Организм как целое - организменный уровень организации. Понятие о гомеостазе. Принципиальные механизмы его регуляции.

Клетки образуют ткани, ткани образуют органы. Орган – обособленная часть тела, имеющая определенную форму, строение, функции и положение в организме. Все органы снабжены нервами, кровеносными и лимфатическими сосудами. Орган представляет собой систему основных видов тканей с преобладанием одной (или двух) из них. Органы, сходные по своему строению, функции и развитию. Объединяются в системы органов. Различают следующие системы органов: опорно-двигательную, пищеварительную, дыхательную, выделительную, кровеносную, лимфатическую, нервную, органов чувств, желез внутренней секреции, половую.

Все органы и системы органов связаны между собой анатомически и функционально в единое целое – организм. Регуляция работы органов и систем органов осуществляется нервным и гуморальным путем.

Гуморальная или жидкостная регуляция происходит по действием гормонов, медиаторов, ионов, продуктов обмена, выделяемых клетками одних тканей органов в кровь, лимфу и воздействующих на клетки других тканей и органов, изменяя их работу. Ведущая роль в этом способе регуляции принадлежит железам внутренней секреции. За счет гуморальной регуляции происходит медленная перестройка работы органа, т.к. имеется ограничение скорости передвижения крови по сосудам (0,005 – 0,5 м/с).

Нервная регуляция происходит рефлекторно. Она обеспечивает более быструю перестройку функций органов и организма в целом в соответствии с определенными условиями существования. Скорость, с которой нервная система проводит импульс, в среднем составляет 120-140 м/с.

Способность к саморегуляции – одна из главных особенностей организма, которая обеспечивает устойчивость индивидуума к воздействию факторов внешней среды. Так, снижение уровня глюкозы в крови вызывает возбуждение симпатической нервной системы, что стимулирует выделение адреналина в надпочечниках, который с током крови поступает в печень, вызывает расщепление гликогена до глюкозы. Глюкоза поступает в кровь, содержание в крови ее нормализуется.

Нейрогуморальная регуляция объединяет все функции организма, благодаря чему он функционирует как единое целое.

Любой организм можно рассматривать как сложную физико-химическую систему, существующую в окружающей среде в определенном постоянном состоянии. Эта способность живых систем сохранять состояние в условиях непрерывно меняющейся среды и обусловливает их выживание.

Гомеостаз – это поддержание постоянства внутренней среды организма в постоянно меняющихся условиях окружающей среды. Для поддержания гомеостаза у всех организмов, начиная от самых простейших и кончая самыми сложными, в ходе биологической эволюции появилось огромное разнообразие адаптивных механизмов – структурных, физиологических и поведенческих.

Организмы, способные сохранять относительно постоянный уровень активности даже при резких колебаниях внешних условий иногда называют регуляторами, т.к. они могут регулировать различные параметры внутренней среды. Ареалы их распространения шире, а занимаемые места обитания разнообразнее, чем у нерегуляторов, которые не способны эффективно регулировать свою внутреннюю среду и вынуждены жить в более стабильных внешних условиях, например, в океанах. К нерегуляторам относятся, в частности, книдарии и водоросли.

Для обеспечения гомеостаза необходима регуляция на всех уровнях – от молекулярного до популяционного, для чего используются различные биохимические, физиологические и поведенческие механизмы. Кибернетика, искусство управления, занимается в частности общими закономерностями регулирования в живых и неживых системах. Живые системы рассматриваются как открытые системы, т.к. нуждаются в постоянном обмене веществами с окружающей средой, чтобы находиться в динамическом равновесии.

К механизмам гомеостаза относится наличие обратной связи, на которую реагирует вся система (в данном случае организм). Различают следующие типы обратной связи.

1. Отрицательная обратная связь, при которой система отвечает так, чтобы изменить направление изменение на противоположное. Например, когда концентрация углекислого газа в организме человека увеличивается, дыхательный центр подает сигнал к увеличению активности дыхания. Или, к примеру, в процессе терморегуляции при повышении или понижении температуры тела, терморецепторы в коже и гипоталамусе регистрируют изменение, вызывая ответную реакцию в качестве соответственно понижения или повышения температуры.

2. Положительная обратная связь, приводит к нестабильности системы и экстремальным состояниям, поэтому редко встречается в биологических системах. При наличии положительной обратной связи, возмущение вызывает такие последствия, которые еще более его усиливают. Например, в процессе родов гормон окситоцин стимулирует сокращения матки, а они в свою очередь инициируют выделение еще большего количества этого гормона.

Устойчивым системам необходимы комбинации обоих типов обратной связи.

В организме существуют и более сложные регуляторные механизмы, включающие в себя дополнительные детекторы (физиологические системы раннего предупреждения) или дополнительные эффекторы. Так, в регуляции артериального давления участвуют многие системы организма. Например, барорецепторная система, расположенная на передней поверхности шеи и на дуге аорты в грудной клетке, которая реагирует на растяжение артериальной стенки. При сильном повышении артериального давления, импульсы от барорецепторов стимулируют продолговатый мозг к торможению сосудодвигательного центра, в свою очередь снижающего активность симпатической нервной системы, что приводит к снижению сердченоговброса и расширению сосудов. В результате артериальное давление снижается до нормы.

 Множество различных регуляторных систем действуют как на уровне органов, координируя работу отдельных частей, так и на уровне всего организма, управляя взаимодействием органов. Так, дыхательная система вместе с нервной регулирует концентрацию углекислого газа, печень и поджелудочная железа — содержание глюкозы, почки — концентрацию протонов, фосфатов, ионов натрия, калия и других ионов во внеклеточной жидкости.

II. РАЗДЕЛ «ОСНОВЫ ЭКОЛОГИИ».

Экология экосистем.

Все организмы и факторы окружающей среды на Земле находятся в итоге в тесной или отдаленной взаимосвязи. Вся земная поверхность неоднородна, но возникли относительно разграниченные комплексы таких взаимоотношений. Такие комплексы в совокупности всех живых организмов, обитающих на них, называют экосистемой.

Под экосистемой (от греч. oikos – жилище, местопребывание и systema – сочетание, объединение) понимают любое непрерывно меняющееся единство, включающее все организмы на данном участке и взаимодействующее с физической средой таким образом, что поток энергии создает определенную трофическую структуру, видовое разнообразие и круговорот веществ внутри системы. Более просто экосистему можно представить, как исторически сложившуюся систему совместного использования живыми организмами определенного пространства обитания в целях питания, роста и размножения.

Другая формулировка звучит следующим образом: эко­система - исторически сложившаяся система совмест­ного использования совокупностью живых организмов определенного пространства обитания в целях питания, роста и размножения.

Совокупность всех совместно встречающихся видов называют биоценозом, сообществом организмов, а совокупность всех экологических факторов их местообитания – биотопом. Вместе эти два явления составляют биогеоценоз, т.е. исторически сложившейся комплекс взаимосвязанных видов или популяций разных видов, обитающих на определенной территории с более или менее однородными условиями существования.

Понятия экосистема и биогеоценоз близкие друг к другу, но при этом предмет экосистемы не имеет ограничений в размерах. Любой биогеоценоз будет являться экосистемой, но не каждая экосистема может считаться биогеоценозом.

Экосистема состоит из биотического и абиотического компонентов. Организмы, составляющие биотический компонент, в целом, называют сообществом. Эти компоненты тесно взаимосвязаны друг с другом и в равной степени важны для экосистемы. Экосистему можно изучать на разных уровнях организации, в различные временные периоды.

Для сохранения и процветания экосистемы необходимы все ее организмы и все компоненты окружающей среды. Так же как и живые организмы, экосистема обладает гомеостазом – сохранением равновесия между всеми ее частями. Сильные вмешательства, которые не могут быть скомпенсированы путем текущей организации саморегулирования, заставляют экосистему переходить в новое состояние, которое постепенно становится равновесным и вырабатывает свои механизмы саморегуляции.

С одной стороны,биотическую или биоценоз составляющую экосистемы в упрощенном виде можно разделить на два основных компонента:

1) автотрофный, которому присущи фиксация световой энергии, использование простых неорганических веществ и синтезирование сложных веществ;

2) гетеротрофный, для которого характерны утилизация, перестройка и разложение сложных органических веществ.

Существование гетеротрофов полностью зависит от автотрофов.

Абиотический компонент или биотоп включает почву, воду и климат. Почва и вода являются смесью органических и неорганических веществ. В понятие климата входят следующие факторы: освещенность, влажность, температуры, ветер и атмосферные осадки.

Соединив все вышеизложенное, можно выделить следующие составляющие экосистемы:

1) неорганические вещества, вступающие в круговороты, например, вода и углекислый газ;

2) органические соединения, связывающие биотическую и абиотическую части экосистемы, например¸ белки и углеводы;

3) климатический режим;

4) продуценты – автотрофные организмы, главным образом зеленые растения, способные создавать пищу из простых неорганических веществ;

5) консументы – гетеротрофные организмы, главным образом животные которые поедают другие организмы или частицы органического вещества;

6) редуценты (дест­рукторы, декомпозиторы) — гетеротрофные организмы, преимущественно бактерии и грибы, которые расщеп­ляют сложные соединения до простых, пригодных для использования продуцентами.

Экосистемный подход в экологии – это подход, при котором в фокусе внимания оказывается обмен энергией и веществами между биотическим и абиотическим компонентами экосистемы, функциональные связи организмов между собой и с их физическим окружением. Эти взаимосвязи обеспечиваются потоком энергии и биогеохимическими циклами (круговоротами биогенных элементов).

Энергия — общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи, благодаря чему все явления природы связаны воедино. Изменение энергии в системе происходит при совершении работы, т.е. энергия – это способность совершать работу. Источником энергии для всех экосистем является Солнце. Энергия солнечного света захватывается фотоавтотрофами, которые преобразуют ее в химическую энергию. Та в свою очередь запасается в органических молекулах, которые служат источником энергии всем другим организмам экосистемы.

Химические элементы в экосистеме совершают круговорот, т.е. используются неоднократно, но получаемая экосистемой энергия непрерывно утрачивается, превращаясь в непригодную для использования биотой форму – тепло. Это составляет главную разницу между линейным потоком энергии экосистемы, который протекает «насквозь», и круговоротом веществ в экосистеме, когда биогенные элементы совершают внутренние циклы. Общая

 Рисунок 6 – Общая схема движений энергии в экосистеме

Продуценты, консументы и редуценты объединяются переносом энергии и веществ и представляют собой разные трофические уровни: продуценты составляют первый трофический уровень, растительноядные или консументы первого порядка – второй уровень, хищники, консументы второго порядка – третий уровень и т.п. Представители разных трофических уровней связаны между собой односторонне направленной передачей биомассы цепи питания. 

Все пищевые цепи входят в круговорот материи, ведущей от продуцентов к редуцентам. Цепи могут быть нескольких видов и состоять из малого или большого числа звеньев. Например, пастбищные цепи, где главный источник пищи – зеленые растения: осина – заяц – лиса. Или более сложные: трава – насекомые – земноводные – змеи – хищные птицы. Детритные цепи проходят через отмершую биомассу, например: листовой опад – дождевые черви – бактерии.

Пищевые цепи подразумевают, что каждый вид питается только одним другим видом. Однако в реальном мире это не так, и трофические связи в экосистемах устроены гораздо сложнее. Так, некоторые животные, включая человека питаются на всех трофических уровнях – растениями, животными и грибами, т.е. они всеядны. Такие неоднородные и многоуровневые трофические связи являются пищевой сетью.

Для изображения пищевых отношений и эффективности передачи энергии в экосистеме обычно используют пирамиды. Если изобразить друг над другом графическое отображение продуктивности в энергетических эквивалентах для всех членов трофических уровней пищевой цепи взятой экосистемы, то получится экологическая пирамида энергии.

Пирамиды определяются первичной и вторичной продуктивностями экосистемы. Первичную продуктивность экосистемы определяет скорость, с которой солнечная энергия используется в процессе фотосинтеза, накапливаясь в форме химических связей органических веществ.

 Значения продукции (Р’t) – количество и масса всех организмов - в отдельные периоды наблюдений t наносятся на график и соединяются ломаной линией. Затем вычисляется площадь фигуры, ограниченной осью абсцисс и этой ломаной линией, как сумма площадей отдельных трапеций:

P(t1,tn) = 1/2[P'(t1)+P'(t2)](t2- t1)+...+1/2[P'(tn-1) + P'(tn)](tn-tn-1).

Полученное значение и есть количество органического вещества, образованного автотрофами за период времени t1,-tn, или первичная продукция данной экосистемы за то же время.

 Первичная продуктивность – важный параметр, по которому определяется общее количество энергии, которое доступно всем организмам сообщества, т.е. суммарная биомасса экосистемы.

Накопленная растениями суммарная химическая энергия называется валовой первичной продукцией, часть из которой расходуется на дыхание и фото дыхание самим растением, а оставшаяся часть называется чистой первичной продукцией.

Гетеротрофы переносят энергию с одного трофического уровня потреблением других организмов, однако при этом часть энергии утрачивается в процессе дыхания и других энергетически затратных процессах. Часть энергии, остающаяся у гетеротрофов после всех неизбежных потерь, обеспечивает рост, восстановление тканей и размножение и называется вторичной продукцией.

Согласно правилу экологической пирамиды, биомасса каждого из последующих уровней пищевой цепи значительно уменьшается. В основании пирамиды может стоять ступень, соответствующая поступлению к экосистеме солнечной энергии.

Каким будет конечный этап развития экосистем в первую очередь зависит от климатических, почвенно-водных и топографических условий. Так же на это влияет деятельность человека, если убрать отрицательное влияние, то это полеводство, сенокос, выпас скота. Экосистемы формируются в результате эволюции и адаптации организмов друг к другу и к среде обитания и характеризуются относительной устойчивостью.

Экосистема является главной функциональной структурой организации жизни, в которой создаются ресурсы жизнеобеспечения. Разрушение экосистем способствует уничтожению этих ресурсов для тех или иных организмов. Чем больше энергии получает система и меньше отдает, тем она устойчивее. Показателем нарушенной экосистемы является ситуация, когда в системе не задерживается энергия, тогда экосистема деградирует.

Основа рационального использования экосистем – сохранение устойчивости и энергообеспеченности данной экосистемы. Из всех составляющих наиболее важными являются продуценты, поскольку представляют основу ресурсов жизнеобеспечения всех остальных трофических ступеней. Их состоянием определяется состояние экосистемы, от них зависит экологическое равновесие территорий.

Прогрессирующий процесс использования человеком элементов окружающей природы неизбежен и закономерен. Для преодоления экологических проблем необходимо рассмотрение окружающей среды, человека и общества как единой системы. Проблема разумного и рационального использования природных ресурсов на основе экологических законов превращается в настоящее время в одну из важнейших задач человечества. Основные направления деятельности человека в этой области – это создание очистных сооружений, технологии комплексной переработки сырья, малоотходные производства, лесонасаждение, борьба с эрозией почв, научно обоснованные методы внесения удобрений, орошения и осушений. Большое внимание должно уделяться созданию заповедников, заказников, национальных парков и других охраняемых природных территорий.

Список использованной литературы.

1. Биология. Пособие для пост. в вузы - Под ред. Ярыгина В.Н – 2003.

2. Бродский. А.К. Краткий курс общей экологии. СПб. 1996

3. Вихрук Т.Н. Методические указания по биологии. СПб., 1999.

4. Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология в 3-х томах. Изд. М: Мир, 1996, 2003.

5. Константинов В.М. Экологические основы природопользования. М. 2001.

6. Федюкович Н.И. Анатомия и физиология человека: учебное пособие. Ростов н/Д, 2003.