Любая система в живом или неживом мире, способная к саморегуляции, может считаться гомеостатической. Это свойство стабильности в динамическом равновесии дает возможность существовать в условиях непрерывных изменений.
Что такое гомеостаз
Гомеостаз – это греческий термин, обозначающий состояние неподвижности. В научном мире – способность системы сохранять постоянство внутренней организации, независимо от внешних влияний. Поддержание гомеостаза возможно за счет постоянных ответных реакций на действие внешних факторов, что помогает сохранять динамическое равновесие.
Представление о таком постоянстве появилось в 1878 г. по воле французского ученого Клода Бернара. А термин «гомеостаз» впервые употребил Уолтер Кеннон в 1932 г. в книге «Мудрость тела», посвященной природной координации физиологических процессов в организме. Позже его стали применять для любой открытой системы.
В биологии под гомеостазом понимают равновесие внутренней среды многоклеточных организмов. Его сохранение является залогом функционирования систем и органов, что позволяет жизни существовать, адаптироваться и развиваться в изменчивом мире.
Особенности и роль
Все живые системы стремятся к состоянию устойчивого баланса. Но в условиях постоянного противостояния внешним факторам равновесие нарушается. Чтобы вернуться в него, приходится использовать механизмы регуляции, в частности, построенные на обратной связи, как действует эндокринная система и электрические цепи в нервных окончаниях.
В техногенном мире примером координирующих действий, подобных гомеостазу, является система регуляции температуры, оснащенная термостатом. Их применяют для поддержания климата в помещении, в холодильном оборудовании, духовых шкафах и другой технике.
Биметаллическая полоса в термостате реагирует на понижение градуса завершением электроцепи, что приводит к включению устройства. Когда температура поднимается выше заданного значения, цепь разрывается, и нагревательный прибор выключается.
Регуляция на уровне биологических систем более сложная и требует строгого поддержания внутренней среды организма в жестких рамках, обеспечивающих жизнедеятельность. Особенно важным является контроль состава и количества электролита в жидкости, обмена веществ, температуры и кислотно-щелочного баланса.
В более широком смысле понятие гомеостаза применяют к экологическим системам – популяциям. С 1955 г., когда Роберт Макартур предложил эту идею, считается, что гомеостатическая регуляция в надорганизменном мире представляет собой контроль численности и разнообразия видов.
С течением времени в концепцию вносились изменения, а термин стали применять для описания взаимодействия живых и неживых компонентов экосистемы. Один из видоизмененных вариантов – гипотеза Джеймса Лавлока. В его представлении все компоненты экосистемы, включая неживые, вносят свой вклад в поддержание гомеостаза на планете коллективными усилиями.
Механизмы гомеостаза
Саморегуляция по типу гомеостаза происходит двумя путями:
- Посредством отрицательной обратной связи. В ответ на влияние извне система демонстрирует обратную ответную реакцию, чтобы вернуться в равновесное положение. Например, при перенасыщении крови углекислым газом или недостатке в ней кислорода усиливается интенсивность дыхания, что способствует скорейшему восстановлению стандартных параметров содержания газов.
- Положительная обратная связь встречается реже и изучена неполно. Она предполагает усиление изменяющего действия, что приводит к увеличению отклонения от равновесия и продолжается до определенного момента. В частности, так организм реагирует на факторы, вызывающие нервное возбуждение.
Свойства
Живые системы, пребывающие в состоянии гомеостаза, подвергаются многочисленным вторжениям различных факторов, нарушающих его. Такие влияния предполагают постоянное реагирование и обуславливают основные свойства гомеостаза:
- стремление сохранить равновесие;
- нестабильность;
- непредсказуемость.
Организм испытывает ощущение нестабильности, поскольку вынужден реагировать на изменение условий и приспосабливаться к ним. Одновременно он пытается сохранить внутренний баланс структуры и функций. Непредсказуемость выражается в неожиданных результатах действий, предпринятых в ответ на раздражающие факторы. Эффект может оказаться как положительным, так и отрицательным, что проявляется во временном дискомфорте или даже серьезных перестройках в деятельности организма.
Экологический гомеостаз
Биосфера состоит из экосистем, включающих в себя живые существа и неживую материю, взаимодействие которых осуществляется строго определенным образом и сохраняется на уровне динамического равновесия. Постоянство поддерживается цепочками питания, а основные факторы влияния на сообщество живых организмов – свет, температура, вода и другие физические составляющие природной среды.
Регуляция происходит на основе нормы реакции, заложенной на генном уровне. Сопротивляемость системы – свойство, помогающее сохранить экологический гомеостаз, а адаптация позволяет приспособиться к изменившимся условиям и создать новый вариант баланса.
Для популяции важно равновесное состояние численности особей и плотности на определенной территории. На эти параметры влияют внешние факторы, а некоторые виды сами их регулируют снижением плодовитости или уничтожением слабых особей. Под влиянием борьбы за питательные вещества включаются механизмы выживания – миграция, конкуренция, хищничество, естественный отбор в виде болезней и другие природные способы сохранить популяцию.
У каждого вида исторически сложились свои варианты ответной реакции на влияние. Низшие формы жизни поддерживают динамическое равновесие адаптируясь, их называют толерантными. А более развитые способны сопротивляться изменениям.
Биологический
Гомеостаз помогает живым существам поддерживать внутреннюю среду в допустимых границах. Эта фундаментальная характеристика обеспечивает стабильность генетического материала и параметров жизненно важных жидкостей организма – крови, лимфы, межклеточного и спинномозгового вещества.
По отношению к показателям физического и функционального состояния организмы разделяют на:
- регуляторные;
- конформационные.
Первые на физиологическом уровне сами способны регулировать параметр независимо от внешних условий. Пример – теплокровные животные с постоянной температурой тела. Такая гомеостатическая регуляция позволяет им эффективно действовать даже в неблагоприятной среде. Но она требует больших энергетических затрат, поэтому теплокровным необходимо регулярно питаться, чтобы пополнять свой ресурс.
Конформационные организмы подстраиваются под параметры, которые диктует среда. Так холоднокровные могут проявлять активность только в теплое время, а зимой впадают в сонное состояние. При этом, они тратят очень мало энергии и могут не пополнять запасы питательных веществ некоторое время. Но у конформационных видов есть поведенческие реакции приспособления, схожие с регуляторной функцией. К примеру, рептилии могут немного повысить свою температуру, сидя на нагретых солнцем камнях.
Клеточный
В живых клетках стабильность поддерживается с помощью изменения структуры цитоплазмы и активности ферментов. Они реагируют на любые колебания физических и химических показателей – температуры, кислотности среды, наличия субстрата и элементов – катализаторов реакций или компонентов для синтеза.
Структурный гомеостаз представляет собой совокупность механизмов, направленных на восстановление целостности организма. Он достигается регенерацией клеток и тканей при их естественном отмирании или повреждении.
Структурные компоненты организма на клеточном уровне постоянно обновляются и восстанавливаются, чтобы сохранить стабильное выполнение всех функций. Процесс называется регенерацией и происходит у млекопитающих разными способами в зависимости от ткани и органа:
- регенерация на уровне клеток (слизистые оболочки различных органов, костная ткань, кровообразование);
- восстановление внутриклеточных составляющих (сердечная мышца – миокард, ганглии в центральной нервной системе);
- совмещение обоих вариантов (железы гормональной системы, печень, легкие, почки, некоторые мышцы, вегетативная нервная система).
Гомеостаз в организме человека
Жизнь человека поддерживается путем контроля над постоянством состава и свойств жидкостей организма. К важным параметрам относят:
- концентрацию глюкозы, кислорода, питательных элементов;
- содержание продуктов обмена веществ – мочевины, углекислого газа;
- температуру;
- состав и количество солей, кислотность.
В организме эволюционно сложились механизмы для регуляции этих показателей. Включаются они независимо от воли человека, как бессознательная адаптация, помогающая сохранить гомеостаз. Хотя известны также биологические процессы и явления, опровергающие эту модель, например, анаболизм.
Функции
Скорость и эффективность адаптационных процессов для поддержания равновесия у каждого человека зависят от генетического материала – наследственной предрасположенности. Гомеостаз выполняет несколько основных функций:
- адаптационная;
- энергетическая;
- репродуктивная.
Их иллюстрируют следующие примеры. Акклиматизация организма при переезде в горную местность или другой часовой пояс требует адаптивных реакций, которые сопровождаются недомоганием или происходят бессимптомно. Спортивные тренировки приводят к возрастанию интенсивности дыхания и пульса, что помогает сохранить энергетический баланс. А жаркий климат приводит к репродукции в виде отделения пота.
При здоровом функционировании организма все механизмы саморегуляции исправно работают. Гомеостатические реакции замедленны только в младенчестве и пожилом возрасте.
Примеры и механизмы гомеостаза
С помощью автоматических механизмов происходит гомеостатическая регуляция многих показателей, важных для жизнедеятельности.
Температура тела
Значительное отклонение температуры тела от стандартного диапазона грозит серьезными нарушениями. Поэтому ее регуляция жизненно важна. Нормальное значение для гомеостатического плато составляет 36,6°С, но может подниматься или падать под влиянием гормонов, скорости метаболических процессов, болезненных состояний, перегрева или переохлаждения и некоторых других факторов.
Функцию контроля выполняет гипоталамус в головном мозге. Информация об отклонениях к нему поступает через импульсы нервной системы. Обратно через гипофиз и спинной мозг отправляется сигнал о необходимости ответной реакции. Она выражается в изменении уровня обмена веществ, сахара в крови, интенсивности дыхания.
При охлаждении организм мобилизует свои ресурсы для выработки энергии, а кровь уходит с поверхности тела, уменьшая теплоотдачу, что проявляется побледнением кожи. Кроме того, сознание человека подскажет ему, что надо одеться теплее, включить нагревательный прибор или зайти в помещение. Когда температуру нужно понизить, усиливается теплообмен через кожу, выделяется пот, уменьшается активность всех процессов.
Концентрация глюкозы
Поскольку глюкоза – главный источник энергии, ее количество в кровотоке подвергается постоянному контролю. Регуляцию осуществляют печень и поджелудочная железа посредством выделения гормонов инсулина и глюкагона соответственно. Первый понижает ее уровень, второй – способствует повышению. Также в расщеплении сахара участвуют кортизол и катехоламины.
Уровни кальция
Кальций в организме содержится в крови (1 %), костях и зубах (вместе 99 %). Также он нужен для нормального функционирования мышечной ткани. Гомеостатической регуляции подлежит содержание этого элемента в кровотоке. Когда оно снижается, паращитовидные железы выделяют паратиреоидный гормон, который сигнализирует костям о потребности в выделении дополнительного количества кальция. Если возникает избыток, щитовидная железа продуцирует кальцитонин, который служит маркером необходимости закрепления лишнего кальция в костной ткани.
Объем жидкости
Вода является основой всех жидкостей организма, нужна для множества процессов его жизнедеятельности и постоянно уходит с различными выделениями. Чтобы не потерять ее слишком много, выделяется антидиуретический гормон, который «приказывает» почкам синтезировать меньше жидкости. В обратной ситуации на эти органы влияет альдостерон, и количество выделений увеличивается.
