Определение гомеостаза. Уровни его организации и механизмы регуляции

Живые организмы находятся в постоянном контакте со средой обитания. Характеристики (показатели) среды обитания все время меняются. Организм приспосабливается (адаптируется) к ним, сохраняя постоянство своей морфологии, физиологии, физико-химических параметров клеток, тканей, тканевой жидкости и крови.

Свойство живых систем поддерживать относительное постоянство своей внутренней среды и главные черты своей организации в изменяющихся условиях окружающей среды называется гомеостазом. Термин «гомеостаз» (греч. homois – одинаковый; stasis – неподвижность) ввел в биологию американский физиолог У. Кеннон (W. Cannon) в 1932 году.

Механизмы гомеостаза обеспечивают терморегуляцию, регуляцию уровня кровяного давления в организме и концентрацию ионов в тканевых жидкостях. В поддержании гомеостаза участвуют:

1. Вещества, обеспечивающие потребности клетки (белки, жиры, углеводы, кислород, неорганические соединения и другие).

2. Окружающие факторы, влияющие на клеточную активность (осмотическое давление, температура, концентрация водородных ионов).

3. Механизмы, обеспечивающие структурное и функциональное единство организма (наследственность, регенерация и репарация, иммунобиологическая реактивность).

С позиций кибернетики, науки об управлении, живой организм – это система взаимодействия входных (стимул, раздражитель, причина) и выходных (эффект, реакция, ответ) переменных (рисунок 61). Система – совокупность элементов, удовлетворяющих определенному закону поведения. В основе функционирования системы лежит регистрация отклонений переменных на выходе в зависимости от поступающей информации на входе. При этом поведение системы изменяется в соответствии с информацией, поступающей на управляющий блок по каналам обратной связи. 

Положительная обратная связь усиливает действие входных переменных. Эта связь приводит к нестабильности системы и экстремальным состояниям. Отрицательная обратная связь – ослабляет действие входных переменных. В живых организмах наиболее распространена отрицательная обратная связь, повышающая стабильность системы. 

Рисунок 61 – Схема строения организма с позиций кибернетики

Уровни гомеостаза:

- молекулярно-генетический: репарация молекул ДНК, регуляция работы оперона и транскриптона;

- клеточный, тканевой, органный: процессы регенерации (кристы митохондрий, миофибриллы, цистерны комплекса Гольджи, увеличение числа органоидов, деление клеток, изменения клеток и межклеточного вещества);

- организменный: нейро-гуморальная регуляция и организующая роль нервной системы;

- популяционно-видовой: действие закона Харди-Вайнберга;

- биоценотический: саморегуляция численности популяций;

- биосферный: обеспечивает динамическое равновесие живых систем с окружающей средой с помощью трофических связей (цепей питания) и круговорота веществ в природе.

Адаптация биологической системы к изменившимся условиям внутренней или внешней среды в своей основе имеет «метаболическую адаптацию» – количественные изменения обменных процессов в клетках.

Обеспечение постоянства внутренней среды организма и непрерывного приспособления к постоянно меняющимся внешним условиям происходит благодаря деятельности нервной и эндокринной систем. Нервная система обеспечивает быстрые изменения состояния организма. Влияние гормонов происходит медленнее, но сохраняется дольше (рисунок 62).

Рисунок 62 – Схема нейро-гуморальных механизмов гомеостаза

Иммунные механизмы гомеостаза – это защита организма от чужеродной генетической информации (вирусов, бактерий, протистов, гельминтов, белков и измененных клеток самого организма). Осуществляется иммунной системой состоящей из тимуса (вилочковой железы), селезенки, лимфатических узлов, красного костного мозга.

На необычные и сильные воздействия внешней среды организм отвечает стресс-реакцией (стрессом), которая изменяет состояние большинства систем органов. В стресс-реакцию включаются: кора головного мозга, гипоталамус, гипофиз, надпочечники (выделяют адреналин).

Стадии стресс-реакции следующие:

- мобилизация защитных механизмов,

- повышение сопротивляемости организма,

- истощение защитных механизмов.

1-е и 2-е звенья сохраняют механизмы гомеостаза, проявление процессов 3-его звена вызывает срыв механизмов гомеостаза и развитие патологических изменений в организме.

Механизмы гомеостаза максимально надежны в зрелом возрасте. В детском возрасте и в процессе старения их эффективность снижается и в этот период онтогенеза уменьшается общая сопротивляемость организма действию неблагоприятных факторов среды.