Підручник з Біології і екології (профільний рівень). 11 клас. Задорожний - Нова програма

§ 20. Саморегуляція біологічних систем

Поміркуйте

  • Яке значення має саморегуляція для живих організмів?

Згадайте

  • Гомеостаз
  • Рівні організації біологічних систем

Поняття саморегуляції

Будь-яка жива система починаючи від клітини й закінчуючи біогеоценозом постійно зазнає впливу ззовні різноманітних факторів. Змінюються температурні умови, вологість, закінчується їжа або посилюється міжвидова конкуренція. При цьому життєздатність будь-якої системи залежить від її вміння підтримувати свій склад на постійному рівні.

Як ви пам'ятаєте, для кожного окремого організму важливо підтримувати гомеостаз — сталість внутрішнього середовища. Для більших біосистем, наприклад біоценозів, важливо зберегти певне співвідношення між організмами, що складають трофічні рівні, інакше порушиться баланс обміну речовин і енергії.

Саме для підтримки постійного складу біосистем існують чисельні механізми саморегуляції. Саморегуляція — це властивість систем зберігати внутрішню стабільність на певному, відносно сталому рівні. Саморегуляція є однією з найважливіших властивостей живих систем.

Саморегуляція на різних рівнях біологічних систем

На різних рівнях організації живої матерії — від молекулярного до надорганізмового — існують конкретні механізми саморегуляції.

Прикладом саморегуляції на молекулярному рівні є ферментативні реакції, у яких кінцевий продукт впливає на активність ферментів, що каталізують ці реакції.

Приклади саморегуляції на клітинному рівні — самозбирання клітинних мембран із молекул ліпідів, регуляція етапів клітинного циклу.

На надклітинному рівні саморегуляція здійснюється як організація клітин в упорядковані асоціації — тканини.

Більшість органів здатні до внутрішньоорганної саморегуляції функцій; наприклад, серце здатне до автоматії — ритмічного скорочення без зовнішніх подразників під впливом імпульсів провідної системи серця.

На організмовому рівні ефективно взаємодіють нервові, гуморальні й гормональні механізми саморегуляції, за допомогою яких у ссавців установлюються й підтримуються на певному рівні показники внутрішнього середовища — температура, кров'яний та осмотичний тиск, рівень цукру в крові тощо.

Різноманітні прояви й механізми саморегуляції на видовому рівні добре відстежуються в популяціях. Це регуляція чисельності популяцій, співвідношення статей у них, темпи старіння й народжуваності особин.

До надвидових систем належать біоценози й екосистеми. Це великі стійкі системи, деякі з них існують без видимих змін сотні й тисячі років. Міжвидові взаємодії регулюють чисельність різних видів, що входять до складу угруповання.

Принцип зворотного зв'язку

Процеси, що відбуваються на кожному з рівнів організації біологічних систем, різняться масштабністю, джерелами енергії й своїми результатами, але вони є схожими за суттю. Вони ґрунтуються на однакових методах саморегуляції систем. Насамперед це механізм зворотного зв'язку.

Механізм зворотного зв'язку полягає в тому, що система отримує певний відгук на результати свого функціонування, який визначає, що системі робити далі. Наприклад, у голодної тварини виділяються травні ферменти, що подразнюють шлунок і спонукають шукати здобич; у кров виділяється адреналін, який підвищує фізичну активність і допомагає полюванню. Після їжі виділяються речовини, що викликають почуття задоволення, і ця «нагорода» знижує пошукову активність. Таким чином, зворотний зв'язок керує системою залежно від її стану.

Мал. 20.1. Негативний зворотний зв'язок у регуляції метаболічного шляху

Саморегульовані системи — це системи зі зворотним зв'язком, здатні реагувати на зовнішні й внутрішні зміни, зберігаючи стан динамічної рівноваги.

Зворотний зв'язок може бути позитивним і негативним. У разі негативного зворотного зв'язку результати процесу вповільнюють або зупиняють процес.

За принципом негативного зворотного зв'язку в клітинах регулюється активність ферментів. Прикладом може бути пригнічення метаболічного шляху кінцевим продуктом (мал. 20.1). За типом негативного зворотного зв'язку здійснюється нервова і гуморальна регуляція гомеостазу, завдяки якій підтримується температура тіла, постійна концентрація CO2, глюкози тощо. Наприклад, підвищення температури активує механізми терморегуляції, спрямовані на її зниження, і навпаки (мал. 20.2).

У популяціях негативні зворотні зв'язки забезпечують гомеостаз чисельності. Приміром, чим більше їжі, тим більшою стає чисельність популяції. За необмеженої кількості їжі цей ріст міг би бути нескінченним, але нестача їжі призводить до його зупинки. Цей зв'язок є негативним. Завдяки йому чисельність популяції коливається навколо відносно постійного значення.

У разі позитивного зворотного зв'язку результати процесу ще більше посилюють цей процес.

За принципом позитивного зворотного зв'язку відбувається регуляція зсідання крові. Навколо ушкодженої кровоносної судини концентруються тромбоцити. Вони вивільнюють хімічні речовини, що «приваблюють» на місце події нові тромбоцити. Процес посилюється, доки не утвориться тромб. Ще одним прикладом є дозрівання плодів. Стиглі плоди виділяють етилен — газ, який є гормоном у рослин. Під його дією інші плоди також дозрівають й у свою чергу виділяють етилен.

Іноді позитивний зворотний зв'язок грає негативну роль. Завдяки його впливу посилюється імунна відповідь під час запалення, коли активується все більше нових порцій імунних клітин. У результаті каскад реакцій може стати неконтрольованим, викликаючи руйнування в осередку запалення, поширюючись на сусідні тканини й охоплюючи весь організм.

Мал. 20.2. Негативний зворотний зв'язок у процесах терморегуляції

Ключова ідея

Саморегуляція — властивість систем зберігати внутрішню стабільність на певному, відносно сталому рівні. Конкретні механізми саморегуляції існують на різних рівнях організації живого — від молекулярного до надорганізмового.

Запитання та завдання

1. Наведіть конкретні приклади саморегуляції на різних рівнях біологічних систем. 2. Чи існує взаємозв'язок саморегуляції на різних рівнях таких систем? Доведіть або спростуйте свою думку.