Учебник. Гомеостаз

Организм является физико-химической средой, физиологические параметры которой (температура, содержание воды, кислорода в крови и пр.) должны поддерживаться в достаточно узком диапазоне значений. Совокупность механизмов, поддерживающих неизменность внутренней среды, носит название гомеостаза.

Общая схема системы управления

Регуляторные механизмы живых организмов часто рассматривают в терминах теории управления. Простые биологические системы управления состоят из трёх частей: детектора, обнаруживающего расхождение контролируемого параметра с требуемым значением, регулятора,  включающего  ответную реакцию организма, и эффектора – органа, на который эта реакция направлена. Результатом воздействия на эффектор является приведение в норму контролируемого параметра; при этом детектор фиксирует отсутствие расхождения и действие на эффектор прекращается. В подобных случаях говорят, что реализована отрицательная обратная связь: возникающее отклонение запускает механизм, который сводит это отклонение к нулю. Можно сказать, что отрицательная обратная связь повышает стабильность системы.

Если нужно, чтобы возникающее отклонение ещё более усиливалось, то в регуляционных системах используется положительная обратная связь. Этот тип связи нестабилен, поэтому он действует в сочетании с отрицательной связью, ограничивающей возмущение, когда оно достигает экстремальных параметров.

Более сложные системы регуляции используют дополнительные детекторы (например, чтобы предупредить об экстремальной ситуации заранее) или эффекторы (на случай отказа работы основных).

Регуляция в организмах может существовать на уровне клеток и тканей. Для простейших окружение клетки является внешней средой, которую они никак не могут регулировать. У большинства многоклеточных клетки находятся во внутренней среде (тканевая жидкость, гемолимфа и т. п.), которая может регулироваться, обеспечивая более подходящие условия для функционирования клеток.

Общая схема регуляции дыхательных процессов

Частота и глубина дыхания регулируются импульсами от хеморецепторов, возникающими в ответ на изменение содержания кислорода и углекислого газа в крови. Эти импульсы поступают в дыхательные центры головного мозга, которые, в свою очередь, изменяют частоту нервных импульсов, идущих к диафрагме и межрёберным мышцам. Высшие центры головного мозга также могут контролировать дыхательные движения, усиливая или подавляя активность дыхательных центров, например, при разговоре, чихании, преднамеренной задержке дыхания.

Усиленное или ослабленное сердцебиение (тахикардия и брахикрадия, соответственно) изменяет состав тканевой жидкости. Восстановление нормального сердечного ритма производится при помощи нервной системы, воздействующей на синоатриальный узел.

Общая схема регуляции глюкозы в крови

Глюкоза является главным субстратом тканевого дыхания и должна непрерывно поступать в клетки (особенно в клетки головного мозга). Её недостаток вызывает потерю сознания. Уровень глюкозы в крови регулируется сложной системой при участии шести различных гормонов.

Многие элементы иммунной системы являются по сути регуляторными, так как направлены на сохранение постоянства внутренней среды.

Одним из важнейших регуляторов в теле человека является печень, весящая несколько килограммов. Печень находится под диафрагмой и окружена снаружи формирующей её оболочкой. Внутри оболочки имеется большое количество клеток печени – гепатоцитов, а также нервные, кровеносные и лимфатические сосуды. Двойное кровоснабжение и большая масса дают возможность находиться в печени ежесекундно около 20 % всей крови. Благодаря этому печень может хранить в себе питательные и минеральные вещества, синтезировать различные вещества, а также расщеплять отходы жизнедеятельности перед экскрецией. Всего насчитывают несколько сотен различных функций печени.

Слон охлаждается, обливая себя водой

Очень важное значение для организма имеет поддержание постоянного теплового режима (температуры тела). В живых системах температура тела влияет на скорость биохимических реакций; от температуры в большой степени зависит распространение организмов и их активность.

У растений температура лимитирует скорость фотосинтеза. Количество питательных веществ, которые накапливаются растением для завершения жизненного цикла, также определяется местным климатом. Растения умеренной зоны и тундры переносят зиму, образуя холодостойкие семена или подземные органы. Древесные растения здесь листопадные или хвойные, что уменьшает потерю влаги при её недостатке в холодные месяцы. Растения, живущие при высоких температурах, увеличивают площадь листьев, чтобы за счёт испарения регулировать внутреннюю температуру. Ксерофиты (растения пустынных зон) имеют характерные игловидные листья, позволяющие эффективно рассеивать тепло, не тратя при этом слишком много воды.

Характерное строение листьев кактуса помогает ему сохранять воду

Температура тела водных животных обычно совпадает с температурой воды. В связи с большой теплоёмкостью последней колебания температуры тела у них очень невелики. Животные, переселившиеся на сушу, вынуждены были выработать большое количество приспособлений к суточным температурным колебаниям.

Поддерживая свою жизнедеятельность, животные должны предпринимать некоторые усилия, чтобы сохранить температурный баланс. Способы теплообмена можно разделить на четыре типа: излучение, конвекция, теплопроводность, испарение. У наземных животных около половины теплоотдачи приходится на излучение, но у водных животных велика доля теплопроводности. Конвекция сильно зависит от окружающего воздуха и может быть уменьшена за счёт покрытия кожи – перьев, волос, одежды.

Большинство животных не способны поддерживать температуру тела в узких границах. Их называют экзотермными, т.е. использующими внешние источники тепла (широко использовавшееся ранее название  холоднокровные  лучше не употреблять, так как оно не точно). Основными способами терморегуляции у экзотермных животных являются изменение положения тела по отношению к солнечным лучам и нагретой поверхности (земле), изменение окраски и площади поверхности тела, регуляция испарения воды (например, за счёт открывания пасти).

Птицы и млекопитающие способны поддерживать постоянную температуру независимо от окружающей среды; их называют эндотермными (термин  теплокровные  считается устаревшим). В отличие от экзотермных, эндотермные животные существуют за счёт внутренних источников тепла. Температура может регулироваться как через поверхность тела (кожу), так и благодаря внутренним резервам тепла.

Общая схема регуляции температуры тела у млекопитающих

 Регуляторным центром  температуры является гипоталамус. Он следит за температурой крови, а благодаря 150 000 холодовых и 16 000 тепловых рецепторов, разбросанных по коже, – и за внешней температурой. Можно сказать, что гипоталамус является термостатом, поддерживающим постоянную температуру тела. При некоторых заболеваниях он «перенастраивается»; температура тела повышается. Аспирин и другие жаропонижающие препараты вызывают обратный эффект.

Производство организмом тепла зависит от объёма его тела, а теплоотдача – от площади поверхности. Животные, живущие в холодных краях, как правило, имеют большие размеры (киты, тюлени) и меньшее количество выступов на теле, способных отводить тепло. Впрочем, из этого правила существует достаточно много исключений; так, африканский слон – одно из самых крупных наземных животных – имеет большие уши, при помощи которых понижает температуру тела, а бегемот с аналогичной целью залезает в воду.

Регуляция кровотока в коже

При низкой температуре многие животные не способны поддерживать нормальную активность и впадают в спячку. У других животных развиты различные приспособления, позволяющие выдерживать холод: мех или перья, мощные жировые прослойки под кожей, противоточный теплообменник (перед тем, как дойти до кожи, тёплая артериальная кровь проходит мимо венозной и охлаждается, за счёт чего уменьшается теплоотдача во внешнюю среду). При высокой температуре животные переходят в места с более низкими температурой (например, в тень) и влажностью (туда, где дует ветер); кроме того, у обитателей стран с жарким климатом усиливаются процессы испарения. В пустыне, где важно не только охладиться, но и сохранить воду, животные обычно имеют небольшие размеры и живут в норах, где микроклимат более благоприятен.