Клетки являются основными структурными и функциональными единицами организма. Для выполнения своих функций им нужна подходящая среда, характеризующаяся относительным постоянством источников энергии, воды, температуры и кислотности. Под гомеостазом подразумеваются средства поддержания относительной стабильности основных физиологических особенностей организма. Термин был введен Кэнноном в 1929 году.
Организм функционирует лучше всего, когда все его показатели находятся в оптимальных пределах. Основными физиологическими показатели являются состав и объем крови, кровяное давление, температура тела и другие.
Гомеостаз - динамическое постоянство
По своей сути гомеостаз представляет собой динамическое постоянство, которое поддерживается несмотря на непрерывный обмен веществами и энергией между внеклеточной и внутриклеточной жидкой средой, а также между организмом и окружающей средой. Основные физиологические процессы не всегда постоянны, но варьируются в определенных пределах. Гомеостаз в организме является не статичным, а динамическим постоянством, которое достигается за счет точной регуляции. Основными компонентами гомеостаза являются изогидрия, изотермия, изоиония, изоосмия, изоволемия и изоксемия.
Живые организмы имеют регуляторные механизмы, которые поддерживают телесный гомеостаз. Благодаря этим механизмам они существуют как саморегулирующаяся система. Все органы и ткани участвуют в поддержании согласованности. При нарушении механизмов регуляции возникает заболевание, а при больших нарушениях может наступить смерть.
Благодаря специальным системам управления происходит жизнь клеток в организме. Регулирование осуществляется двумя системами:
- гуморальная - регуляция осуществляется специфическими химическими веществами (гормонами);
- нервная регуляция распространяется сигналами (импульсами), идущими по нервной системе.
Как регулируется гомеостаз
Каждая система регулирования имеет вход и выход. В зависимости от отношений между ними существуют открытые и закрытые системы. При открытой системе отсутствует связь между выходом и входом. Примером такой системы является нейрон, который через свои дендриты воспринимает множество входных сигналов, обрабатывает их и направляет их в качестве выходных данных на другой блок, который может быть нейроном, железой, мышцей.
В закрытых системах информация с выхода одной системы прямо или косвенно связана с входом той же системы. Если есть ответ, в замкнутых системах формируется регуляторный круг, в рамках которого устанавливается динамическое регулирование измененного индикатора или функции. Закрытая система регулирования, построенная по типу обратной связи, состоит из нижеследующих элементов.
Регулируемое значение - объект регулирования. Он имеет одно фактическое значение, которое может быть определено в любое время, и одно оптимальное значение, которое определяется генетически.
Датчик - воспринимает и считывает фактическое значение регулируемой величины. Роль сенсоров играют специализированные клетки, называемые рецепторами.
Механизм сравнения - значение, воспринимаемое датчиком, передается в интегративный центр центральной нервной системы. Там фактическое значение сравнивается с оптимальным. Так оценивается степень различия. Сигнал ошибки генерируется и доставляется следующему элементу регуляторной системы через эффекторные нервы* или гормоны.
Эффектор - это исполнительный орган, от деятельности которого зависит восстановление оптимального значения измененного параметра. Иногда регуляторный механизм может включать несколько эффекторов.
По принципу отрицательной обратной связи регулируются такие параметры, как регуляция артериального давления, уровень сахара в крови, концентрация кислорода во внеклеточной жидкости. Благодаря этим регулирующим механизмам сохраняется относительный гомеостаз в организме.
Отрицательная обратная связь
Регулирование отрицательной обратной связи характеризуется:
- задержкой (латентный период) - время, прошедшее с момента возникновения отклонения регулируемой величины до начала действия рецептора. Различные механизмы регулирования имеют разные периоды задержки;
- инерцией - скорость, с которой значение возвращается к своему заданному параметру после того, как эффектор начинает действовать. Некоторые параметры имеют низкую инерцию (кровяное давление), а другие имеют более высокую (температура тела);
- коэффициент обратной связи - в некоторых случаях регулирования существует остаточное отклонение, т.е. механизмы могли бы довести значение до его оптимального значения. Значение между остатком и начальным отклонением называется коэффициентом обратной связи;
- усиление - показывает силу влияния эффектора на регулируемый показатель. Чем выше коэффициент усиления, тем эффективнее регулирование;
- нормативные колебания - колебания регулируемого значения вокруг заданного параметра в процессе возврата к оптимальному.
- стабильность - показывает, в какой период времени наблюдаются отклонения регулируемого значения от заданного параметра.
Различные факторы определяют эффективность и точность, с которой регулируемое количество контролируется. Регулирование осуществляется лучше всего, если есть короткий латентный период, достаточная прочность и стабильность. Эффективность механизмов изменяется в течение жизни человека - они становятся менее эффективными с возрастом.
Упреждающее регулирование систем организма
В большинстве случаев механизмы управления включаются после отклонения регулируемого значения от установленного параметра. Однако есть те, которые включаются до того, как это произойдет. Это так называемое упреждающее регулирование. Оно достигается путем включения дополнительных рецепторов, чувствительных к фактору, вызывающему изменение регулируемой величины. В результате этого регулирования происходят незначительные отклонения, то есть помехи и обратная связь включаются одновременно. Предварительное регулирование особенно эффективно в отношении механизмов с длительным латентным периодом, таких как регулирование температуры тела.
Обеспечение регулирования
Предиктивный контроль включается до того, как происходят изменения в регулируемой величине, и до появления триггера. Эти механизмы запускаются заранее и подготавливают организм к ожидаемым изменениям. Этот тип регуляции включается в тех случаях, когда у нас происходит регулярное повторение одних и тех же процессов в организме, вызывающих повышение реактивности регуляторного механизма. Например, в первой половине дня человек наиболее активен и потребляет больше энергии, что является необходимым условием для гипогликемии. Прогнозирующая регуляция способствует предварительной стабилизации уровня глюкозы. Это предсказывает эффект триггеров.
Положительный ответ
В дополнение к отрицательному управлению обратной связью, которое возвращает регулируемое значение к заданному параметру, существует также положительное управление обратной связью, которое увеличивает отклонение. При положительном регулировании обратной связи система дестабилизируется. Механизмы этого типа характерны для болезненных состояний, но также могут наблюдаться в физиологических условиях.
Уровни физиологической регуляции
Многие регуляторные системы, которые действуют в клетках, органах и организме в целом, действуют на разных уровнях внутриклеточно, органически и системно. При внутриклеточной регуляции сенсор и эффектор находятся в одной и той же клетке. Когда лиганд связывается с белком, который имеет два сайта связывания, молекула-модулятор может изменять конфигурацию второго сайта связывания. Этот эффект известен как аллостерическая модуляция.
Местная (органная) регуляция встречается только в некоторых органах. Также называется местным гомеостатическим ответом. Она зависит от концентрации определенных продуктов метаболизма, от выделения локально действующих гормонов или гормоноподобных веществ, называемых паракринными гормонами.
Регуляция всего организма основана на рефлексах. Реакция осуществляется по механизму отрицательной обратной связи. Регуляторные реакции основаны на принципе рефлексии и делятся на три группы.
- Соматомоторные рефлексы - контролируется деятельность скелетных мышц. Благодаря этому механизму сохраняется осанка тела и некоторые защитные рефлексы.
- Вегетативные рефлексы - они контролируют постоянство показателей, характерных для внутренней среды организма. Регулирование осуществляется с помощью рецепторов, которые воспринимают изменение регулируемой величины. Такими рецепторами являются барорецепторы, хеморецепторы, осморецепторы и терморецепторы.
- Нейро-гуморальные рефлексы - регуляторная система также включает гормоны, которые влияют на деятельность целевых органов, взаимодействуя со специфическими рецепторами.
Гомеостаз в организме является необходимым условием клеточной жизни. Для его поддержания действуют специальные регулирующие механизмы, которые включаются, когда происходят отклонения в регулируемом параметре.
