Саморегуляция в биологии - это... Концепция саморегуляции живых систем

Саморегуляция в биологии — это одно из важнейших свойств живой системы, заключающееся в автоматической установке и поддержке определенного уровня необходимых для нормального функционирования параметров. Суть процесса в том, что никакие внешние воздействия не становятся управляющими. Руководящие изменениями факторы формируются внутри саморегулирующейся системы и способствуют созданию динамического равновесия. Возникающие при этом процессы могут носить циклический характер, затухая и возобновляясь по мере складывания или исчезновения определенных условий.

Саморегуляция: значение биологического термина

Любая живая система, начиная от клетки и заканчивая биогеоценозом, постоянно подвергается воздействию извне разнообразных факторов. Меняются температурные условия, влажность, заканчивается пища или ужесточается межвидовая конкуренция — примеров можно привести массу. При этом жизнеспособность любой системы зависит от ее умения поддерживать постоянство внутренней среды (гомеостаз). Именно для достижения подобной цели и существует саморегуляция. Определение понятия подразумевает, что изменения внешней среды не являются непосредственными факторами воздействия. Они преобразуются в сигналы, которые вызывают тот или иной дисбаланс и приводят к запуску механизмов саморегуляции, призванных вернуть систему в устойчивое состояние. На каждом уровне подобное взаимодействие факторов выглядит по-своему, поэтому для понимания того, что такое саморегуляция, остановимся на них подробнее.

Уровни организации живой материи

Современное естествознание придерживается концепции, согласно которой все природные и общественные объекты являются системами. Они состоят из отдельных элементов, постоянно взаимодействующих по некоторым законам. Живые объекты не исключение из этого правила, они также являются системами со своей внутренней иерархией и многоуровневой структурой. Причем строение это имеет одну интересную особенность. Каждая система может одновременно представлять собой элемент вышестоящего уровня и являться совокупностью (то есть все той же системой) уровней более низкого порядка. Например, дерево — элемент леса и одновременно многоклеточная система.

Для того чтобы избежать путаницы, в биологии принято рассматривать четыре основных уровня организации живого:

• молекулярно-генетический;
• онтогенетический (организменный — от клетки до человека);
• популяционно-видовой;
• биогеоценотический (уровень экосистемы).

Методы саморегуляции

Процессы, протекающие на каждом из этих уровней, внешне отличаются масштабностью, используемыми источниками энергии и своими результатами, но схожи по сути. В основе них лежат одинаковые методы саморегуляции систем. Прежде всего это механизм обратной связи. Она возможна в двух вариантах: положительная и отрицательная. Напомним, что прямая связь предполагает передачу информации от одного элемента системы к другому, обратная протекает в противоположном направлении, от второго к первому. При этом и та и другая изменяет состояние принимающего компонента.

Положительная обратная связь приводит к тому, что процессы, о которых первый элемент сообщал второму, закрепляются и продолжают осуществляться. Подобный процесс лежит в основе любого роста и развития. Второй элемент постоянно сигнализирует первому о необходимости продолжать одни и те же процессы. При этом нарушается стабильность системы.

Основной механизм

Иначе работает отрицательная обратная связь. Она приводит к появлению новых изменений, противоположных тем, о которых первый элемент сообщал второму. В результате устраняются и завершаются процессы, нарушившие равновесие, и система вновь становится стабильной. Простая аналогия — работа утюга: определенная температура является сигналом для выключения нагревательного элемента. Отрицательная обратная связь лежит в основе всех процессов, связанных с поддержанием гомеостаза.

Всеобъемлемость

Саморегуляция в биологии — это процесс, пронизывающий все названные уровни. Цель его — сохранение динамического равновесия, постоянства внутренней среды. Из-за всеохватности процесса в центре очень многих разделов естествознания лежит саморегуляция. В биологии это цитология, физиология животных и растений, экология. Каждая из дисциплин занимается отдельным уровнем. Рассмотрим, что такое саморегуляция, на основных ступенях организации живого.

Внутриклеточный уровень

В каждой клетке для поддержания устойчивого равновесия внутренней среды в основном используются химические механизмы. Среди них главную роль в регуляции играют управление генами, от которых зависит производство белков.

Цикличный характер протекания процессов легко проследить на примере ферментативных цепей, подавляемых конечным продуктов. Цель деятельности подобных образований в переработке сложных веществ в более простые. При этом конечный продукт по своему строению схож с первым ферментом в цепи. Это свойство играет ключевую роль в поддержании гомеостаза. Продукт связывается с ферментом и подавляет его активность в результате сильного изменения структуры. Происходит это только после превышения концентрацией конечного вещества допустимого уровня. В результате прекращается процесс ферментации, а уже готовый продукт используется клеткой на собственные нужды. Спустя какое-то время уровень вещества падает ниже допустимого значения. Это сигнал для запуска ферментации: белок отсоединяется от фермента, подавление процесса прекращается и все начинается сначала.

Возрастающая сложность

Саморегуляция в природе всегда основывается на принципе обратной связи и в целом протекает по схожему сценарию. Однако на каждом следующем уровне появляются факторы, усложняющие процесс. Для клетки важно постоянство внутренней среды, сохранение определенного значения концентрации различных веществ. На следующем уровне процесс саморегуляции призван решать гораздо больше задач. Поэтому у многоклеточных организмов появляются целые системы, поддерживающие гомеостаз. Это органы дыхания, выделения, кровообращения и им подобные. Изучение эволюции животного и растительного мира легко дает понять, как по мере усложнения строения и внешних условий совершенствовались механизмы саморегуляции.

Организменный уровень

Лучше всего постоянство внутренней среды поддерживается у млекопитающих. Основы развития саморегуляции и ее осуществления — это нервная и гуморальная система. Постоянно взаимодействуя, они контролируют происходящие в организме процессы, способствуют созданию и поддержанию динамического равновесия. В головной мозг поступают сигналы от нервных волокон, присутствующих в каждом участке тела. Сюда же стекается информация от эндокринных желез. Взаимосвязь нервной и гормональной регуляции способствует часто практически мгновенной перестройке протекающих процессов.

Обратная связь

Работу системы можно проследить на примере поддержания артериального давления. Все изменения этого показателя улавливают специальные рецепторы, располагающиеся на сосудах. Увеличение или понижение давления влияет на растяжении стенок капилляров, вен и артерий. Именно на эти изменения и реагируют рецепторы. Сигнал передается в сосудистые центры, а от них исходят «указания», как скорректировать тонус сосудов и сердечную деятельность. Подключается и система нейрогуморальной регуляции. В результате давление возвращается к норме. Легко заметить, что в основе слаженной работы системы регуляции лежит все тот же механизм обратной связи.

Во главе всего

Саморегуляция, определение тех или иных корректив в деятельности организма, лежит в основе всех изменений тела, его реакций на внешние стимулы. Стрессовое воздействие и постоянные нагрузки могут привести к гипертрофии отдельных органов. Примером этого служат развитые мышцы спортсменов и увеличенные легкие любителей фридайвинга. Стрессовым воздействием часто является болезнь. Гипертрофия сердца — нередкое явление у людей с диагнозом ожирение. Это ответ организма на необходимость увеличения нагрузки по прокачиванию крови.

Механизмы саморегуляции лежат и в основе физиологических реакций, возникающих при испуге. В кровь выбрасывается большое количество гормона адреналина, что вызывает ряд изменений: повышение потребления кислорода, увеличение количества глюкозы, учащение сердечного ритма и мобилизация мышечной системы. При этом общий баланс поддерживается за счет погашения активности других компонентов: замедляется пищеварение, пропадают половые рефлексы.

Динамическое равновесие

Нужно отметить, что гомеостаз, на каком бы уровне он ни сохранялся, не бывает абсолютном. Все параметры внутренней среды поддерживаются в пределах некоторого отрезка значений и постоянно колеблются. Поэтому говорят о динамическом равновесии системы. Важно при этом, чтобы значение конкретного параметра не выходило за пределы так называемого коридора колебаний, иначе процесс может стать патологическим.

Устойчивость и саморегуляция экосистемы

Биогеоценоз (экосистема) состоит из двух взаимосвязанных структур: биоценоза и биотопа. Первый представляет собой всю совокупность живых существ данного ареала. Биотоп — это факторы неживой среды, где обитает биоценоз. Условия среды, постоянно воздействующие на организмы, делятся на три группы:

• абиотические экологические факторы: температура, свет, влажность и прочие элементы неживой природы;
• биотические экологические факторы: влияние одних организмов на другие, разделяются на конкуренцию, симбиоз, паразитизм и хищничество;
• антропогенные экологические факторы — воздействие человека.

Сохранение гомеостаза означает благополучие организмов в условиях постоянного воздействия внешней среды и изменяющихся внутренних факторов. Поддерживающая биогеоценоз саморегуляция в первую очередь основывается на системе трофических связей. Они представляют собой относительно замкнутую цепочку, по которой течет энергия. Продуценты (растения и хемобактерии) получают ее от Солнца или в результате химических реакций, создают с ее помощью органическое вещество, которым питаются консументы (травоядные, хищники, всеядные) нескольких порядков. На последнем этапе цикла находятся редуценты (бактерии, некоторые виды червей), которые разлагают органическое вещество на составные элементы. Они снова вводятся в систему в виде пищи для продуцентов.

Постоянство цикла обеспечивается тем, что на каждом уровне располагается несколько видов живых существ. При выпадении из цепочки кого-то из них происходит замена на схожий по своим функциям.

Внешнее воздействие

Поддержание гомеостаза сопровождается постоянным воздействием извне. Меняющиеся вокруг экосистемы условия приводят к необходимости корректировки внутренних процессов. Выделяют несколько критериев устойчивости:

• высокий и сбалансированный репродуктивный потенциал особей;
• адаптации отдельных организмов к меняющимся условиям среды;
• видовое разнообразие и разветвленные пищевые цепи.

Эти три условия способствуют поддержанию экосистемы в состоянии динамического равновесия. Таким образом, на уровне биогеоценоза саморегуляция в биологии — это воспроизведение особей, сохранение численности и устойчивость к факторам внешней среды. При этом, как в случае с отдельным организмом, равновесие системы не может быть абсолютным.

Концепция саморегуляции живых систем распространяет описанные закономерности и на человеческие сообщества и общественные институты. Широко используются ее принципы и в психологии. По сути, это одна из фундаментальных теорий современного естествознания.