Гомеостаз — любой саморегулирующийся процесс, с помощью которого биологические системы устремляются к поддержанию внутренней стабильности, приспосабливаясь к оптимальным для выживания условиям. Если гомеостаз успешен, то жизнь продолжается; в противном случае, произойдет бедствие или смерть. Достигнутая стабильность фактически является динамическим равновесием, в котором происходят непрерывные изменения, но преобладают относительно однородные условия.

Особенности и роль гомеостаза

Любая система в динамическом равновесии желает достичь устойчивого состояния, баланса, который противостоит внешним изменениям. Когда такая система нарушена, встроенные регулирующие устройства реагируют на отклонения, чтобы установить новый баланс. Такой процесс является одним из элементов управления с обратной связью. Примерами гомеостатической регуляции являются все процессы интеграции и координации функций, опосредованные электрическими цепями и нервными или гормональными системами.

Другим примером гомеостатической регуляции в механической системе является действие регулятора комнатной температуры или термостата. Сердцем термостата является биметаллическая полоса, которая реагирует на изменения температуры, завершая или нарушая электрическую цепь. Когда помещение охлаждается, то контур завершается и включается обогрев, а температура поднимается. На заданном уровне цепь прерывается, печь останавливается, и температура падает.

Однако биологические системы, имеющие большую сложность, обладают регуляторами, которые сложно сравнивать с механическими устройствами.

Как отмечалось ранее, термин гомеостаз относится к поддержанию внутренней среды тела в узких и жестко контролируемых пределах. Основными функциями, важными для поддержания гомеостаза, являются баланс жидкости и электролита, регулирование кислотной среды, терморегуляция и метаболический контроль.

Контроль температура тела у людей считается отличным примером гомеостаза в биологической системе. Нормальная температура тела человека составляет около 37° C, но различные факторы могут влиять на этот показатель, включая гормоны, скорость метаболизма и болезни, приводящие к чрезмерно высоким или низким температурам. Регулирование температуры тела контролируется областью мозга, называемой Гипоталамус.

Обратная связь о температуре тела переносится через кровоток в мозг и приводит к компенсационным корректировкам в скорости дыхания, уровне сахара в крови и скорости метаболизма. Потеря тепла у людей обеспечивается уменьшением активности, потоотделением и механизмами теплообмена, которые позволяют большему количеству крови циркулировать вблизи поверхности кожи.

Снижение потерь тепла осуществляется за счет изоляции, уменьшения циркуляции на коже и культурных изменений, таких как использование одежды, жилья и сторонних источников тепла. Диапазон между высокими и низкими уровнями температуры тела составляет гомеостатическое плато — «нормальный» диапазон, который поддерживает жизнь. По мере приближения к любой из двух крайностей, корректирующее действие (через отрицательную обратную связь) возвращает систему в нормальный диапазон.

Концепция гомеостаза также применяется к экологическим условиям. Впервые предложенная американским экологом Робертом Макартуром в 1955 году идея, что гомеостаз в экосистемах является продуктом сочетания биоразнообразия и большого количества экологических взаимодействий, происходящих между видами.

Такое предположение считалось концепцией, которая могла бы помочь объяснить устойчивость экологической системы, то есть ее сохранение как определенного типа экосистемы с течением времени. С тех пор концепция несколько изменилась, и включила неживую составляющую экосистемы. Этот термин использовался многими экологами для описания взаимности, которая происходит между живыми и неживыми составляющими экосистемы для поддержания статус-кво.

Гипотеза Геи — модель Земли, предложенная английским ученым Джеймсом Лавлоком, которая рассматривает различные живые и неживые составляющие, как компоненты более крупной системы или единого организма, делая предположение, что коллективные усилия отдельных организмов вносят вклад в гомеостаз на планетарном уровне.

Клеточный гомеостаз

Клетки зависят от среды тела, чтобы сохранять жизнеспособность и правильно функционировать. Гомеостаз поддерживает среду тела под контролем и сохраняет благоприятные условия для клеточных процессов. Без правильных условий тела определенные процессы (к примеру, осмос) и белки (к примеру, ферменты) не будут функционировать должным образом.

Почему гомеостаз важен для клеток? Живые клетки зависят от движения химических веществ вокруг них. Химические вещества, такие как кислород, углекислый газ и растворенная пища, необходимо транспортировать в клетки и из них. Это осуществляется процессами диффузии и осмоса, зависящих от баланса воды и соли в теле, которые поддерживаются гомеостазом.

Клетки зависят от ферментов, чтобы ускорить многие химические реакции, поддерживающие жизнедеятельность и функциональность клеток. Эти ферменты работают лучше всего при определенных температурах, и поэтому снова гомеостаз жизненно важен для клеток, поскольку он поддерживает постоянную температуру тела.

Примеры и механизмы гомеостаза

Вот несколько основных примеров гомеостаза в теле человека, а также поддерживающие их механизмы:

Температура тела

Наиболее распространенным примером гомеостаза у людей является регулирование температуры тела. Нормальная температура тела, как мы писали выше составляет 37° C. Температура выше или ниже нормальных показателей может вызывать серьезные осложнения.

Мышечная недостаточность возникает при температуре 28° C. При 33° C происходит потеря сознания. При температуре 42° C центральная нервная система начинает разрушаться. Смерть наступает при температуре 44° C. Тело контролирует температуру путем выработки или высвобождения избыточного тепла.

Концентрация глюкозы

Концентрация глюкозы относится к количеству глюкозы (сахара в крови), присутствующего в кровотоке. Организм использует глюкозу в качестве источника энергии, но ее избыток или недостаток может вызвать серьезные осложнения. Некоторые гормоны осуществляют регулирования концентрации глюкозы в крови. Инсулин снижает концентрацию глюкозы, в то время как кортизол, глюкагон и катехоламины увеличивают.

Уровни кальция

Кости и зубы содержат приблизительно 99% кальция в организме, в то время как оставшийся 1% циркулируют в крови. Слишком большое или недостаточное содержание кальция в крови имеют негативные последствия. Если уровень кальция в крови слишком сильно снижается, паращитовидные железы активируют свои рецепторы, чувствительные к кальцию, и высвобождают паратиреоидный гормон.

ПТГ сигнализирует костям он необходимости высвобождения кальция, чтобы увеличить его концентрацию в кровотоке. Если уровень кальция увеличивается слишком сильно, щитовидная железа высвобождает кальцитонин и фиксирует избыток кальция в костях, тем самым уменьшая количество кальция в крови.

Объем жидкости

Тело должно поддерживать постоянную внутреннюю среду, а это означает, что ему необходимо регулировать потерю или восполнение жидкости. Гормоны помогают регулировать этот баланс, вызывая экскрецию или удерживание жидкости. Если организму не хватает жидкости, антидиуретический гормон сигнализирует почкам о сохранении жидкости и уменьшает выход мочи. Если организм содержит слишком много жидкости, он подавляет альдостерон и сигнализирует о выделении большего количества мочи.

Понравилась статья? Поделись с друзьями:

Источник: NatWorld.info

Гомеостаз (гр. То же состояние) – способность биологических систем к саморегуляции при изменении условий окружающей среды; для организма сохранение постоянства внутренней среды организма и устойчивость основных физиологических функций при изменении внешних условий. Поддержание гомеостаза – непременное условие существования как отдельных клеток и организмов, так и целых биологических сообществ и экосистем.

Концепция гомеостаза экосистемы в экологии была разработана Ф. Клементсом (1949). Равновесие в экосистемах поддерживается процессами с обратной связью.  Гомеостаз это способность популяции или экосистемы поддерживать устойчивое динамическое равновесие в изменяющихся условиях среды. В гомеостазе (устойчивости) живых систем выделяют:

1.Выносливость (живучесть, толерантность способность переносить изменения среды без нарушения основных свойств системы;

2.Упругость (резистентность, сопротивляемость) — способность быстро самостоятельно возвращаться в нормальное состояние из неустойчивого, которое возникло в результате внешнего неблагоприятного воздействия на систему.

         Понятие гомеостаз широко используется в экологии для характеристики устойчивости различных систем. Гомеостаз клетки определяется специфическими физикохимическими условиями, отличными от условий внешней среды. Гомеостаз многоклеточного организма —обусловлен поддержанием постоянства внутренней среды. Константами гомеостаза животных являются объем, состав крови и других жидкостей организма.

         Гомеостаз популяции определяется поддержанием пространственной структуры, плотности и генетического разнообразия. Вследствие гомеостатической регуляции поддерживается постоянство состава и численности популяций в сообществах. На уровне экосистем гомеостаз проявляется в наиболее устойчивых формах взаимодействия между видами, что выражается в приспособленности к особенностям среды и поддержании циклов круговорота биогенов. Можно рассматривать даже гомеостаз биосферы, в которой взаимодействие разнообразных организмов поддерживает постоянство газового состава атмосферы, состав почв, состава и концентрации солей мирового океана и др.

         Гомеостаз обеспечивается работой механизмов регулирования, действующих по принципу отрицательной обратной связи.
гда нарушения  в функционировании живой системы, используя кибернетические термины, следует констатировать как появление в канале обратной связи «помех» или «шумов». Роль помех могут играть различные факторы, например погодные условия, деятельность человека и т. п. Резкие изменения характеристик окружающей среды, при которых они (или одна из них) выходят за границы допустимого, называют экологическим стрессом. Безусловно, конкретные механизмы регулирования различны для клетки организма, популяции экосистемы, но всегда результатом саморегуляции и поддержания гомеостаза является сбалансированность и четкая согласованность  функционирования всех элементов биологической системы.

В сервомеханизмах и в отдельных организмах механический или анатомический регуляторы имеют специфическую «постоянную точку». Например, при регулировке температуры в помещении терморегулятор управляет печью. У теплокровных животных регуляция температуры тела осуществляется специальным центром в мозгу. В экосистемах в результате взаимодействия круговорота веществ, потоков энергии и сигналов обратной связи от субсистем возникает саморегулирующийся гомеостаз без регуляции извне из «постоянной точки». В число управляющих механизмов на уровне экосистемы входят, например, такие субсистемы, как микробное население, регулирующее накопление и высвобождение биогенных элементов.

Субсистема «хищник жертва» (волки зайцы) также регулирует плотность: популяций и хищника, и жертвы.
йствуют и многие другие механизмы. Рассмотрим простейшую экосистему: заяцрысь, состоящую из двух трофических уровнях. Когда численность зайцев невелика, каждый из них может найти достаточно пищи и удобных укрытий для себя и своих детёнышей. Т.е. сопротивление среды невысоко, и численность зайцев увеличивается несмотря на присутствие хищника. Изобилие зайцев облегчает рыси охоту и выкармливание детёнышей. В результате численность хищника также возрастает. В этом проявляется обратная положительная связь.
         Однако с ростом численности зайцев уменьшается количество корма, убежищ и усиливается хищничество, т.е. усиливается сопротивление среды. В результате численность зайцев снижается. Охотиться хищникам становится труднее, они испытывают нехватку пищи и их численность падает. В этом проявляется обратная отрицательная связь, которая компенсирует отклонения и возвращает экосистему в исходное состояние. Подобные колебания происходят периодически вокруг некого среднего уровня.   

Рост, снижение и постоянство популяции зависит от соотношения между биотическим потенциалом и сопротивлением среды.    Принцип изменения популяции: это результат нарушения равновесия между биотическим потенциалом и сопротивлением окружающей её среды.    Подобное равновесие является динамическим, т.е. непрерывно регулирующимся, т.к. факторы сопротивления среды редко подолгу остаются неизменными.
         Например: в один год численность популяции снизилась изза засухи, а в следующий год полностью восстановилась при обильных дождях. Подобные колебания продолжаются неопределённо долго.

Равновесие в экосистемах обеспечивается избыточностью организмов, выполняющих одинаковые функции.

         Например, если в сообществе имеется несколько видов растений, каждое из которых развивается в своем температурном диапазоне, то скорость фотосинтеза экосистемы в течение длительного времени может оставаться почти неизменной. При возрастании стресса система может оказаться неспособной возвратиться на прежний уровень, хотя и остается управляемой.Для экосистем возможно не одно, а несколько состояний равновесия. После стрессовых воздействий они часто возвращаются в другое, новое, состояние равновесия.

Например, огромное количество СО2, поступающего в атмосферу в результате деятельности человека, поглощается буферной карбонатной системой океана и автотрофами:

СО2 + СаСО 3+ Н2О  Са(НСО3)2   

 Свет

СО 2 + Н2О          (СН2О)n + О2

         По мере увеличения притока СО2 буферная емкость биосферы может оказаться недостаточной, и в атмосфере установится новое равновесие между СО2 и О2 .
этом случае даже очень небольшие изменения могут иметь далеко идущие последствия. должна происходить эволюционная подгонка, чтобы вновь появился надежный гомеостатический контроль. Кроме рассмотренных, имеют место и многие другие механизмы, обеспечивающие гомеостаз и стабильность экосистем. Так, например, способность популяции адаптироваться к новым условиям среды зависит от степени гетерозиготности (гр. слияние), т е. генетического процесса слияния разнокачественных хромосом мужских и женских клеток. Конкуренция тоже является механизмом гомеостаза.
         Равновесие понятие относительное. Иногда амплитуда отклонений мала, иногда значительна, но пока сократившаяся популяция способна восстановить прежнюю численность, она существует.    Равновесие в природных системах зависит от плотности популяции, т.е. числа особей на единицу площади.
Если плотность популяции растёт сопротивление среды увеличивается, в связи, с чем увеличивается смертность и рост численности прекращается. И, наоборот, с уменьшением плотности популяции сопротивление среды ослабевает и восстанавливается прежняя численность.    Воздействие человека на природу часто приводит к вымиранию популяции, т.к. не зависит от плотности популяции.
         Разрушение экосистем, загрязнение окружающей среды одинаково влияют на популяции, как с низкой, так и высокой плотностью.    Кроме того, биотический потенциал зависит от критической численности популяции. Если численность популяции (оленей, птиц или рыб) падает ниже этой величины, гарантирующей воспроизводство, биотический потенциал стремится к нулю и вымирание неизбежно.    Существование может быть поставлено под угрозу, даже когда множество представителей вида живы, но живут в домашних условиях, т.е. изолированы друг от друга (попугаи).

Стабильность экосистем в экологии означает свойство любой системы возвращаться в исходное состояние после того, как она была выведена из состояния равновесия. Стабильность определяется устойчивостью экосистем к внешним воздействиям. Выделяют два типа устойчивости: резистентную и упругую.

Резистентная устойчивость (лат. сопротивляемость) это способность экосистемы сопротивляться нарушениям, поддерживая неизменными свою структуру и функцию.

Упругая устойчивость способность системы быстро восстанавливаться после нарушения структуры и функции.

Системе трудно одновременно развить оба типа устойчивости: они связаны обратной связью, а иногда исключают друг друга (рис. 2.9).

         Например, калифорнийский лес из секвойи устойчив к пожарам (высокая резистентная устойчивость), но если сгорит, то восстанавливается очень медленно или вовсе не восстанавливается (низкая упругая устойчивость). Заросли вереска очень легко выгорают (низкая резистентная устойчивость), но быстро восстанавливаются (высокая упругая устойчивость).

         Человек самое могущественное существо, способное изменять функционирование экосистем. Человеческий мозг до сих пор опирался в основном на положительную обратную связь, управляя природой и властвуя над ней. Это привело к развитию техники и росу эксплуатации ресурсов. Но этот процесс в конце концов приведет к снижению качества человеческой жизни и разрушению окружающей среды, если не будут найдены пути адекватного управления с помощью отрицательной обратной связи.

         Человек относится к гетеротрофам; несмотря на все совершенство техники, он нуждается в ресурсах жизнеобеспечения, т. е. воздухе, воде, пище, различных видах энергии. Существование человека возможно только при сохранении регулирующих механизмов, которые позволяют биосфере приспособиться к некоторым антропогенным воздействиям. Стремясь снизить уровень загрязнения окружающей среды человек должен в равной степени стремиться к сохранению механизмов саморегуляции, поддерживающих естественные системы жизнеобеспечения планеты, т. е. к сохранению установившегося в природе экологического равновесия, что не всегда достигается только снижением уровня загрязнения и экономным использованием природных ресурсов.

 

Источник: www.soullife.info

Понятие и история термина и учения

Способность единичного организма, в том числе и самого примитивного, и целых биологических систем к саморегулированию при изменении условий существования и под влиянием этих условий называется гомеостаз экосистемы. Системой, в данном случае, можно назвать существование даже примитивного организма, так как для его жизни необходимо соблюдение целого ряда внутренних взаимосвязанных условий: температуры, основных физиологических функций, внутренней среды и так далее.

Термин гомеостаз греческого происхождения и обозначает одинаковое или подобное состояние, неподвижность.

Для открытой системы – это такое качество, обладая которым она реагирует на внешние изменения и влияния, старается их преодолеть и стремится к устойчивости и равновесию.

О постоянстве внутренне среды, говорил еще в 1878 году французский ученый Клод Бернар. Впервые термин возник в книге «Мудрость тела» американского физиолога Уолтера Кеннона в 1932 году. Там этим термином обозначалась координация физиологических процессов для устойчивого состояния организма. Начало учению о гомеостазе экосистемы положил в 1949 году Ф. Клементс. В основу его учения легло утверждение о том, что равновесие в экосистемах достигается при взаимодействии противоположных процессов или обратной связью. Условия окружающей среды непостоянны. При их изменениях происходят перемены и в экосистеме. То есть она динамична. И когда экосистема находит способ реагировать на изменения и приспосабливается к ним, то сама регулирует процессы внутри себя и восстанавливается.

Сложность возникает лишь в случае вмешательства не абиотических факторов, а антропогенных. Когда в биосистемы вмешивается человек, то самостоятельный ее выход из «кризисных» условий, практически невозможен.

Основные признаки и обратная связь

Гомеостаз экосистемы обладает такими основными признаками: выносливость и устойчивость.

Выносливость или живучесть – это способность выдерживать и переносить изменения в окружающей среде, без нарушения основных свойств системы.

Второй признак – устойчивость, упругость, невосприимчивость – это качество, когда система готова быстро возвращаться из критического в нормальное и устойчивое состояние.

Форма проявления гомеостаза у одноклеточных организмов и у более сложных сходны. Сохранение внутренних свойств и процессов, которые отличны от внешних. У простых поддержание физико-химических условий, у других – состава крови и других жидкостей, объема и так далее. В целостной системе или популяции – удержание пространственной структуры, разнообразия генетического и полового, численности, плотности и так далее. Если подняться до уровня биосферы, то тут тоже необходимо поддержание состава и структуры почв, атмосферы, воды.

Проявляться эти признаки биосистемы начинают, когда возникает экологический стресс. То есть изменяется один или сразу несколько внешних факторов и условий существования живого организма. Это могут быть и погодные условия, и деятельность человека. С самого момента их возникновения, они активно и, как правило, негативно начинают влиять на систему. Под их воздействием происходит ответное реагирование системы или обратная связь. Конечно, биосистема не может воздействовать на окружающую среду, ее ответное реагирование заключается в саморегуляции, сбалансированности и согласованности функционирования всех элементов и внутренних процессов.

Однако, впоследствии и сама, приспособившись, может начинать воздействовать на другие, сопутствующие, соседние или сопряженные.

Таким образом, можно говорить еще об одном признаке экосистемы — стабильности. После выведения из привычного состояния, она вновь в него вернется.

Примеры

Наиболее типичным можно назвать пример взаимодействия смежных звеньев пищевой цепи, консументов – «хищника и жертвы». При благоприятных природных условиях, возрастает количество питательной массы. Например, растительной. Небольшая по численности популяция травоядных – «жертва», без труда находит себе пищу. Со временем ее численность начинает расти. «Хищник», которой при низкой численности «жертвы», прилагал большие усилия для поисков пропитания, с ростом числе травоядных, таких затруднений теперь не имеет. Его потомство перестает погибать от недоедания. Конкуренция внутри популяции снижается. Образуются новые пары и появляется дополнительное потомство. Популяции и «хищника» и «жертвы» растут. Это обратная положительная связь.

Рост популяций приводит сначала к недостатку питания у «жертвы», а за этим и у «хищника». Увеличивается конкуренция и обостряется борьба за выживание. Рождаемость падает. Обратная связь становится отрицательной. Система приходит в свое первоначальное состояние, точнее, близкое к нему. Подойдя к исходному уровню, система может начать процесс разрастания. То есть она постоянно в динамике. Как маятник, достигнув равновесия, он продолжает движение от точки покоя. И так постоянно, потому, что окружающая среда никогда не бывает одинаковой.

Иногда уровень воздействия на систему может быть таким, что сопротивляемости и выносливости не хватает. И прежде всего это относится к случаям, когда незначительна популяция какого-либо вида в составе системы. Воздействие может быть таким, что прекращается рост численности и плотности живых организмов. Воспроизведение не дает нужного результата и популяция затухает. Восстановление экосистемы в том виде, какой она была до воздействия, становиться невозможно. Не всегда это ведет к умиранию всей системы, но всегда к существенным изменениям внутри ее. Например, место вымершего вида занимает другой. Он может быть более агрессивным. И тогда воздействие начинается снова, а «разлаженный и некомплектный механизм» с ним на должном уровне бороться уже не может. Так произошло в XX веке в Китае. Когда по решению правительства были уничтожены все воробьи, в связи с чем выросла популяция насекомых. Или Австралия, где были уничтожены хищники, и рост популяции кроликов стал неконтролируемый и причинил существенный ущерб природе.

Совсем иное завершение процесса воздействия на биосистему, если внешнее воздействие осуществляется человеком. В этом случае биосистема редко возвращается в первоначальное состояние, а иногда и вовсе исчезает. Примеров тому масса и нет смысла их перечислять.

Сочетание с эволюцией биосферы

Рассмотренная способность отдельных живых организмов, клеток и целых биологических систем, определенным образом реагировать на изменения и, значит, воздействие окружающей среды не очень сочетается с историей эволюции биосферы.

Начиная с момента возникновения первой жизни, одноклеточные, а затем и более сложные существа, реагировали на изменения окружающей среды иным образом. Именно такое реагирование и дало возможность развиться из клетки без ядра в человека. Если бы происходило приспосабливание, то на Земле по сей день существовали только первые живые организмы. Они бы приспосабливались и приспособились. В чем нас убеждает теория гомеостаза. Если есть приспосабливание, то нет эволюции. А если это не так и миллиарды лет своего существования клетки пытались приспособиться к изменяющейся среде и не смогли, а вымерли. То тогда нет никакой эволюции. Есть смена одних организмов, другими, без признаков какого-либо наследования. Похожесть допускается. Что, в общем-то, и есть. Птицы похожи на динозавров, слон на мамонта, а человек на обезьяну.

Источник: ecology-of.ru