ТЕМА 4. КОНЦЕПЦИЯ САМОРЕГУЛЯЦИИ ЖИВЫХ СИСТЕМ

Сегмент 26. Саморегуляция и гомеостаз.

Сегмент 27. Внутриклеточная саморегуляция

Сегмент 28. Саморегуляция многоклеточного организма

Сегмент 29. Саморегуляция в экосистемах

Заключение по теме 4

СЕГМЕНТ 26. САМОРЕГУЛЯЦИЯ И ГОМЕОСТАЗ

Саморегуляция в системе - это внутреннее регулирование процессов с подчинением их единому стабильному порядку. При этом даже в меняющихся условиях среды живая система сохраняет относительное внутреннее постоянство своего состава и свойств - гомеостаз (от греческих homoios - подобный, одинаковый и stasis - состояние).

Действительно, окружающая среда очень переменчива. Изменяются температура, освещенность, влажность. Для животных, да и для растений не регулярна доступность пищи. Донимают паразиты, хищники и просто конкуренты за среду обитания. Тем не менее, животные и растения выносят эти колебания среды, живут, растут, размножаются. Экологические сообщества долгое время сохраняют некий средний состав.

Человек как высший представитель животного царства также поддерживает свой внутренний гомеостаз - благодаря работе многочисленных управляющих механизмов. Так, несмотря на смену дня и ночи, зимы и лета, температура нашего тела поддерживается на одном и том же уровне - около 37 градусов (под мышкой 36,6 градуса). Кровяное давление варьирует в ограниченных пределах, так как регулируется благодаря иннервации стенок сосудов. Солевой состав крови и межклеточных жидкостей, содержание сахаров и других осмотически активных веществ (способных вызвать нежелательное перераспределение воды между структурами организма) также поддерживаются на оптимальных уровнях. Даже простое и, казалось бы, самопроизвольное стояние на двух ногах требует ежесекундной согласованной работы вестибулярного аппарата и многих мышц тела.

Основоположник идеи о физиологическом гомеостазе Клод Бернар (вторая половина XIX века) рассматривал стабильность физико-химических условий во внутренней среде как основу свободы и независимости живых организмов в непрерывно меняющейся внешней среде.

Саморегуляция происходит на всех уровнях организации биологических систем - от молекулярно-генетического до биосферного (об уровнях организации см. тему 1). Поэтому проблема гомеостаза в биологии носит междисциплинарный характер. Внутриклеточный гомеостаз изучают цитология и молекулярная биология, организменный - физиология животных и физиология растений, экосистемный - экология. Конкретные проявления этих механизмов мы рассмотрим ниже. Здесь же отметим, что для поддержания гомеостаза во всех системах используются кибернетические принципы саморегулирующихся систем. Кибернетика - наука об управлении - объясняет принцип саморегуляции системы на основе прямых и обратных связей между ее элементами. Вспомним, что система - это совокупность взаимодействующих элементов. Прямая связь между двумя элементами означает передачу информации от первого ко второму в одну сторону, обратная связь - передача ответной информации от второго элемента к первому. Суть в том, что информационный сигнал - прямой или обратный - изменяет состояние системы, принимающей сигнал. И тут принципиально важно, какой по знаку будет ответный сигнал - положительный или отрицательный. Соответственно и обратная связь будет положительной или отрицательной.

В случае обратной положительной связи первый элемент сигнализирует второму о некоторых изменениях своего состояния, а в ответ получает команду на закрепление этого нового состояния и даже его дальнейшее изменение. Цикл за циклом первый элемент с помощью второго (контрольного) элемента накапливает одни и те же изменения, его состояние стабильно изменяется в одну сторону (рис. 18 а). Эта ситуация характеризуется как самоорганизация, развитие, эволюция, и ни о какой стабильности системы говорить не приходится. Это может быть любой рост (клетки, организма, популяции), изменение видового состава в сообществе организмов, изменение концентрации мутаций в генофонде популяции, ведущее через отбор к эволюции видов. Естественно, что обратные положительные связи не только не поддерживают, но, напротив, разрушают гомеостаз.

Рис. 18

Обратная отрицательная связь стимулирует изменения в регулируемой системе с противоположным знаком относительно тех первичных изменений, которые породили прямую связь. Первоначальные сдвиги параметров системы устраняются, и она приходит в исходное состояние. Цикличное сочетание прямых положительных и обратных отрицательных связей может быть, теоретически, бесконечно долгим, так как система колеблется около некоторого равновесного состояния (рис. 18б). Таким образом, для поддержания гомеостаза системы используется принцип отрицательной обратной связи. Этот принцип широко применяется в автоматике. Так регулируется температура в утюге или холодильнике - с помощью термореле, уровень давления пара в автоклаве - с помощью выпускного клапана, положение судна, самолета, космического корабля в пространстве - с помощью гироскопов. В живых системах универсальный принцип обратной отрицательной связи работает во всех случаях, когда сохраняется гомеостаз.

Далее на конкретных примерах покажем саморегуляцию биологических систем разного уровня сложности.

СЕГМЕНТ 27. ВНУТРИКЛЕТОЧНАЯ САМОРЕГУЛЯЦИЯ

В клетке для поддержания гомеостаза используются в основном химические (молекулярные) механизмы регуляции. Наиболее важна регуляция генов, от которых зависит производство белков, в том числе многочисленных и разнообразных ферментов.

Самая простая модель для демонстрации генного гомеостаза - регуляция выработки фермента для расщепления пищевого сахара у кишечной палочки. Эта бактерия является типичным гетеротрофом и поглощает из внешней среды несложные органические вещества, в том числе молочный сахар лактозу. Для расщепления и усвоения лактозы с определенного структурного гена, входящего в состав лактозного оперона (ген вместе с регуляторной областью) синтезируется информационная РНК и, далее, фермент (см. центральную догму молекулярной биологии - сегмент 22, рис. 13). Если сахар в среде отсутствует, фермент не вырабатывается, а при добавлении сахара активируется ген и идет синтез фермента. Но как только весь сахар будет клеткой использован, ген перестает работать. Как клетка узнает о присутствии сахара и его расходовании? Как оберегает свои гены от бесполезной работы и траты энергии? Регуляция генов у бактерий, как у всех прокариот, в целом организована гораздо проще, чем в эукариотных клетках. Оказывается, лактозный оперон у кишечной палочки работает по принципу отрицательной обратной связи, где в роли регуляторного «клапана» выступает особый участок оперона - оператор, а в роли регулятора сам пищевой субстрат - лактоза (рис. 19). Лактоза, поступившая в клетку, сама раскрывает структурный ген, используя для этого в качестве ключика операторный участок. Исчезновение лактозы автоматически приводит к закрытию гена.