Біологія. 10 клас. Балан

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

§ 44. Регуляція функцій у багатоклітинних організмів

Пригадайте: які регуляторні системи багатоклітинних організмів вам відомі? Що таке нервова та гуморальна регуляції? Що таке гомеостаз?

• Що таке біологічно активні речовини та регуляторні системи? Біологічно активні речовини - сполуки, що впливають на прояви життєдіяльності. Регуляторні системи забезпечують функціонування багатоклітинного організму як єдиної біологічної системи, зумовлюють його реакції на зміни умов зовнішнього та внутрішнього середовища. У тварин і людини до регуляторних систем належать нервова, імунна та ендокринна; у рослин - окремі секреторні клітини. Регуляція діяльності клітин, органів та їхніх систем спрямована на підтримання гомеостазу внутрішнього середовища багатоклітинного організму.

• Регуляцію життєвих функцій у багатоклітинних рослин насамперед здійснюють фітогормони. Ці сполуки синтезують не лише рослини, а й гриби. Вони в малих кількостях регулюють процеси обміну речовин, координують індивідуальний розвиток, впливаючи на поділ і ріст клітин, диференціювання тканин, формування органів, розвиток бруньок, проростання насіння тощо. Одні фітогормони можуть прискорювати життєві функції (поділ клітин, розвиток пагонів дозрівання плодів), інші - їх гальмувати (наприклад, викликати опадання листків).

До фітогормонів належать ауксини, цитокініни, гібереліни та абсцизова кислота.

Ауксини утворюються у верхівковій твірній тканині і зумовлюють розтягування клітин, унаслідок якого пагін видовжується. Вони також впливають на диференціацію провідних тканин, стимулюють поділ клітин камбію, прискорюють формування додаткових коренів живців тощо. У сільському господарстві ауксини використовують для стимулювання утворення додаткових коренів у живців, опадання плодів перед збиранням врожаю, а у високих концентраціях - як гербіциди (різновид пестицидів, використовують для боротьби з бур’янами).

Цитокініни прискорюють поділ клітин, ріст і розвиток бічних бруньок, стимулюють проростання насіння, обмін речовин, затримують процеси старіння.

Гібереліни прискорюють ріст рослин, процеси цвітіння, формування плодів, стимулюють проростання насіння, розвиток бульб і цибулин тощо.

Абсцизова кислота стимулює перехід рослин у стан спокою, збільшує тривалість цього періоду, стимулює опадання листків, пригнічує проростання насіння, ріст бруньок.

За допомогою біологічно активних сполук рослини можуть впливати на особин свого або інших видів. Так, фітонциди пригнічують життєдіяльність інших організмів. Зокрема, пирій і ясен за допомогою цих речовин можуть гальмувати розвиток рослин інших видів, тобто зменшувати рівень міжвидової конкуренції. Тож, висіваючи на одній ділянці насіння рослин різних видів або плануючи сівозміни, слід враховувати, як ці види впливатимуть один на одного. Фітонциди, які виробляють, наприклад, сосна, часник або цибуля ріпчаста, вбивають мікроорганізми. Тому ці рослини з давніх-давен людина використовувала для лікування і профілактики багатьох інфекційних та інвазійних захворювань.

Алкалоїди - особливі отруйні для тварин сполуки. Вони захищають рослини від виїдання тваринами-фітофагами. Багато алкалоїдів використовують у медицині.

Алкалоїди знайдено приблизно в 2500 видів покритонасінних рослин переважно з родин Пасльонові, Лілійні, Макові, Коноплеві. Значення алкалоїдів у житті рослин - це захист від паразитів, поїдання тваринами тощо. Чимало алкалоїдів використовують у медицині. Наприклад, хінін (екстракт кори хінного дерева) застосовують для лікування малярії. Цікаво, що лікувальні властивості хініну були відомі індіанцям ще до того, як Колумб відкрив Америку Алкалоїд колхіцин застосовують для експериментального отримання клітин зі збільшеними наборами хромосом. Він руйнує веретено поділу.

Фітогормонам, як і гормонам тварин, властива дистанційність дії. Це означає, що вони утворюються клітинами певних типів і транспортуються до тих частин рослини, на які вони впливають, по провідних тканинах з течією соків або безпосередньо від однієї клітини до іншої. Рослини здатні сприймати зміни в довкіллі і реагувати на них певними рухами, а саме - за допомогою тропізмів, настій тощо.

Мал. 44.1. Реакції рослин на подразнення: тропізми (А, Б), настії (В-Е). А. Пагону притаманний негативний геотропізм (реакція на силу тяжіння землі), тому його ріст спрямований догори. Б. Кореню притаманний позитивний геотропізм: його ріст спрямований в глиб ґрунту. В, Г - сейсмонастії (реакції на струси) мімози соромливої. Листочки складного листка у стані спокою розправлені (В), якщо ж рослина відчуває струс, листочки складного листка складаються (Г). Д, Е - фотонастії у маранти триколірної: удень листки маранти розправлені (Д), уночі тиск в їхніх клітинах падає і листки згортаються (Е). Є. Колові рухи; коли рослина торкається будь-якої опори, вона під час росту накручується навколо неї

Тропізми - переміщення органів під час росту у відповідь на подразник, що має певну спрямованість (мал. 44.1, А, Б). Так, ростові реакції на напрямок падіння променів світла дістали назву фототропізми, на силу тяжіння землі - геотропізми, на хімічні сполуки - хемотропізми тощо. Якщо рухи спрямовані в бік подразника, то тропізми називають позитивними, якщо у протилежний - негативними.

Настії - рухи органів у відповідь на дію подразників, що не мають певного спрямування (зміна освітленості, температури тощо) (мал. 44.1, В-Е). Прикладом настій можуть слугувати відкривання та закривання віночка квітки у відповідь на зміну освітленості (фотонастії), згортання листків при змінах температури (термонастії), закриття листків комахоїдних рослин як реакція на рухи комахи (сейсмонастії) тощо. Настії можуть бути пов’язані з розтягуванням органів внаслідок нерівномірного росту або зміною внутрішньоклітинного тиску внаслідок коливань концентрації клітинного соку. Таким чином, рухи рослин, на відміну від тварин, не пов’язані з переміщенням усього організму, а лише окремих його частин - кореня, стебла, листків, квіток тощо.

• Регуляція життєвих функцій у багатоклітинних тварин. У більшості тварин одночасне функціонування нервової, імунної та ендокринної систем та їхні взаємодії забезпечують нейрогуморальну регуляцію життєвих функцій.

Особливості нервової регуляції. Нервова система регулює життєві функції за допомогою імпульсів. Нервові імпульси мають електричну природу, проте в місцях контакту двох сусідніх нейронів, нейронів і м’язових чи інших клітин імпульс передається хімічним шляхом за участі особливих речовин - медіаторів (ацетилхоліну, норадреналіну тощо). Особливі структури, що забезпечують контакти між двома нейронами, називають синапсами. У синапсі закінчення відростків нейронів розділено щілиною(мал. 44.2). Коли нервове збудження підходить до закінчення одного нейрона, то вивільняється медіатор, який хімічно змінюється та переносить інформацію до рецепторів іншого нейрона.

Мал. 44.2. Будова та функціонування синапсу: І. Під впливом нервового імпульсу міхурці з медіатором підходять до мембрани нервового закінчення. II. Міхурці з медіатором виділяються в синаптичну щілину. III. Медіатор взаємодіє з рецептором у складі мембрани іншого нейрона і проникає всередину нього. Це викликає потенціал дії і подальше переміщення імпульсу

Після проведення нервового збудження медіатор за участі ферментів руйнується. Синапс передає сигнал тільки в одному напрямку. Різні медіатори можуть прискорювати або гальмувати передачу нервового імпульсу.

Рефлекси. Нервові імпульси передаються від рецепторів до центральної частини нервової системи. Там здійснюються аналіз і синтез отриманої інформації, після чого нові імпульси надходять до робочих органів, змінюючи їхню діяльність. Завдяки нервовій системі тварини здатні своєчасно сприймати подразники довкілля, а також зміни у власному внутрішньому середовищі та швидко на них реагувати. Таким чином, рефлекс — це реакція організму на подразники зовнішнього і внутрішнього середовища, яка здійснюється за участі нервової системи (мал. 44.3). Основу рефлекторної діяльності складають явища виникнення та гальмування нервового збудження.

Усі різновиди рефлексів І. П. Павлов відніс до безумовних (природжені) та умовних (набуті). Сукупність безумовних і умовних рефлексів забезпечує пристосування до непостійних умов довкілля.

Мал. 44.3. Колінний рефлекс у людини: І. Центр колінного рефлексу розташований у сірій речовині (1) спинного мозку; II. При легкому ударі по колінному суглобу збуджуються рецептори, від яких нервовий імпульс прямує до відповідного центру у спинному мозку; III. Центр надсилає новий імпульс, який прямує до м’язів, які скорочуються і забезпечують відповідні рухи ноги

Безумовні рефлекси спадкові та не змінюються протягом життя. Вони відіграють провідну роль у забезпеченні певних реакцій, зокрема одразу після народження, та становлять основу для утворення умовних рефлексів. Деякі безумовні рефлекси (колінний тощо) використовують для встановлення стану нервової системи. Безумовні рефлекси бувають харчові, статеві, орієнтовні, захисні (чхання, кашель, моргання тощо).

Сукупність послідовних безумовних рефлексів, які визначають забезпечення певної життєвої функції, називають інстинктом.

Умовні рефлекси виникають і згасають протягом життя на основі безумовних під впливом певних чинників зовнішнього середовища. З віком кількість умовних рефлексів зростає в міру накопичення життєвого досвіду. Разом з тим умовні рефлекси, які тривалий час не відтворюються, можуть втрачатись (згасати).

Вищою нервовою діяльністю називають функціонування певних відділів центральної нервової системи, яка забезпечує відповідні умовнорефлекторні реакції організму на раптові зміни умов довкілля. Так, у людини та хребетних тварин вища нервова діяльність забезпечується корою головного мозку та підкірковими нервовими центрами; у членистоногих - грибоподібними тілами переднього мозку тощо.

Гуморальна регуляція життєвих функцій здійснюється завдяки різноманітним біологічно активним сполукам: гормонам, нейрогормонам, вітамінам тощо. Важлива роль при цьому належить системі залоз внутрішньої секреції, або ендокринній системі (мал. 44.4).

Залози внутрішньої секреції не мають вивідних проток, їхні клітини виділяють гормони безпосередньо в кров або іншу рідину внутрішнього середовища організму.

Мал. 44.4. Ендокринна система людини: А - розташування ендокринних залоз; Б - зріз через головний мозок; В - задня поверхня щитоподібної залози

Деякі нервові клітини (нейросекреторні клітини) виділяють у кров біологічно активні речовини, які дістали назву нейрогормони. Принцип їхньої дії такий самий, як і в гормонів.

Оскільки окремі залози внутрішньої секреції не пов’язані між собою просторово, їхня узгоджена робота здійснюється або завдяки нервовій регуляції, або ж під впливом певних гормонів, що виробляються одними залозами, а впливають на роботу інших. Гормони та нейрогормони впливають на діяльність нервової системи. Як ви пригадуєте, гіпофіз - залоза внутрішньої секреції, що виробляє гормони, здатні впливати на діяльність інших ендокринних залоз.

Порівняно з роботою нервової системи, дія гормонів і нейрогормонів вирізняється меншою швидкістю, але справляє триваліший ефект. Під гормональним контролем перебувають усі етапи індивідуального розвитку та процеси життєдіяльності. Зокрема гормони забезпечують підтримання гомеостазу та регуляцію активності ферментів.

Гуморальна регуляція життєвих функцій також може здійснюватися за допомогою інших біологічно активних речовин. Наприклад, концентрація вуглекислого газу в крові регулює функцію дихального центру головного мозку хребетних тварин, а зміни концентрації йонів Кальцію і Калію - діяльність серця тощо. Вітаміни беруть участь в обміні речовин і перетворенні енергії здебільшого як компоненти складних ферментів.

У хребетних тварин існує тісний зв’язок між гіпоталамусом (структура проміжного мозку) і гіпофізом (провідна залоза внутрішньої секреції, пов’язана з проміжним мозком). Ця система має назву гіпоталамо-гіпофізарної. Її функції полягають у тому, що синтезовані клітинами гіпоталамуса нейрогормони по кровоносних судинах надходять у передню частку гіпофіза. Там вони стимулюють або гальмують вироблення гормонів, які впливають на діяльність інших залоз внутрішньої секреції. Основне біологічне значення гіпоталамо-гіпофізарної системи полягає в здійсненні досконалої регуляції вегетативних функцій та розмноження як реакції на вплив зовнішніх та внутрішніх подразників.

Мал. 44.5. Органи імунної системи: І - червоний кістковий мозок, де утворюються лімфоцити; II - тимус, де дозрівають Т-лімфоцити; III - лімфатичні вузли, де знешкоджуються мікроорганізми; IV - селезінка, де дозрівають лейкоцити

Імунна система (мал. 44.5) відіграє важливу роль у забезпеченні нормальної діяльності організмів багатоклітинних тварин і людини. До складу імунної системи хребетних тварин і людини входять вилочкова залоза (тимус), червоний кістковий мозок, селезінка, лімфатичні вузли, скупчення лімфоїдної тканини навколо різних частин травної та дихальної систем, а також більшість різновидів лейкоцитів.

Імунітет - здатність організму забезпечувати несприйнятливість до збудників певних захворювань. Розрізняють гуморальний та клітинний види імунітету.

Гуморальний імунітет. Захист організму від паразитів та чужорідних речовин забезпечують особливі білкові сполуки - антитіла (або імуноглобуліни). Вони присутні в плазмі крові, лімфі, материнському молоці, слині та утворюються в особливих клітинах крові (лімфоцитах) у відповідь на присутність чужорідних хімічних сполук - антигенів. Джерелом антигенів слугують віруси, бактерії, мікроскопічні гриби, одноклітинні тварини та біологічно активні речовини, які потрапили всередину організму ззовні. Вчені відкрили сотні тисяч різних антигенів.

Кожний вид антитіла вступає у хімічний зв’язок лише з відповідним йому антигеном, нейтралізуючи шкідливі властивості останнього. Це один з механізмів гуморального імунітету (мал. 44.6, А).

До гуморального імунітету належить і система комплементу. Вона складається з різних білків у складі плазми крові. При специфічній реакції антиген-антитіло вони можуть бути активовані в певній послідовності. Наприклад, ці білки можуть зв’язуватися з рецепторними молекулами у складі оболонки бактеріальної клітини (мал. 44.6, А). Це забезпечує виникнення отворів в оболонці бактеріальної клітини, через яку надходять розчини солей. Тиск всередині бактеріальної клітини зростає, що спричиняє її руйнування.

Клітинний імунітет. Видатний український вчений І.І. Мечников встановив, що здатність певних груп лейкоцитів до фагоцитозу визначає несприйнятливість організму до деяких інфекційних захворювань. Це явище дістало назву клітинного імунітету. Наприклад, макрофаги шляхом фагоцитозу можуть поглинати й знешкоджувати клітини бактерій (мал. 44.6, Б). Клітинний імунітет забезпечують не лише лейкоцити, а й особливі нерухомі клітини, розташовані в лімфатичних вузлах, селезінці, печінці, кістковому і головному мозку.

Мал. 44.6. Гуморальний (А) та клітинний (Б) імунітет. А. Дія системи комплементу (антитіла) проти бактеріальної клітини: І. Мембранні комплекси поверхні бактеріальної клітини, з якими зв’язується комплемент (антитіло). II. Виникнення отворів в оболонці бактеріальної клітини, через які надходять розчини солей. III. Тиск всередині бактеріальної клітини зростає, що спричиняє її руйнування. Б - клітинний імунітет: макрофаги (1) шляхом фагоцитозу знешкоджують клітини бактерій (2)

Діяльність різноманітних органів і систем органів багатоклітинних тварин спрямована на підтримання гомеостазу, що досягається завдяки дії регуляторних механізмів і транспортних систем.

• Транспортні, або циркуляторні, системи організму часто становлять собою рідину, яка заповнює проміжки між тканинами та органами (плоскі та круглі черви) (мал. 43.8, А). В інших організмів (членистоногі, молюски, кільчасті черви, хордові) ці функції (транспорт поживних речовин, біологічно активних сполук, кінцевих продуктів обміну) виконують рідкі тканини - кров (мал. 43.8, 1, Б, В, 43.8, 2), порожнинна (міжклітинна) рідина, лімфа (мал. 44.7) та системи їхнього колообігу.

• Взаємодія клітин. Особливостями організації багатоклітинних організмів є взаємодія між його клітинами. Регуляція клітинного поділу, процесів диференціювання клітин, міжклітинних взаємодій, підтримання процесів життєдіяльності окремих клітин забезпечуються складною системою сигнальних шляхів. Цими шляхами зовнішні щодо клітини сигнали передаються всередину неї, а цілі комплекси сигнальних білків доправляють їх до специфічних мішеней у цитоплазмі або ядрі. Таким чином, у багатоклітинних організмів за рахунок міжклітинних взаємодій утворюються складні клітинні комплекси, функціонування яких може підтримуватися різними шляхами. Прикладами таких комплексів є різновиди тих чи інших тканин.

Мал. 44.7. Лімфатична система людини: А - загальний план; Б - лімфатичний вузол у розрізі; В - лімфатична судинна в розрізі; Г - лімфатичні капіляри (позначені оливковим кольором) переплітаються з кровоносними (позначені червоним кольором). Це забезпечує зв’язок (Д) міжклітинної рідини з кровоносною та лімфатичною системами

Чим забезпечується цілісність тканин і виконання окремими клітинами специфічних функцій? Численними експериментами доведено здатність клітин розпізнавати одна одну і відповідним чином реагувати. Зазначимо, що взаємодія клітин - це не тільки здатність передавати сигнали від однієї клітини до іншої, але й їхня здатність діяти узгоджено.

Вам уже відомо, що на поверхні кожної клітини розташовані рецептори, завдяки яким клітина розпізнає зовнішні впливи, такі як різні хімічні сполуки. Подібні рецептори дають змогу розпізнавати й іншу, подібну до себе, клітину. Функціонують ці рецептори згідно з правилом «ключ - замок» (пригадайте, за таким самим принципом взаємодіють і ферменти з речовинами, які вступають у реакцію).

Відомо два основні способи міжклітинної взаємодії: дифузійний та адгезивний. Дифузійний спосіб - це взаємодія клітин за допомогою міжклітинних каналів, пор у мембранах сусідніх клітин.

Адгезивний спосіб взаємодії (від лат. адгезіо - прилипання, злипання) - механічне з’єднання клітин, тривале і стабільне утримування їх на близькій відстані одна від одної. Вам уже відомі різні види міжклітинних з’єднань (десмосоми, синапси та ін.). Така взаємодія є основою для об’єднання клітин у різні багатоклітинні структури (тканини, органи).

Кожна клітина тканини не тільки з’єднується із сусідніми клітинами, а й взаємодіє з міжклітинною (тканинною) речовиною, отримуючи за її участі поживні речовини, сигнальні молекули (гормони, медіатори) тощо. За допомогою хімічних речовин, що надходять до всіх клітин, тканин та органів тіла, здійснюється гуморальний тип регуляції життєвих функцій. На різні типи клітин людини і тварин, як ви пам’ятаєте, можуть впливати такі біологічно активні речовини, як гормони, нейрогормони, медіатори, а у рослин - фітогормони.

Інший шлях регулювання відбувається за допомогою нервової системи. Нервові імпульси досягають певних клітин, тканин та органів у сотні або тисячі разів швидше, ніж будь-які хімічні сполуки. У людини, хребетних і багатьох безхребетних тварин узгоджена робота клітин і тканин, що входять до складу внутрішніх органів, забезпечується завдяки вегетативній нервовій системі, у нервових центрах якої генеруються нервові імпульси.

Нервовий і гуморальний способи регуляції функцій органів і систем тісно взаємопов’язані між собою. Однак слід пам’ятати, що утворення більшості хімічних регуляторних речовин і виділення їх у кров перебувають під постійним контролем нервової системи.

Ключові терміни та поняття. Регуляторні системи, нейрогуморальна регуляція.

Коротко про головне

  • Регуляторні системи забезпечують функціонування багатоклітинного організму як єдиної цілісної біологічної системи, зумовлюють його реакції на зміни умов зовнішнього та внутрішнього середовища та підтримують його гомеостаз.
  • У багатоклітинних рослин регуляцію життєвих функцій здійснюють біологічно активні речовини, зокрема фітогормони, фітонциди та алкалоїди.
  • У більшості тварин усі процеси життєдіяльності та їхня координація підлягають гуморальній та нервовій регуляції. Взаємодія нервової, імунної та ендокринної систем забезпечує нейрогуморальну регуляцію всіх життєвих функцій.
  • Нервова система регулює життєві функції за допомогою рефлексів. Рефлекс - реакція організму на подразники зовнішнього і внутрішнього середовища, яка здійснюється за участі нервової системи. Рефлекси бувають безумовними та умовними. Нервові імпульси мають електричну природу. Передача імпульсу між двома нервовими клітинами здійснюється за допомогою особливих речовин - медіаторів.
  • В основі діяльності нервових центрів лежать процеси виникнення та гальмування нервового збудження.
  • Вищою нервовою діяльністю називають функціонування відділів центральної частини нервової системи, яке забезпечує свідомі реакції на раптові зміни умов довкілля, зокрема вироблення та згасання умовних рефлексів, запам’ятовування тощо.
  • Гуморальна регуляція життєвих функцій здійснюється завдяки різноманітним біологічно активним речовинам: гормонам, нейрогормонам, вітамінам тощо. Провідна роль у гуморальній регуляції належить системі залоз внутрішньої секреції та нейросекреторним клітинам.
  • Узгоджена робота залоз внутрішньої секреції здійснюється завдяки нервовій регуляції та під впливом певних гормонів і нейрогормонів, що виробляються одними залозами, а впливають на роботу інших.
  • Імунітет - здатність організму забезпечувати несприйнятливість до збудників певних захворювань. Захист організму за допомогою антитіл отримав назву гуморального імунітету. Клітинний імунітет ґрунтується на здатності певних груп лейкоцитів до фагоцитозу.

Запитання для самоконтролю

1. Що таке регуляторні системи? 2. Як відбувається регуляція життєвих функцій у рослин? 3. Що таке фітогормони, фітонциди, алкалоїди? Які їхні функції? 4. Як відбувається регуляція життєвих функцій у багатоклітинних тварин? 5. Які особливості нервової регуляції? 6. Які особливості гуморальної регуляції у тварин? 7. Що таке гормони, нейрогормони, медіатори? 8. Що таке імунітет та імунна система?

Поміркуйте

Чому в організмах більшості багатоклітинних тварин одночасно діють нервова та гуморальна регуляторні системи?