Природничі науки. 1 частина. 11 клас. Гільберг

Саморегулювання і захист

Сам себе регулює

Вільне існування організму людини в умовах зовнішнього середовища, параметри якого мінливі, можливе лише в умовах сталості його внутрішнього середовища. Внутрішнє середовище організму людини — це кров, лімфа, тканинна рідина. Клітина може існувати й функціонувати лише тоді, коли в навколишньому середовищі є певна концентрація солей, температура, осмотичний тиск та низка інших фізико-хімічних показників. Сталість хімічного складу й фізико-хімічних властивостей внутрішнього середовища організму називають гомеостазом (від грец. ὁμοιοστάσις — однаковий, στάσις — стан). Наголосимо, що гомеостаз — це підтримання сталого рівня кожного параметра в певних межах його норми, а не статичного, фіксованого рівня.

Сталість багатьох властивостей організму забезпечено саморегулюванням. Саморегулювання — універсальна властивість організму, яку він вмикає тоді, коли виникає відхилення від певного сталого рівня будь-якого життєво важливого чинника зовнішнього або внутрішнього середовища. Одна з умов саморегулювання — зворотний зв’язок між процесом, регульованим системою, і системою, яка його регулює (мал. 6.1).

Мал. 6.1. Датчик (в організмі цю роль виконують рецептори) надсилає інформацію в центр керування, і якщо рівновагу порушено, то центр керування активує певний ефектор (ним можуть бути різні тканини й органи), який її відновлює

Саморегулювальні системи є й у техніці. Прикладом таких систем є електронний генератор незгасальних коливань, маятниковий годинник, парова машина тощо. У кожній автоколивальній системі є стале (не коливальне) джерело енергії: (батарея акумуляторів електронного генератора, пружина або гиря годинника та ін.). Втрати енергії в автоколивальній системі компенсують лише надходження енергії від джерела. Важливим є те, що автоколивальна система сама регулює надходження енергії від джерела й підтримує установлений режим коливань.

Щоб коливання були незгасними та періодичними, необхідно виконати дві умови:

  • енергія, яка надходить від джерела, має компенсувати втрати в коливальному пристрої за період коливань;
  • порції енергії мають вчасно надходити до коливального пристрою.

Ці умови виконувані завдяки колу позитивного зворотного зв’язку, яке керує клапаном живлення коливального пристрою та рівня порцій енергії, необхідного для підтримування незгасних коливань. Якщо амплітуда коливань є меншою за усталене значення, енергія, що надходить до коливального пристрою, перевищує втрати за період, унаслідок чого амплітуда зростає. Такий характер позитивного зворотного зв’язку забезпечує самозбудження автоколивальної системи, тобто наростання коливань у ній за будь-яких малих значень. У разі перевищення поточною амплітудою усталеного значення енергія зменшується, й амплітуда наближається до усталеного значення, тобто автоколивання є стійкими.

Деякі автоколивальні системи для збудження коливань потребують початкового поштовху (механічного — у годиннику, електронного — в електронному генераторі).

Мал. 6.2. Маятниковий годинник — саморегулювальна коливальна система

Розгляньмо маятниковий годинник (мал. 6.2). Джерелом енергії такої системи є гиря (1), передавальним пристроєм — храпове колесо (2) та анкер (3), коливальною системою — маятник (4).

Піднята над землею гиря вільно, рівно пришвидшено опускається й обертає храпове колесо. Рівномірне обертання храпового колеса забезпечує маятник, який з’єднано з храповим колесом через анкер. За одну секунду маятник здійснює одне повне коливання. Призначення анкера полягає в тому, щоб храпове колесо, до якого прикріплено стрілки, могло під час цього повертатися лише на один зубець.

Розгляньте й поясніть схему, зображену на мал юнку 6.3. Чим, на вашу думку, відрізняється негативний зв’язок від позитивного?

Мал. 6.3. Спробуйте пояснити, що таке ЗЗГ

Розгляньмо спрощену схему процесів саморегулювання організму. Інформацію про стан навколишнього світу й про внутрішнє середовище організм отримує за допомогою датчиків-рецепторів — органів чуття, що здатні до модальної (вибіркової) чутливості до певних впливів (зорових, слухових, температурних, гравітаційних). Уся інформація про стан зовнішнього середовища та її зміни надходить у центральну нервову систему, яка виконує кілька функцій одночасно. Туди ж надходить інформація від внутрішніх рецепторів, розташованих усередині нашого тіла, — «датчиків» тиску, вмісту вуглекислого газу й кисню, кислотності різних біологічних рідин, напруження м’язів та ін.

Коли ситуація з якихось причин змінилася й потребує відповідних реакцій на системному рівні, організм виконує дію, спрямовану на стабілізацію системи. Наприклад, почуття голоду зумовлено зниженням рівня глюкози в крові, інформація про який досягла клітин головного мозку й послужила підставою для посилення активності травного тракту (посилюється секреція шлункового соку й перистальтика кишечника). При цьому органи зору й пов’язані з ними відділи центральної нервової системи фіксують продукти харчування, а зіставлення їхніх образів зі збереженими в базі пам’яті моделями вказує, що вони дають змогу вгамувати голод. У цьому разі центральна нервова система «віддає розпорядження» виконавчим (ефекторним) органам виконати необхідні дії, що приводять до насичення й відновлення рівня глюкози в крові. Тобто мети саморегульованої системи — усунення причини змін гомеостазу (зниження в крові рівня глюкози, необхідної всім клітинам як джерело енергії) — досягнуто.

У наведеному спрощеному випадку її досягнути легко — достатньо взяти й з’їсти продукт, що перебуває в полі зору. Складніші сценарії дій, засновані на таких спонукальних мотивах, як любов і прагнення до продовження виду, сімейні цінності, дружба, потреба в безпеці, самоствердженні, тяга до нового й прагнення до краси, мають у своїй основі подібну структуру. Вростаючи в психологічні та соціальні механізми існування людини, вони створюють основу розвитку людської цивілізації, залишаючись незмінними з давньої історії до наших днів.

Можна виокремити основні структурно-функціональні блоки організму як саморегульованої системи:

  • чутливі закінчення — рецептори, що несуть інформацію про стан зовнішнього і внутрішнього середовища;
  • центральний «процесор» — відділи центральної нервової системи, що відповідають за оброблення та зберігання інформації;
  • нервова й гуморальна регуляція — центральні механізми управління системою;
  • ефекторні (виконавчі) органи;
  • «енергетичний блок» — забезпечення структур системи енергією, необхідною для здійснення процесів, що відбуваються;
  • «гомеостатический блок» — контроль за сталістю внутрішнього середовища;
  • оболонка, що відділяє й захищає організм, а також забезпечує обмін енергією та інформацією із середовищем.

Системи саморегуляції діють на всіх рівнях організації організму.

Мал. 6.4. Рівні гомеостазу в організмі людини

Передусім постійний склад має бути в цитоплазмі клітини — гомеостаз 1-го ступеня (мал. 6.4.). В основі реакцій, здійснюваних у клітині на ультраструктурному рівні, лежать генетичні механізми гомеостазу. У клітині безперервно змінюються й відновлюються органели. Установлення гомеостазу клітинного середовища забезпечено мембранними системами, з якими пов’язані біоенергетичні процеси й регулювання транспортування речовин у клітину та з неї. Це забезпечують механізми гомеостазу 2-го ступеня — рідини, що циркулюють в організмі, та його внутрішнє середовище. Їхній гомеостаз пов’язаний з вегетативними системами стабілізації складу речовин, що надходять, рідин і газів, та виділенням кінцевих продуктів обміну речовин — ступінь 3. Зокрема, на відносно сталому рівні підтримується температура, вміст води й концентрації електролітів, кисню та вуглекислого газу, кількості поживних речовин і продуктів обміну, що виділяються.

Четвертий ступінь підтримки гомеостазу — поведінка. Окрім доцільних реакцій, вона включає емоції, мотивації, пам’ять, мислення. Четвертий ступінь активно взаємодіє з попереднім, ґрунтується на ньому й впливає на нього.

Виокремлюють також різні види гомеостазу (генетичний, структурний, системи крові, газовий тощо).

У чому біологічне значення гомеостазу? У результаті тривалого пристосування до умов середовища різні види, зокрема й людина, набули нових ознак. Така адаптація дала змогу заселити всі кліматичні зони земної кулі. Це свідчить про те, що істоти здатні адаптуватися до найтяжчих умов існування, які поступово стають для них нормальними. Тож гомеостаз проявляється й на рівні екосистем: підтримання чисельності виду в певних умовах. Для популяцій характерним є генетичний гомеостаз — підтримання сталої генотипічної структури в змінних умовах середовища.

Взаємодія різних видів і рівнів гомеостазу відбиває системний характер організації живих форм.

Мал. 6.5. Системи підтримки гомеостазу: 1 — гормони; 2 — нервові імпульси; З — антитіла, фагоцити

Забезпечення гомеостазу — це, по суті, зміни в біофізичних і біохімічних процесах в організмі: зміни в обміні речовин, особливо білків, жирів і неорганічних (мінеральних) речовин, зміна активності ферментів і гормонів.

Саморегуляція забезпечена діяльністю нервової, ендокринної та імунної регуляторних систем, що діють взаємозв’язано та взаємоузгоджено (мал. 6.5). Кілька контурів регуляції сталості внутрішнього середовища дають змогу, по-перше, залежно від життєвих умов обмежити пристосувальні зміни якою-небудь однією системою або ж здійснити спільну відповідь. По-друге, у цьому разі виникає можливість не тільки досягти стану рівноваги з навколишнім середовищем (за рахунок гомеостатичних механізмів перших двох рівнів), а й активно переборювати несприятливі умови — уникати або усувати їх. Властивість імунного захисту виникла в процесі еволюції як функція живої системи, що забезпечує збереження біологічної індивідуальності, збереження гомеостазу.

Пригадати особливості нервової, ендокринної та імунної регуляторних систем ви зможете самостійно за наведеним далі текстом, а також використавши додаткові джерела інформації (зробіть це).

Основу ендокринної системи становлять залози, які продукують відповідні гормони (мал. 6.6.). В організмі людини розрізняють залози зовнішньої, внутрішньої та змішаної секреції. До залоз зовнішньої секреції належать потові, слізні, сальні й травні залози, до залоз внутрішньої секреції — гіпоталамус, гіпофіз, епіфіз, щитоподібна залоза, паращитоподібні залози, надниркові залози, вилочкова залоза (тимус), до змішаної — підшлункова та статеві залози.

Мал. 6.6. Залози ендокринної системи та гормони, які вони секретують: 1 — епіфіз (мелатонін); 2 — тимус (тимозини, тимопоетини); 3 — шлунково-кишковий тракт (глюкагон, панкреозимін, ентерогастрин, холецистокінін); 4 — нирки (еритропоетин, ренін); 5 — плацента (прогестерон, релаксин, хоріонічний гонадотропін); 6 — яєчник (естрогени, андрогени, прогестини, релаксин); 7 — гіпоталамус (ліберин, статин); 8 — гіпофіз (вазопресин, окситоцин, пролактин, ліпотропін, АКТГ, МСГ, СТГ, ФСГ, ЛГ); 9 — щитоподібна залоза (тироксин, трийодтиронін, кальцитонін); 10 — паращитовидні залози (паратиреоїдний гормон); 11 — наднирник (кортикостероїди, андрогени, адреналін, норадреналін); 12 — підшлункова залоза (соматостатин, глюкагон, інсулін); 13 — сім’яник (андрогени, естрогени)

Ендокринні залози безперервно «спостерігають» за потребами органів і тканин. У відповідь на кожний «запит з місця» залози виділяють у кров гормони — специфічні високоактивні хімічні сполуки. Кровоносними судинами кров транспортує гормони до клітин, що надіслали запит. Вони проникають крізь клітинні мембрани і, вступивши у взаємодію з носієм спадкової інформації ДНК, стимулюють вироблення відповідних ферментів, які забезпечують синтез необхідних речовин. Після «виконання завдання» гормони розпадаються, продукти розпаду відносить кровотік. Функції ендокринних залоз наведено в таблиці 6.1.

Таблиця 6.1

Залоза

Функції

Щитоподібна залоза

Щитоподібна залоза виробляє гормони, що посилюють обмін речовин в організмі. Вони впливають також на діяльність центральної й вегетативної нервових систем, беруть участь у формуванні зростаючого організму

Паращитоподібні залози

Паращитоподібні залози продукують паратгормон, який регулює вміст в організмі надзвичайно необхідного хімічного елемента — Кальцію. Ви вже знаєте, що від його балансу в організмі залежить міцність опорних кісткових тканин, що є основою скелета, і нормальний перебіг багатьох біохімічних реакцій

Підшлункова залоза

За вуглеводний обмін організму відповідає підшлункова залоза, що виробляє гормони інсулін і глюкоген. Водночас підшлункова залоза функціонує і як залоза зовнішньої секреції — постачає травні соки в дванадцятипалу кишку

Наднирники

Наднирники дуже складні за будовою. Вони складаються з мозкової речовини й кори, що вкриває їхню зовнішню поверхню. Обидві ці тканини, які зовсім різні за будовою, виробляють надзвичайно важливі гормони. Мозкова речовина постачає організм адреналіном. Цей гормон здатен впливати на діяльність серця й кровоносних судин, сприяє пришвидшенню серцебиття та підвищенню артеріального тиску в певних ситуаціях. Окрім того, він стимулює наполегливість, здатність прийняти оперативне рішення в небезпечній ситуації.

Кора надниркових залоз виробляє кортизол, альдостерон, кортикостерон та низку інших гормонів (їх відомо понад чотири десятки). І всі вони відіграють значну роль як у фізичному, так і в психічному житті людини: регулюють мінеральним і водним обміном організму, з виділенням їх у кров пов’язані наші пристосувальні реакції до різних екстремальних станів

Статеві залози

Статеві залози — сім’яники в чоловіків і яєчники в жінок — також продукують гормони. Сім’яники виробляють андрогени, а яєчники — жіночі гормони естрогени. Ці речовини контролюють статевий розвиток

Продовження таблиці 6.1

Залоза

Функції

Гіпофіз

Гіпофіз за розмірами не перевищує квасолину середньої величини, його маса в середньому становить не більше 0,5 грама. Однак він складається з трьох частин, кожна з яких «живе» власним життям і виробляє власні гормони.

Передня частина гіпофіза продукує, зокрема, гормон росту, під впливом якого в організмі відбувається синтез білків, сполук Фосфору, Кальцію та інших «будівельних матеріалів», необхідних для формування тканин. Там само виробляється група гормонів, що коректують діяльність інших ендокринних залоз — щитоподібної, статевих, надниркових. Тобто від передньої частини гіпофіза залежить якість функціонування майже всієї ендокринної системи. Задня частина гіпофіза постачає організму такі важливі гормони, як вазопресин, що викликає скорочення судин, й окситоцин, який упливає на скорочення матки. Менш з’ясованою є роль середньої частини гіпофізу та гормонів, які вона виділяє

Гіпоталамус

Проте головним «контролером» діяльності всієї ендокринної системи є гіпоталамус. Будь-яка інформація про роботу ендокринних залоз, про нестачу або надлишок гормонів, що виділяються «на місцях», негайно надходить у вигляді імпульсів-донесень у гіпоталамус. У цій залозі у відповідь утворюються хімічні сполуки, які умовно називають рилізинг-факторами. Надійшовши з гіпоталамуса в гіпофіз, ці речовини викликають тут виділення такої самої кількості гіпофізарних гормонів. Кожний з них й собі стимулює діяльність відповідної залози внутрішньої секреції й впливає певним чином на клітини організму

Будову й функції нервової системи зображено на малюнку 6.7.

Мал. 6.7. Схема нервової системи

Функції нервової системи:

  • 1) об’єднує організм в одне ціле;
  • 2) регулює роботу органів і систем;
  • 3) підтримує сталість внутрішнього середовища організму;
  • 4) здійснює зв’язок організму із навколишнім середовищем і забезпечує адаптацію в мінливих умовах;
  • 5) визначає психічну діяльність індивіда.

Нервова й ендокринна системи здійснюють разом нейрогуморальну регуляцію функцій організму, розподіливши між собою функції (табл. 6.1).

Таблиця 6.1. Нейрогуморальна регуляція функцій організму

Процес

Гуморальна регуляція

Нервова регуляція

Травлення

Гастрин активізує рухову активність шлунка й кишечника. Секретин, адреналін, норадреналін гальмують рухову активність шлунка й кишечника, підвищують секрецію травних соків

Харчовий центр — у довгастому мозку. Центр голоду й насичення — у гіпоталамусі. Симпатична нервова система (НС) зменшує виділення травних соків шлунка й кишечника, гальмує їхню рухову активність. Парасимпатична НС збільшує виділення травних соків, стимулює рухову активність шлунка й кишечника

Дихання

Зростання концентрації вуглекислого газу в крові активує нервові закінчення судин і нейрони дихального центру, що приводить до почастішання дихання

Дихальний центр у довгастому мозку координує роботу дихальних м’язів. Симпатична НС розширює бронхи, легені, збільшує частоту дихальних рухів.

Парасимпатична НС звужує бронхи, легені, зменшує частоту дихальних рухів

Продовження таблиці 6.1

Процес

Гуморальна регуляція

Нервова регуляція

Кровообіг

Адреналін, норадреналін, тироксин, йони Са2+ посилюють скорочення й тонус сердечного м’яза, звужують судини внутрішніх органів, розширюють судини серця й мозку Ацетилхолін, йони К+ зменшують частоту й силу сердечних скорочень, розширюють судини скелетних м’язів і серця

Судиноруховий центр — у довгастому мозку. Симпатична НС підвищує частоту й силу сердечних скорочень, звужує стінки більшості артерій, розширює судини серця й мозку. Парасимпатична НС уповільнює роботу серця, розширює судини слинних і підшлункової залоз, язика, статевих органів

Виділення

Антидіуретичний гормон (вазопресин) підвищує всмоктування води в нирках, зберігаючи воду в організмі. Кортикостероїди регулюють виведення нирками йонів К+ і Na+

Центр спраги в гіпоталамусі контролює вміст солей у внутрішньому середовищі. Симпатична НС гальмує фільтрацію первинної сечі. Парасимпатична НС збільшує всмоктування глюкози

Терморегуляція

Гормони гіпофіза стимулюють процеси енергетичного обміну й теплоутворення. Меланотропін зумовлює потемніння шкіри під дією світла, мелатонін (гормон епіфізу) — її освітлення

Центр терморегуляції — у гіпоталамусі. Рухові нейрони спинного мозку викликають тремтіння м’язів і збільшують теплоутворення. Симпатична НС посилює потовиділення, викликає виникнення «гусячої шкіри»

Опора й рух

Соматотропін стимулює синтез білків, ріст хрящів і кісток. Кальцитонін (гормон щитовидної залози) сприяє засвоєнню Кальцію кістками. Паратгормон знижує рівень Кальцію в кістках

Соматична НС керує рефлекторними рухами. Мозочок координує рухи й регулює рівновагу. Рухова зона кори великого мозку зумовлює довільні рухи. Симпатична НС підвищує працездатність м’язів, впливаючи на обмін речовин й енергії в них

Розмноження

Статеві гормони стимулюють статеве дозрівання, розвиток вторинних статевих ознак, утворення гамет; забезпечують формування статевої поведінки, запліднення, розвиток зародка, перебіг вагітності. Окситоцин стимулює пологи. Мелатонін гальмує статеве дозрівання

НС регулює діяльність статевих залоз і статевих органів. У гіпоталамусі розташований центр задоволення. Кора великих півкуль контролює центри статевих функцій, що містяться в спинному мозку. Підкіркові структури головного мозку управляють статевою поведінкою

При цьому для кожної характерні певні особливості (табл. 6.2).

Таблиця 6.2. Порівняльна характеристика гуморального та нервового типів регуляції

Ознака

Тип регуляції

Гуморальна

Нервова

Швидкість реагування

Низька

Висока

Механізм дії

За допомогою хімічних речовин через кровоносне русло

У вигляді електричних імпульсів, що проходять нервовими волокнами

Швидкість одержання відповіді

Відповідь розвивається повільно (зростання, дозрівання статевих клітин)

Відповідь миттєва (скорочення м’язового волокна)

Час і локалізація дії

Відповідь пролонгована й генералізована

Відповідь короткочасна й чітко локалізована

Імунна система людини (мал. 6.8.) є однією з найважливіших і виконує регуляторну роль разом з нервовою та ендокринною системами. Імунна система має складну будову й чітку ієрархію. Стратегія її дій проста: розпізнати ворога, мобілізувати сили й знищити його.

До центральних ланок імунної системи належать червоний кістковий мозок і тимус (вилочкова залоза). Червоний кістковий мозок є найважливішим кровотворним органом, а в тимусі дозрівають певні типи лейкоцитів.

Периферичними частинами імунної системи є селезінка, апендикс, мигдалики та лімфатичні вузли. У селезінці також утворюються певні типи лейкоцитів.

Мал. 6.8. Імунна система людини

За механізмом дії розрізняють клітинний і гуморальний імунітет. Клітинний імунітет зумовлений здатністю різних лейкоцитів до знищення збудників і заражених клітин. Гуморальний — забезпечують особливі білки.