ЛГМ, гортани, молочной железы.
Амилоидоз может быть самостоятельным заболеванием, относится к болезням накопления, имеет аутоиммунный патогенез. Также он может быть вторичный, в рамках паранеопластического синдрома. Наблюдается макроглоссия, увеличение подчелюстные лимфоузлов, нарушение речи, псевдосклеродермия. Первичный амилоидоз требует дифференциальной диагностики с лимфогранулематозом, миеломной болезнью и в рамках паранеопластического синдрома он чаще всего сочетается с раком матки.

Патологический гомеостаз
Гиперкортицизм (АКТГ) – синдром Иценко-Кушинга. Опухоль сама может продуцировать гормоноподобные вещества. На начальном этапе опухоль растет, для чего она берет различные питательные вещества из организма, а далее она может начать вести себя активно и продуцировать различные вещества, они не называются гормонами, т.к. опухоль – это не эндокринный орган, они называются гормоноподобными веществами. И именно они дают клинику.

В 60% случаев это связано с бронхокарциномой, также описано в 10% случаев при раке поджелудочной железы.
Может быть гиперурикемия в рамках патологического гомеостаза. Повышается уровень мочевой кислоты. Носит вторичный характер.
Гиперкальциемия (паратгормоноподобное вещество) – чаще при раке легких, почек, простаты и яичника. Могут формироваться кислотозависимые заболевания, запоры, анорексия, диспепсия, острые пептические язвы, панкреатит. Носят упорный характер, плохо поддаются лечению, рецидивируют. Гиперкальциемия приводит к формированию полиурии, нефролитиаза, хронической почечной недостаточности. Пациент страдает от утомляемости, слабости, снижении рефлексов, депрессии, психопатии, нарушения проводимости сердца.
Синдром Швартца-Барттера – опухоль продуцирует антидиуретическое гормоноподобное вещество и пациента возникает водная интоксикация, астения, тошнота, рвота, выраженные психические расстройства. Описана связь с опухолью легких, молочной железы, желудка, головного мозга.
Эритремия — при данном состоянии повышен гемоглобин. Такое состояние чаще всего связано с cраком почек, печени. Эритремия может приводить к неврологическим и кожным проявлениям, возникают головные боли, парестезии, психозы, расстройство сна, зуд.
Синдром Золлингера-Эллисона – связан с повышенной продукцией гастрина. Формируются множественные рецидивирующие язвы желудка и 12 перстной кишки, которые связаны не с обычным патогенетическим развитием язвенной болезни, а связаны они с опухолью островковой части поджелудочной железы.
Атипичный карциноидный синдром – при поражении кишечника, когда первично онкологическое поражение кишечника и который дает метастазы в бронхи – бронхоспазм, кашель, Опухоль продуцирует серотонин, возникают серотониновые кризы (профузные поносы, боли в животе, бронхоспазм). Чаще всего описано при раке легких, желудка, поджелудочной железы.

Биологические системы: гомеостаз | Техасский шлюз

Введение в гомеостаз и механизмы обратной связи Примеры гомеостаза и механизмов обратной связи Обзор гомеостаза и механизмов обратной связи

Подумайте, как вы обогреваете и охлаждаете свой дом. У вас есть системы отопления и кондиционирования. Когда на улице жарко, кондиционер охлаждает ваш дом. И наоборот, когда на улице холодно, печь обогревает ваш дом.

Целью этих систем является поддержание внутри вашего дома постоянной комфортной температуры, несмотря на изменения температуры снаружи.

Это состояние постоянных условий можно назвать равновесным ,  или устойчивым состоянием . В данном примере состоянием равновесия является постоянная температура внутри дома.

Точно так же в вашем организме есть системы, поддерживающие стабильное состояние внутренней среды для многих различных параметров, таких как температура тела или уровень глюкозы в крови. Способность организма поддерживать постоянство внутренней среды в ответ на изменения внешней среды называется гомеостаз .

Подобно системам отопления и кондиционирования воздуха в доме, ваше тело имеет системы, реагирующие на изменения в окружающей среде для поддержания гомеостаза. Эти механизмы называются механизмами обратной связи .

Процитировать источник

Изображения из Microsoft Word 2010.

Сосредоточьтесь на механизмах обратной связи

1. Отрицательный отзыв

А теперь подумайте, что происходит, когда жаркая погода согревает дом . Температура внутри выходит из равновесия. Он поднимается выше уставки термостата. Это повышение температуры вызывает срабатывание термостата, который включает кондиционер. Кондиционер охлаждает дом до достижения заданной температуры, а затем отключается. Теперь в доме вернулась прежняя температура.

Это пример отрицательной обратной связи . При отрицательной обратной связи механизм действует в направлении, противоположном первоначальному изменению, так что установившееся состояние восстанавливается. Большинство гомеостатических механизмов представляют собой отрицательную обратную связь.

2. Положительная обратная связь

Теперь предположим, что техник HVAC пересек провода в системе. Провода были перекрещены, чтобы при повышении температуры в доме вместо кондиционера срабатывала печь. Печь обогревала дом, что еще больше повышало температуру. Повышенная температура продолжала поддерживать работу печи, которая еще больше нагревала дом. Из этого сценария видно, что в доме становится все жарче, а не возвращается к заданному значению термостата.

Это пример положительного отзыва . При положительной обратной связи механизм действует в том же направлении, что и первоначальное изменение. Стационарное состояние никогда не восстанавливается, и благоприятны экстремальные условия. Лишь в нескольких случаях гомеостатические механизмы представляют собой петли положительной обратной связи. Одним из примеров являются роды и родоразрешение во время родов. Во время родов выделяется гормон окситоцин, который усиливает и ускоряет схватки. Усиление схваток приводит к высвобождению большего количества окситоцина, и цикл продолжается до тех пор, пока ребенок не родится. Рождение прекращает выброс окситоцина и завершает механизм положительной обратной связи.

Процитировать источник

Изображения из Microsoft Word 2010.

Части механизма обратной связи

Давайте продолжим думать о системах отопления и охлаждения дома. Датчик, такой как термопара, определяет температуру внутри дома и отправляет информацию на термостат. Термостат сравнивает температуру с заданной. Если температура выше заданной, термостат включает кондиционер. Если температура ниже заданной, термостат включает печь. Если температура соответствует заданной, ничего не делается.

Механизмы обратной связи состоят из датчиков, интеграторов и эффекторов:

• Датчик: Контролирует окружающую среду (внешнюю или внутреннюю) и отправляет информацию интегратору.
• Интегратор: Обрабатывает информацию от датчиков и отправляет сигналы или команды эффекторам.
• Эффектор:  Принимает меры для восстановления стабильного состояния среды.

Примечание: Датчики называются рецепторы  в биологических системах.

Процитировать источник

Изображения из Microsoft Word 2010.

Регулирование температуры тела

Учтите, что вы тренируетесь под палящим солнцем. Когда температура вашего тела повышается, у вас есть гомеостатический механизм для ее снижения:

1. Рецепторы кожи обнаруживают повышение температуры. Они посылают информацию нервными импульсами к температурным центрам в гипоталамусе.
2. Гипоталамус интегрирует информацию и посылает нервные импульсы в капилляры кожи и в потовые железы.
3. Кровеносные сосуды в коже становятся шире, что увеличивает приток крови к коже. Увеличенный кровоток передает тепло, которое теряется в воздухе через кожу. Потовые железы выделяют пот, который испаряется и охлаждает кожу.
4. Температура тела снижается почти до нормы. Это продолжается до тех пор, пока вы не покинете солнечную зону и не прекратите тренироваться. Затем температура тела возвращается к норме, и вы перестаете потеть.

Обратите внимание, что это механизм отрицательной обратной связи.

И наоборот, если вы выходите на улицу в холодный день, температура вашего тела снижается.

1. Рецепторы кожи обнаруживают понижение температуры. Они посылают информацию нервными импульсами к температурным центрам в гипоталамусе.
2. Гипоталамус интегрирует информацию и посылает нервные импульсы в капилляры кожи и скелетные мышцы.
3. Кровеносные сосуды в коже сужаются, что снижает приток крови к коже. Уменьшение кровотока уменьшает потери тепла в воздух через кожу. Мышцы быстро сокращаются (дрожь), в результате чего выделяется тепло.
4. Эти действия повышают температуру тела.

Газообмен в листьях

Гомеостатические механизмы не ограничиваются животными. Они есть и у растений.

Вот один пример. В листьях есть отверстия, называемые устьицами (множественное число: устьица). Вокруг стомы расположены замыкающие клетки. Газы, такие как углекислый газ, кислород и водяной пар, входят и выходят из листа через эти отверстия. Вот как работает механизм:

Днем достаточно солнечного света для фотосинтеза. Фотосинтез в замыкающих клетках вызывает накопление в них ионов калия и воды (путем осмоса). Замыкающие клетки набухают и открывают стому. В результате газы могут проникать в лист и выходить из него. И наоборот, ночью фотосинтез прекращается. Замыкающие клетки удаляют калий и воду (путем осмоса). Замыкающие клетки сокращаются и закрывают стому. Впоследствии никакие газы не могут попасть внутрь листа или выйти из него.

Процитировать источник

Изображения из Microsoft Word 2010.

Свойства гомеостатических механизмов

При идентификации или оценке гомеостатического механизма ищите следующие свойства:

• Механизм должен срабатывать вызвано некоторыми изменениями в окружающей среде — либо внутреннюю среду, либо внешнюю среду.
• Система должна иметь рецептор или датчик, интегратор и эффектор. Иногда эти части могут быть молекулами или химическими процессами.
• Механизм является отрицательной обратной связью, если он исправляет начальное изменение. Другими словами, реакция идет в направлении, противоположном первоначальному изменению в окружающей среде.
• Механизм является положительной обратной связью, если он делает первоначальное изменение более интенсивным. Другими словами, реакция идет в том же направлении, что и первоначальное изменение в окружающей среде.

Давайте потренируемся. Ниже приведены некоторые механизмы обратной связи. Определите рецепторы, интеграторы и эффекторы. Определите, является ли это механизмом отрицательной или положительной обратной связи.

• Печать
• Поделиться

Гомеостаз и петли обратной связи | Анатомия и физиология I

Гомеостаз относится к динамическим физиологическим процессам, которые помогают нам поддерживать внутреннюю среду, подходящую для нормального функционирования. Гомеостаз — это , а не , то же самое, что и химическое или физическое равновесие. Такое равновесие возникает, когда не происходит чистых изменений: добавьте молоко в кофе, и, в конце концов, когда равновесие будет достигнуто, в кофейной кружке не будет чистой диффузии молока. Однако гомеостаз — это процесс, посредством которого внутренние переменные, такие как температура тела, артериальное давление и т. д., поддерживаются в диапазоне значений, соответствующих системе. Когда стимул изменяет одну из этих внутренних переменных, он создает обнаруженный сигнал, на который тело будет реагировать как часть своей способности поддерживать гомеостаз.

Гомеостаз

Гомеостаз – это тенденция биологических систем поддерживать относительно постоянные условия во внутренней среде, постоянно взаимодействуя и приспосабливаясь к изменениям, происходящим внутри или вне системы.

Учтите, что при понижении наружной температуры тело не просто «уравновешивается» (становится таким же) с окружающей средой. Несколько систем работают вместе, чтобы помочь поддерживать температуру тела: мы дрожим, у нас появляются «мурашки по коже», а приток крови к коже, который вызывает потерю тепла в окружающую среду, уменьшается.

Многие медицинские состояния и болезни возникают в результате изменения гомеостаза. В этом разделе будет рассмотрена терминология и объяснены физиологические механизмы, связанные с гомеостазом. Мы будем обсуждать гомеостаз в каждой последующей системе. Многие аспекты тела находятся в постоянном изменении — объем и место кровотока, скорость обмена веществ между клетками и окружающей средой, скорость роста и деления клеток — все это примеры. Но эти изменения на самом деле способствуют сохранению многих переменных организма и, следовательно, общего внутреннего состояния организма в относительно узких пределах. Например, приток крови к ткани увеличится, когда эта ткань станет более активной. Это гарантирует, что в ткани будет достаточно кислорода для поддержания более высокого уровня метаболизма.

Поддержание внутренних условий в организме называется гомеостазом (от гомео-, что означает подобный, и стазис, что означает стоять на месте). Может показаться, что корень «стазис» термина «гомеостаз» означает, что ничего не происходит. Но если подумать об анатомии и физиологии, даже поддержание тела в состоянии покоя требует большой внутренней активности. Ваш мозг постоянно получает информацию о внутренней и внешней среде и включает эту информацию в реакции, о которых вы, возможно, даже не подозреваете, такие как небольшие изменения частоты сердечных сокращений, характера дыхания, активности определенных групп мышц, движения глаз и т. д. Любое из этих действий, помогающих поддерживать внутреннюю среду, способствует гомеостазу.

Поддержание гомеостаза можно рассматривать на различных уровнях. Например, подумайте о том, что происходит, когда вы тренируетесь, что может представлять собой проблему для различных систем организма. Однако вместо того, чтобы эти проблемы наносили вред вашему телу, наши системы адаптируются к ситуации. На уровне всего тела вы замечаете некоторые специфические изменения: ваше дыхание и частота сердечных сокращений учащаются, ваша кожа может покраснеть, и вы можете потеть. Если вы продолжите заниматься спортом, вы можете почувствовать жажду. Все эти эффекты являются результатом того, что ваше тело пытается поддерживать условия, подходящие для нормального функционирования:

• Ваши мышечные клетки используют кислород для преобразования энергии, запасенной в глюкозе, в энергию, запасенную в АТФ (аденозинтрифосфат), которую они затем используют для сокращения мышц. Когда вы тренируетесь, ваши мышцы нуждаются в большем количестве кислорода. Поэтому, чтобы поддерживать адекватный уровень кислорода во всех тканях вашего тела, вы дышите более глубоко и с большей частотой, когда тренируетесь. Это позволяет вам получать больше кислорода. Ваше сердце также работает быстрее и сильнее, что позволяет ему доставлять больше крови, богатой кислородом, к вашим мышцам и другим органам, которым потребуется больше кислорода и АТФ.
• Поскольку ваши мышцы осуществляют клеточное дыхание для высвобождения энергии из глюкозы, они производят углекислый газ и воду в качестве отходов. Эти отходы должны быть устранены, чтобы помочь вашему телу поддерживать баланс жидкости и рН. Ваше учащенное дыхание и частота сердечных сокращений также помогают устранить большое количество углекислого газа и часть избыточной воды.
• Ваши мышцы используют энергию, запасенную в молекулах АТФ, для создания силы, необходимой им для сокращения. Побочным продуктом высвобождения этой энергии является тепло, поэтому физические упражнения повышают температуру тела. Чтобы поддерживать соответствующую температуру тела, ваше тело компенсирует дополнительное тепло, заставляя кровеносные сосуды возле вашей кожи расширяться и заставляя потовые железы в вашей коже выделять пот. Эти действия позволяют теплу легче рассеиваться в воздухе и за счет испарения воды с потом.
• Когда вы тренируетесь в течение более длительных периодов времени, вы теряете все больше и больше воды и солей с потом (и, в меньшей степени, с увеличением дыхания). Если вы тренируетесь слишком долго, ваше тело может потерять достаточно воды и соли, что начнет влиять на другие его функции. Низкая концентрация воды в крови вызывает выброс гормонов, вызывающих чувство жажды. Ваши почки также производят более концентрированную мочу с меньшим количеством воды, если уровень жидкости низкий. Эти действия помогают поддерживать баланс жидкости.

Терминология гомеостаза

Поддержание гомеостаза в организме обычно происходит за счет использования петель обратной связи, которые контролируют внутренние условия организма.

Контур обратной связи определяется как система, используемая для управления уровнем переменной, в которой есть идентифицируемый рецептор (сенсор), центр управления (интегратор или компаратор), эффекторы и способы связи.

Мы используем следующую терминологию для описания петель обратной связи:

• Переменные — это параметры, которые отслеживаются и контролируются или на которые влияет система обратной связи.
• Рецепторы (сенсоры) обнаруживают изменения переменной.
• Центры управления (интеграторы) сравнивают переменную с заданным значением и сигнализируют эффекторам, чтобы они генерировали ответ. Центры управления иногда принимают во внимание информацию, отличную от уровня переменной, при принятии решений, такую ​​как время суток, возраст, внешние условия и т. д.
• Эффекторы выполняют необходимые изменения для корректировки переменной.
• Методы связи между компонентами контура обратной связи необходимы для его функционирования. Это часто происходит через нервы или гормоны, но в некоторых случаях рецепторы и центры управления являются одними и теми же структурами, так что в этой части петли нет необходимости в этих сигнальных режимах.

Терминология в этой области часто противоречива. Например, бывают случаи, когда компоненты цикла обратной связи нелегко идентифицировать, но переменные поддерживаются в определенном диапазоне. Такие ситуации по-прежнему являются примерами гомеостаза и иногда описываются как цикл обратной связи, а не как петля обратной связи.

Цикл обратной связи определяется как любая ситуация, в которой переменная регулируется и уровень переменной влияет на направление изменения переменной (т.е. увеличивается или уменьшается), даже если нет четко идентифицированных компонентов цикла.

Имея в виду эту терминологию, гомеостаз можно описать как совокупность петель обратной связи и циклов обратной связи, которые тело включает для поддержания надлежащего функционального состояния.

Кондиционирование воздуха представляет собой технологическую систему, которую можно описать в терминах цикла обратной связи. Термостат определяет температуру, электронный интерфейс сравнивает температуру с заданным значением (температурой, которую вы хотите). Если температура соответствует или ниже, то ничего не происходит. Если температура слишком высокая, то электронный интерфейс включает кондиционер. Как только температура понизится настолько, чтобы достичь заданного значения, электронный интерфейс выключит кондиционер. Для этого примера определите шаги цикла обратной связи.

Круиз-контроль — еще одна технологическая система обратной связи. Идея круиз-контроля заключается в поддержании постоянной скорости автомобиля. Скорость автомобиля определяется спидометром, а электронный интерфейс измеряет скорость автомобиля в зависимости от заданного значения, выбранного водителем. Если скорость слишком низкая, интерфейс стимулирует двигатель; если скорость слишком высока, интерфейс снижает мощность на шинах.

Термины, применяемые к температуре

Рассмотрим один из контуров обратной связи, который контролирует температуру тела.

• Переменная:   В данном случае переменной является температура тела.
• Рецепторы: Терморецепторы обнаруживают изменения температуры тела. Например, терморецепторы во внутренних органах могут обнаруживать пониженную температуру тела и генерировать нервные импульсы, которые направляются в центр управления, гипоталамус.
• Центр управления:   Гипоталамус контролирует множество эффекторов, которые реагируют на снижение температуры тела.
• Эффекторы:  Существует несколько эффекторов, контролируемых гипоталамусом.
  • кровеносные сосуды вблизи кожи сужаются, уменьшая приток крови (и, как следствие, потерю тепла) в окружающую среду.
  • Скелетные мышцы также являются эффекторами в этой петле обратной связи: они быстро сокращаются в ответ на снижение температуры тела. Этот озноб помогает генерировать тепло, которое повышает температуру тела.

Петли обратной связи

Помните, что гомеостаз — это поддержание относительно стабильной внутренней среды. Когда присутствует стимул или изменение в окружающей среде, петли обратной связи реагируют, чтобы поддерживать работу систем вблизи заданного или идеального уровня.

Обратная связь — это ситуация, когда выход или ответ контура воздействует или влияет на вход или стимул.

Обычно мы делим петли обратной связи на два основных типа:

1. петли положительной обратной связи , в которых изменение в заданном направлении вызывает дополнительное изменение в том же направлении. Например, увеличение концентрации вещества вызывает обратная связь, которая приводит к постоянному увеличению концентрации.
2. контуры отрицательной обратной связи , в котором изменение в заданном направлении вызывает изменение в противоположном направлении. Например, увеличение концентрации вещества вызывает обратную связь, которая в конечном итоге приводит к уменьшению концентрации вещества.

Петли положительной обратной связи по своей природе нестабильны. Поскольку изменение входных данных вызывает реакцию, которая приводит к постоянным изменениям в том же направлении, петли положительной обратной связи могут привести к неконтролируемым состояниям. Термин «положительная обратная связь» обычно используется до тех пор, пока переменная способна усиливать себя, даже если компоненты петли (рецептор, центр управления и эффектор) нелегко идентифицировать. В большинстве случаев положительная обратная связь вредна, но есть несколько случаев, когда положительная обратная связь при ограниченном использовании способствует нормальному функционированию. Например, при свертывании крови каскад ферментных белков активирует друг друга, что приводит к образованию фибринового сгустка, препятствующего кровопотере. Один из ферментов пути, называемый тромбином, не только действует на следующий белок пути, но также обладает способностью активировать белок, предшествующий ему в каскаде. Этот последний шаг приводит к циклу положительной обратной связи, где увеличение тромбина приводит к дальнейшему увеличению тромбина. Следует отметить, что существуют и другие аспекты свертывания крови, которые контролируют общий процесс, например, уровень тромбина не повышается без ограничений. Но если мы просто рассмотрим воздействие тромбина на самого себя, то это считается циклом положительной обратной связи. Хотя некоторые могут считать это положительной обратной связью, такая терминология не является общепринятой.

Петли отрицательной обратной связи по своей природе являются стабильными системами. Петли отрицательной обратной связи в сочетании с различными стимулами, которые могут воздействовать на переменную, обычно создают состояние, при котором переменная колеблется вокруг заданного значения. Например, петли отрицательной обратной связи, включающие инсулин и глюкагон, помогают удерживать уровень глюкозы в крови в узком диапазоне концентраций. Если уровень глюкозы становится слишком высоким, организм выбрасывает инсулин в кровоток. Инсулин заставляет клетки организма поглощать и накапливать глюкозу, снижая концентрацию глюкозы в крови. Если уровень глюкозы в крови становится слишком низким, организм высвобождает глюкагон, что вызывает высвобождение глюкозы из некоторых клеток организма.

Положительная обратная связь

В механизме положительной обратной связи выходные данные системы стимулируют систему таким образом, чтобы еще больше увеличить выпуск. Общие термины, которые могут описывать петли или циклы положительной обратной связи, включают «снежный ком» и «цепную реакцию». Без уравновешивающей или «выключающей» реакции или процесса механизм положительной обратной связи может привести к неконтролируемому процессу. Как уже отмечалось, есть некоторые физиологические процессы, которые обычно считаются положительной обратной связью, хотя не все они могут иметь идентифицируемые компоненты петли обратной связи. В этих случаях петля положительной обратной связи всегда заканчивается встречной сигнализацией, которая подавляет первоначальный стимул.

Хорошим примером положительной обратной связи является усиление схваток. Схватки начинаются, когда ребенок занимает положение, растягивая шейку матки за ее нормальное положение. Обратная связь увеличивает силу и частоту сокращений, пока ребенок не родится. После рождения растяжение прекращается и петля прерывается.

Другой пример положительной обратной связи возникает во время лактации, когда мать вырабатывает молоко для своего ребенка. Во время беременности повышается уровень гормона пролактина. Пролактин обычно стимулирует выработку молока, но во время беременности прогестерон подавляет выработку молока. При рождении, когда плацента выходит из матки, уровень прогестерона падает. В результате увеличивается производство молока. Когда ребенок сосет, его сосание стимулирует грудь, способствуя дальнейшему высвобождению пролактина, что приводит к еще большему производству молока. Эта положительная обратная связь гарантирует, что у ребенка будет достаточно молока во время кормления. Когда ребенка отнимают от груди и он больше не сосет грудь, стимуляция прекращается, и уровень пролактина в крови матери возвращается к уровню, существовавшему до грудного вскармливания.

Выше приведены примеры полезных механизмов положительной обратной связи. Однако во многих случаях положительная обратная связь может быть потенциально разрушительной для жизненных процессов. Например, артериальное давление может значительно упасть, если человек теряет много крови из-за травмы.

Артериальное давление является регулируемой величиной, которая приводит к увеличению частоты сердечных сокращений (т. е. увеличению частоты сердечных сокращений) и более сильному сокращению. Эти изменения в сердце заставляют его нуждаться в большем количестве кислорода и питательных веществ, но если объем крови в организме слишком низкий, сама ткань сердца не получит достаточного притока крови для удовлетворения этих повышенных потребностей. Дисбаланс между потребностью сердца в кислороде и подачей кислорода может привести к дальнейшему повреждению сердца, что фактически снижает артериальное давление, обеспечивая большее изменение переменной (артериальное давление). Петля реагирует, пытаясь стимулировать сердце еще сильнее, что приводит к дальнейшему повреждению сердца… и эта петля продолжается до тех пор, пока не наступает смерть.

Отрицательная обратная связь

Большинство систем биологической обратной связи являются системами отрицательной обратной связи. Отрицательная обратная связь возникает, когда выход системы уменьшает или ослабляет процессы, которые приводят к выходу этой системы, что приводит к уменьшению выхода. В целом, петли отрицательной обратной связи позволяют системам самостабилизироваться. Отрицательная обратная связь является жизненно важным механизмом контроля гомеостаза организма.

Вы видели пример контура обратной связи, примененного к температуре, и определили задействованные компоненты. Это важный пример того, как петля отрицательной обратной связи поддерживает гомеостаз в механизме терморегуляции организма. Тело поддерживает относительно постоянную внутреннюю температуру для оптимизации химических процессов. Нервные импульсы от термочувствительных терморецепторов в теле сигнализируют гипоталамусу. Гипоталамус, расположенный в головном мозге, сравнивает температуру тела с заданным значением.

Когда температура тела падает, гипоталамус инициирует несколько физиологических реакций для увеличения выработки и сохранения тепла:

• Сужение поверхностных кровеносных сосудов (вазоконстрикция) снижает приток тепла к коже.
• Начинается дрожь, увеличивающая выработку тепла мышцами.
• Надпочечники выделяют стимулирующие гормоны, такие как норадреналин и адреналин, для увеличения скорости метаболизма и, следовательно, производства тепла.

Эти эффекты вызывают повышение температуры тела. Когда он возвращается к норме, гипоталамус больше не стимулируется, и эти эффекты прекращаются.

Когда температура тела повышается, гипоталамус инициирует несколько физиологических реакций, направленных на снижение выработки и потери тепла:

• Расширение поверхностных кровеносных сосудов (вазодилатация) увеличивает приток тепла к коже и вызывает покраснение.
• Потовые железы выделяют воду (пот), и испарение охлаждает кожу.

Эти эффекты вызывают снижение температуры тела. Когда он возвращается к норме, гипоталамус больше не стимулируется, и эти эффекты прекращаются.

Многие гомеостатические механизмы, такие как температура, по-разному реагируют, если переменная выше или ниже заданного значения. При повышении температуры мы потеем, при понижении – дрожим. Эти ответы используют разные эффекторы для настройки переменной. В других случаях петля обратной связи будет использовать тот же эффектор для регулировки переменной обратно к заданному значению, независимо от того, было ли первоначальное изменение переменной выше или ниже заданного значения. Например, диаметр зрачка регулируется, чтобы обеспечить попадание в глаз соответствующего количества света. Если света слишком мало, зрачок расширяется, если слишком много, зрачок сужается.

Это можно сравнить с вождением. Если ваша скорость выше заданного значения (значение, которое вы хотите, чтобы оно было), вы можете либо просто уменьшить уровень акселератора (т. е. выбег), либо активировать вторую систему — тормоз. В обоих случаях вы замедляетесь, но это можно сделать, либо просто «отступив» на одной системе, либо добавив вторую систему.

Давайте посмотрим, как эти два примера работают в отношении нормального гомеостаза кровяного давления.

Артериальное давление измеряется по мере того, как циркулирующая кровь оказывает давление на стенки артерий тела. Артериальное давление создается первоначально сокращением сердца. Изменения силы и скорости сокращения будут напрямую связаны с изменениями артериального давления. Изменения объема крови также будут напрямую связаны с изменениями артериального давления. Изменения диаметра сосудов, по которым проходит кровь, изменяют сопротивление и оказывают противоположное изменение артериального давления. Гомеостаз артериального давления включает рецепторы, контролирующие артериальное давление, и центры управления, инициирующие изменения в эффекторах, чтобы поддерживать его в пределах нормы.

Диабет: Тип 1 и Тип 2

Важным примером отрицательной обратной связи является контроль уровня сахара в крови.

1. После еды тонкий кишечник всасывает глюкозу из переваренной пищи. Уровень глюкозы в крови повышается.
2. Повышение уровня глюкозы в крови стимулирует бета-клетки поджелудочной железы к выработке инсулина.
3. Инсулин заставляет клетки печени, мышц и жировой ткани поглощать глюкозу, где она хранится. По мере всасывания глюкозы уровень глюкозы в крови падает.
4. Как только уровень глюкозы падает ниже порогового значения, стимула для высвобождения инсулина больше нет, и бета-клетки перестают вырабатывать инсулин.

Из-за синхронизации высвобождения инсулина между бета-клетками базальная концентрация инсулина в крови колеблется после приема пищи. Колебания имеют клиническое значение, поскольку считается, что они помогают поддерживать чувствительность рецепторов инсулина в клетках-мишенях. Эта потеря чувствительности является основой резистентности к инсулину. Таким образом, сбой механизма отрицательной обратной связи может привести к повышению уровня глюкозы в крови, что имеет множество негативных последствий для здоровья.

Давайте поближе познакомимся с диабетом. В частности, мы обсудим диабет типа 1 и типа 2. Диабет может быть вызван недостатком инсулина, резистентностью к инсулину или тем и другим.

Диабет 1 типа возникает, когда бета-клетки поджелудочной железы разрушаются в результате иммунно-опосредованного процесса. Поскольку бета-клетки поджелудочной железы чувствуют уровень глюкозы в плазме и реагируют, высвобождая инсулин, у людей с диабетом 1 типа наблюдается полное отсутствие инсулина. При этом заболевании необходимы ежедневные инъекции инсулина.

Также страдают те, кто потерял поджелудочную железу. После удаления поджелудочной железы (например, из-за рака) всегда присутствует диабет 1 типа.

Диабет 2-го типа встречается гораздо чаще, чем 1-й тип. На него приходится большинство случаев диабета. Обычно это происходит во взрослом возрасте, но все чаще это заболевание диагностируется у молодых людей. При диабете 2 типа поджелудочная железа все еще вырабатывает инсулин, но ткани не реагируют эффективно на нормальные уровни инсулина, что называется резистентностью к инсулину.