§ 4.5. Гомеостатические реакции организмов

Выживание организма определяется его способностью справляться с изме-нениями среды. Приспосабливая свои функции к новым условиям, организмы сохраняют высокий уровень активности в различных природных обстановках. Гомеостатические реакции, обычно, обратимы. Иначе они не могли бы следовать за разнонаправленными изменениями среды. В основе этих реакций – отрицательные обратные связи. Иными словами, если под действием внешних сил параметры биологической системы отклоняются от нормы, вступают в действие физиологические и иные механизмы, компенсирующие внешние воздействия. В этом функционирование системы считается устойчивым.

Скорость гомеостатических реакций зависит от скорости изменения параметров среды. Как правило, организмы не нуждаются в механизмах быстрого реагирования, если среда меняется медленно и эти изменения предсказуемы. Так, фитоценозы умеренного пояса адаптируются к периоду отрицательных тем-ператур за 30-50 дней.

Самые быстрые реакции – поведенческие. К примеру, человек может ук-рыться в тени либо дождаться, пока организм запустит синтез белка меланин, защищающего кожу от солнечных ожегов.

Природные факторы, действующие долгое время, вызывают целую серию защитных реакций организма. Так, в условиях высокогорья реакция на низкое давление и недостаток кислорода включает учащение дыхания, сердцебиения и снижение общей активности. Со временем в организме накапливается избыток эритроцитов, повышается кислородная емкость крови и человек возвращается к нормальному уровню активности.

Различают два типа реагирования организмов на изменения среды. Одни организмы меняют ход физиологических процессов с тем, чтобы эффективнее подстроиться к условиям внешней среды, другие – стараются поддерживать на неизменном уровне параметры внутренней среды. Например, постоянная тем-пература тела человека обеспечивает оптимальное протекание биохимических реакций в широком интервале внешних температур, тогда как температура тела насекомых и земноводных оказывается близка к температуре среды. При очень низких и очень высоких температурах жизнедеятельность насекомых и земно-водных приостанавливается.

Животных, сохраняющих неизменными параметры внутренней среды, на-зывают регуляторами, а виды, у которых внутренняя среда меняется в соответ-ствии с внешней средой, называют конформистами (по Р. Риклефсу; рис. 4.3).

Параметр внутренней среды организма

конформисты

регуляторы

Параметр среды обитания

Рисунок 4.3 – Соотношение между параметрами внутренней и внешней среды у идеальных конформистов и регуляторов

Идеальных конформистов и регуляторов в природе немного. Небольшие животные являются регуляторами при умеренных колебаниях среды, а при рез-ких колебаниях становятся конформистами. Примером служит мелкий рачек- бокоплав Gammarus (рис. 4.4). Даже млекопитающие, отчасти, являются кон-формистами, поскольку экстремальные температуры в большей степени скажутся на работе одних органов и в меньшей степени – на работе мозга, на кровообращении и дыхании.

Содержание солей в крови рачка Гаммаруса, %

3

2

1

Диапазон

регулирования

Содержание солей

во внешней среде, %

1 2 3

Рисунок 4.4 – Возможности регулирования внутренней среды у рачка Гаммаруса

При анализе стратегий выживания сравнивают выгоду, которую обеспечивает сохранение активности, с затратами энергии на регулирование. Известно, что затраты метаболической энергии пропорциональны величине удельной (на единицу массы) поверхности тела, через которую идет энерго- и массообмен организма со средой, а также величине поддерживаемого градиента¹. По сравнению с небольшими животными, у крупных животных удельная поверхность меньше. Поэтому и регулирование для них энергетически выгодно.

Если бы метаболизм обеспечивал исключительно регулирование темпера-туры, в условиях, когда температура среды равна температуре тела, скорость обменных процессов была бы равна нулю. Однако, помимо теплообмена, в орга-низме должны поддерживаться сердцебиение, дыхание, мозговая активность и мышечный тонус. Необходимая для поддержание жизненно важных функций скорость обменных процессов характеризует т.н. основной обмен. Энергии, вырабатываемой в ходе основного обмена, хватает и на терморегуляцию, если тем-пература внешней среды выше некоторой критической Тк. При более низких температурах скорость обменных процессов возрастает (рис. 4.5).

Интенсивность метаболизма

III

II

I

Рисунок 4.5 –

Зависимость интенсивности метаболизма млекопитающих от температуры окружающей среды

c b Тк Температура

Уровни обмена основного (I), при котором возможно добывание пищи (II) и максимального (III) соответственно определяют нижнюю летальную температуру с, минимальную температуру, при которой возможно добывание пищи в течение длительного времени b, и нижнюю критическую температуру Тк. В пределах отрезка [c, b] теплопотери организма столь велики, что энергии оказывается недостаточно и для поддержания основных функций, и для сохранения высокого уровня активности. Поэтому организм отказывается от поисков новой пищи и живет за счет энергии собственных жировых накоплений. Еще более низкие температуры вызывают полное истощение энергетических ресурсов организма и его гибель.

В условиях зимней спячки – отрезок [c, b] – физиологические показатели животных удерживаются на минимальном уровне: число сердечных сокращений уменьшается в 50 раз, скорость обменных процессов – в 25 раз, температура тела – в 5 раз (табл. 4.1). Одновременно меняется химический состав крови, что позволяет предотвратить закупорку сосудов при замедлении кровотока.

Таблица 4.1.