Саморегуляция в биологии — это одно из важнейших свойств живой системы, заключающееся в автоматической установке и поддержке определенного уровня необходимых для нормального функционирования параметров. Суть процесса в том, что никакие внешние воздействия не становятся управляющими. Руководящие изменениями факторы формируются внутри саморегулирующейся системы и способствуют созданию динамического равновесия. Возникающие при этом процессы могут носить циклический характер, затухая и возобновляясь по мере складывания или исчезновения определенных условий.
Саморегуляция: значение биологического термина
Любая живая система, начиная от клетки и заканчивая биогеоценозом, постоянно подвергается воздействию извне разнообразных факторов. Меняются температурные условия, влажность, заканчивается пища или ужесточается межвидовая конкуренция — примеров можно привести массу. При этом жизнеспособность любой системы зависит от ее умения поддерживать постоянство внутренней среды (гомеостаз). Именно для достижения подобной цели и существует саморегуляция. Определение понятия подразумевает, что изменения внешней среды не являются непосредственными факторами воздействия. Они преобразуются в сигналы, которые вызывают тот или иной дисбаланс и приводят к запуску механизмов саморегуляции, призванных вернуть систему в устойчивое состояние. На каждом уровне подобное взаимодействие факторов выглядит по-своему, поэтому для понимания того, что такое саморегуляция, остановимся на них подробнее.
Что такое саморегуляция и ее виды
Специалист Андреа Белл в области терапии определяет саморегуляцию, как способность контролировать, и возможность сдерживать себя от импульсивных действий и эмоций. Способность к саморегуляции помогает сопротивляться и этим контролировать свое место в обществе, что говорит о гибкости эмоционально-поведенческого состояния человека.
В психологии выделяют два вида саморегуляции:
— эмоциональная – это возможность управлять своим состоянием и эмоциями. В момент подавленности поднять себе настроение и возможность успокоится в период расстроенных чувств,
— поведенческая – это способность действовать во благо своим долгосрочным интересам. Если сказать более точно, это возможность реагировать на различные ситуации, вопреки своим чувствам.
Это легко понять на примере очереди на кассе. Когда вы уставшие, а кассир медленный и неповороткий, да еще и допускает ошибки, которые приводят к разбирательствам. На его извинения и вопрос, не сильно ли он вас задержал, вы скорее ответите, нет с улыбкой на лице, нежели выскажете все, что вы о нем думаете.
К примеру, правильно выработанной саморегуляции можно также отнести:
— прекращение ребенком истерики на предложение взамен купить ему новую игрушку,
— решение людей взять паузу в резкой дискуссии, чтобы предотвратить ссору и не довести ситуацию до оскорблений,
— выбор низкокалорийной еды, если имеется желание похудеть.
Подобный контроль эмоций помогает достигнуть определенных целей, решить множество важных задач и даже стать лидером в своем окружении.
Важно понимать, что саморегуляция включает и делает более сильными такие способности человека:
— применение самоконтроля чтобы достойно себя вести в обществе и не поддаваться слабостям: алкоголю, курению, употреблению ругательных слов,
— умение управлять своей энергией для того, чтобы правильно распределять нагрузку и достигать желаемых целей,
— умение сохранять спокойствие и сдержанность в неприятных и сложных ситуациях,
— возможность переключаться и справляться с нагрузкой и стрессом в трудных ситуациях.
Именно стресс и стрессовые ситуации являются решающими факторами при саморегуляции и умении ее осознанно и неосознанно проявлять.
Методы саморегуляции
Процессы, протекающие на каждом из этих уровней, внешне отличаются масштабностью, используемыми источниками энергии и своими результатами, но схожи по сути. В основе них лежат одинаковые методы саморегуляции систем. Прежде всего это механизм обратной связи. Она возможна в двух вариантах: положительная и отрицательная. Напомним, что прямая связь предполагает передачу информации от одного элемента системы к другому, обратная протекает в противоположном направлении, от второго к первому. При этом и та и другая изменяет состояние принимающего компонента.
Положительная обратная связь приводит к тому, что процессы, о которых первый элемент сообщал второму, закрепляются и продолжают осуществляться. Подобный процесс лежит в основе любого роста и развития. Второй элемент постоянно сигнализирует первому о необходимости продолжать одни и те же процессы. При этом нарушается стабильность системы.
Кибернетическая саморегуляция здоровья или как работают защитные силы организма человека
Когда много-много лет назад писал диссер, я сделал величайшее супер-пупер-открытие века!Люди, в большинстве, стремятся найти источник здоровья вне себя (т.е. зависимость от внешнего) — витамины или травы, природа или медтехника, более энергичные или веселые собеседники, очищенная или минеральная вода, сахарозаменители или мёд и т.д. Это, конечно, хорошее дело, но это не те дроиды, которых вы ищете! Печаль нам, реабилитологам, что здоровье именно внутри себя почти никто не взращивает. Особенно мало у нас инструментов защиты от чрезмерного эмоционального стресса, депрессии и всяких вирусов со сквозняками. А ведь есть давненько, веков 100—200 примерно, способы увеличения внутренних ресурсов вегетативной и центральной нервной системы до индивидуального максимума. Upgrade организма дающие возможность произвести то бишь психофизическими техниками саморегуляции. Они не обещают бессмертия или ясновидения, но можно почти совсем (максимально) не болеть и быстрее выздоравливать от всяких расстройств. Если только Вы сами не захотите их заиметь вновь.
UPD: эта статья обзорная, пропаганда саморегуляции и научпоп и теоретическая, не про конкретные техники, я их не обещал. Если хотите их, я могу написать в следующей статье. Или можете обратиться к моим коллегам-врачам, они, кстати, ищут разрабов и программистов для реализация мобильного приложения «Аутотренинг в психосоматике», вот Программа для обучения релаксации при хронической мигрени — ПрЭВМ №2019614503
UPD2: по заявкам читателей напишу потом обзор лучших мобильных приложений, обучающих практике саморегуляции, заменяющих в этом психотерапевта, почти.
Самая главная проблема современной медицины, психологии и всякой даже «нетрадиционщины» — это редукционизм, т.е. однобокий, не комплексный, недостаточно широкий подход к лечению, коррекции и профилактике. Или исключительно физическая химия, или единственно повышенная тревожность или точки акупунктуры «панацейно» лечатся, а ведь таким путем только лишь максимум по 33,3% от всего здоровья души и тела каждый из них может дать. А на 99—100% помогает и лекарство, питание, и мышление, и общение, и движение, и ощущение вместе и сразу. Это наше (и других интегративных специалистов) кредо. Всегда.
По ходу чтения этой статьи, у вас, конечно, появятся сомнения, что она имеет мало отношения к IT, но я прошу не торопиться, пока вы не потратите немного времени на размышление или практическое применение описанных технологий, патентов и теорий физиологии, медицины и психологии для себя или работы. Начнем по порядку, как у нас, доцентов и учеников академика Анохина, принято.
Саморегуляция — это сознательная или неосознанная способность человека и всех живых существ управлять своим нейрофизиологическим состоянием и психосоматическим здоровьем, используя внутренние механизмы, методы традиционной и нетрадиционной медицины и психологии в силу своих знаний, умений, навыков и врожденных рефлексов. Знать — значит предвидеть, а предвидеть — мочь или властвовать. Однако же «не тот больше знает, кто дольше жил, а тот, кто дальше ходил», поэтому только «на ошибках учатся», образуя новые условные рефлексы (по Павлову И.П. и Анохину П.К.).
Способности каждого из нас к саморегуляции подтверждены отечественными и зарубежными учеными, разработавшими четыре основные теории:
- Гомеостаз и гомеорезис — поддержание самим организмом человека постоянства и приспособляемости его внутренней среды (крови, сердца, кишечника, почек, бицепсов и так далее).
- Стресс (адаптационный синдром) — врожденная реакция личности на внешнее воздействие, направленная на сохранение социального, душевного и телесного гомеостаза.
- Рефлексы и функциональные системы — кибернетические механизмы взаимопомощи органов и физиологических системам (нервной, эндокринной, пищеварительной и других).
- Саногенез и иммунитет — защитные реакции организма человека и животных, осуществляющие саморегуляцию на клеточном и молекулярном уровне.
Казалось бы, получается, что не нужно совершенно ничего делать, чтобы быть здоровым, всё и так само происходит, поспал, походил, поел и ты в поряде. Но почему же на деле всё с нашим здоровьем обстоит далеко не так радужно? Связано это с тем, что человек — социальное существо, и почти ничему не разрешает происходить непосредственно, без участия со—знания, он хочет понимать, контролировать и вмешиваться в естественный порядок.
Тем не менее, всё равно, даже мешая своему организму, поправить свое самочувствие возможно, если заниматься нелекарственной психофизической саморегуляцией (здоровьесберегающими технологиями), быстрой и эффективной, помогая своим клеткам комплексно.
Способам комплексного улучшения здоровья души и тела уже много веков. Еще Гиппократ говорил, что «не только сам врач должен употреблять в дело все, что необходимо, но и больной, и все окружающие, и все внешние обстоятельства должны способствовать врачу в его деятельности». Спорить с отцом западной медицины бессмысленно. К тому же еще более древние китайская и индийская аюрведическая медицины строили всю свою диагностику и лечение по такому же холистическому (целостному и кибернетическому) принципу. Лечебная физкультура, аутогенная тренировка, цветотерапия, ароматерапия, звуко— и рефлексотерапия и даже вкусовая терапия — все это издавна служило исцелению человека и служит по сей день. Но, к сожалению, это древнее богатство не всегда и не всеми современными врачами используется: никому нельзя объять необъятное.
Однако в наше время — время научно—технического прогресса, глобальной химизации и электрификации, нужда в лечении именно экологической средой человека в целом стала намного больше, чем в прежние века. Можно даже запатентовать такой «оригинальный» метод, как «экологотерапия» (хотя есть «натуротерапия»). По—другому такую методику можно назвать «мультифакторная медицина». Этому понятию соответствуют также современные термины «интегративная» и «социальная» медицина. Биопсихосоциальная концепция здоровья Всемирной организации здравоохранения также базируется на холистической концепции человеческого здоровья.
Ещё максимально комплексный (интегративный) подход к психофизической саморегуляции здоровья можно обозвать такими терминами, как «здоровый образ жизни», «гигиена», «санитария», «экология человека», Fitwel—технологии, велнесс и акмеология. Важно, что все эти науки делают акцент на «лечении средой», то есть окружающими нас в повседневной жизни природными и минимально искусственными факторами, каждый из которых может быть и причиной, и почвой, и способом лечения для эмоциональных или телесных расстройств.
Чтобы кибернетическая система сознательной саморегуляции состоялась, нужно сначала попробовать минимум 100 (а не 3—5) разных методик, а затем выбрать 2—3 самых приятных способа, которые уже применять ежедневно. В основном, это психотерапевтические и «натуротерапевтические» методики. Хотя можно и лекарственные (любую химию), физиотерапевтические (искусственные поля) и социальные (антитоксичный нетворкинг) подходы к саморегуляции, конечно, использовать.
Самое удивительное, что, даже, если мы хоть и против вот этой вот всякой бесовщины (в религиях не очень любят медитацию, йогу и цигун, например), то всё равно вся наша жизнь — нескончаемая саморегуляция, бессознательно. И причем психологическая, медицинская, душевная и телесная одновременно. Но есть ещё сознательные цели саморегуляции и есть даже наш официальный кагбэ враг — вредоносный чрезмерный стресс. Так называемый патологический эмоциональный стресс проявляется по—разному — это может быть постоянная раздражительность, неприятная возбужденность, хроническая утомляемость, слабость, негативные эмоции (гнев, обида, зависть), самоуничижение, конфликтность, агрессивность, «букет» хронических заболеваний (гипертоническая болезнь, язва желудка, сахарный диабет), психосоматические расстройства (головная боль, запор, сердцебиение), ощущение безнадежности, пессимизм, неумение контролировать себя, плохие взаимоотношения с коллегами по работе, чувство вины из—за несдержанности, страх будущего; так можно перечислять до бесконечности.
С другой стороны, стресс — это жизнь. Только живой человек имеет вышеназванные проблемы. Только живые существа способны реагировать. Когда—то даже всю науку психологию хотели переименовать в «реактологию». И поэтому мы назвали статью, например, не «избавление от» или «лечение, профилактика» стресса или других расстройств или болезней, а именно «саморегуляция здоровья», то есть кибернетическое (по Анохину) улучшение своего психосоматического самочувствия. Ведь иногда нам катастрофически не хватает стрессовых стимулов и мы начинаем лихорадочно искать новых и/или острых ощущений. Можно сказать, таким образом, что отрицательный чрезмерный эмоциональный стресс — это самая общая наипервейшая причина болезней; в то же время, будучи положительным и дозированным, эмоциональный стресс превращается в мощное средство лечения.
Когда знаменитый ученый Ганс Селье в 1932 году предложил понятие «стресс», он, скорее всего, предполагал, что термин этот станет обиходным не только у физиологов и медиков, но и у философов. Однако он не думал, что когда это слово станет интернациональным, оно приобретет в обществе исключительно отрицательную окраску — в разговорной речи и популярной литературе термином «стресс» будут обозначать только патологический, «плохой» стресс, который Селье предлагал называть другим термином — «дистресс».
Состояние дистресса — это предневротическое состояние, когда вот—вот появятся признаки невроза, депрессии, психосоматического расстройства или даже хронической соматической болезни. В этих случаях требуется помощь квалифицированного специалиста — врача—психотерапевта или психолога. А вот когда дистресс появляется только периодически, тогда и пригодятся методики психофизической самопомощи, построенные на универсальной обратной связи, в том числе и нашей самой родной и любимой — биологической.
Слава Богу, что уже давно принято во всём мире считать, по определению ВОЗ, что «здоровье» — это «не только отсутствие болезней и физических недостатков, но и состояние полного телесного, психического и социального благополучия». Поэтому одна из основных идей этой статьи заключается именно в том, что лечить или корректировать надо не одну—другую болезнь или симптом, как чаще бывает, а «всего человека, как кибернетическую систему», где всё связано, по академику Анохину и иже с ними. Эта мысль напрочь лишена исторической оригинальности, ей уже скоро исполнится две—три тысячи лет, как минимум. Тем не менее, столько же времени она не соблюдается тысячами и миллионами людей и даже врачей и психологов.
Ведь ни у кого не вызывает сомнений факт, что у каждого из нас есть душа (психическое начало), тело (биологическая часть) и дух (социальный компонент). Этика, спокойствие и осанка, например, одинаково нужны для здоровья. И поэтому только добрый и мудрый мануальный терапевт действительно может вылечить человека, добавив к своему массажу еще свою «энергетику» — личный пример образа жизни для пациента. А другой мануальщик способен всего лишь на месяц—другой уменьшить боли в пояснице.
К сожалению, в России и практически всем мире подготовка никакого врача не включает в себя методы одновременно и социо— и психо— и биологической терапии, не принято так. Существуют по отдельности, правда, социальные работники, психологи и врачи — всякие терапевты — прекрасные специалисты, но как же редко они общаются. К счастью, сейчас положение немного меняется по двум направлениям. Созданы и развиваются центры психолого— медико— и социальной помощи, где вместе работают специалисты всех трех направлений. Кроме этого, в подготовку сегодняшних врачей—психотерапевтов, психологов, педагогов и социальных работников стало входить знакомство их всех друг с другом и совместные занятия по улучшению взаимодействия, так как назрела необходимость в комплексном подходе к человеку.
Результатом применения методик комплексной саморегуляции является как раз улучшенное, скорректированное по своей воле и в сотрудничестве со специалистами и друзьями, здоровье. То есть нас, специалистов максимально комплексной цифровизации биомедицины и психологии, интересует увеличение положительного, а не борьба с отрицательным, хорошее самочувствие, не только физическое, но и эмоциональное и социальное. Всего этого мы вам и желаем от чистого сердца!
Возрастающая сложность
Саморегуляция в природе всегда основывается на принципе обратной связи и в целом протекает по схожему сценарию. Однако на каждом следующем уровне появляются факторы, усложняющие процесс. Для клетки важно постоянство внутренней среды, сохранение определенного значения концентрации различных веществ. На следующем уровне процесс саморегуляции призван решать гораздо больше задач. Поэтому у многоклеточных организмов появляются целые системы, поддерживающие гомеостаз. Это органы дыхания, выделения, кровообращения и им подобные. Изучение эволюции животного и растительного мира легко дает понять, как по мере усложнения строения и внешних условий совершенствовались механизмы саморегуляции.
Экология СПРАВОЧНИК
Саморегуляция экосистем — важнейший фактор их существования — обеспечивается внутренними механизмами, устойчивыми связями между их компонентами, трофическими и энергетическими взаимоотношениями.[ …]
Одним из самых характерных свойств живого является постоянство внутренней среды организма при изменяющихся внешних условиях. Регулируются температура тела, давление, насыщенность газами, концентрация веществ и т. д. Явление саморегуляции осуществляется не только на уровне всего организма, но и на уровне клетки. Кроме того, благодаря деятельности живых организмов саморегуляция присуща и биосфере в целом. Саморегуляция связана с такими свойствами живого, как наследственность и изменчивость.[ …]
САМОРЕГУЛЯЦИЯ — способность природной (экологической) системы к восстановлению баланса внутренних свойств после к.-л. природного или антропогенного влияния. Основана на принципе обратной свлзи отдельных подсистем и экологических компонентов, составляющих природную систему.[ …]
Суть саморегуляции у высших животных заключается в том, что при систематически меняющихся окружающих условиях сохраняется постоянство внутренней среды. Это выражается в поддержании постоялкой температуры тела, в постоянстве химического, ионного и газового состава, давления, частоты дыхания и сердечных сокращений, постоянном синтезе нужных веществ и разрушении вредных. Гомеостаз — важнейшее свойство организма — достигается благодаря совместной деятельности нервной, кровеносной, иммунной, эндокринной и пищеварительной систем.[ …]
Часто саморегуляция заключается в перестройке активности внутренней среды организма с учетом фотопериодических условий (сброс листьев у растений, смена оперения у птиц, изменение активности в течение суток и т.д.). Установлено, что все эукариоты обладают биологическими часами и способны измерять суточные, лунные и сезонные циклы. Приспособлением многих видов организмов к неблагоприятным условиям жизни является ш-шоиоз — т.с. состояние, характеризующееся резким снижением или даже временным прекращением обмена веществ (зимняя спячка зверей). Все эти серьезные изменения являются типичными для конкретных видов и определяются их генотипом.[ …]
Поскольку самовосстановление и саморегуляция являются природными свойствами экосистем, то почвы, воздух и вода в природных экосистемах способны к самоочищению. Однако из-за вымирания под натиском деятельности человека многих биологических видов — звеньев трофических цепей — экосистемы теряют способность к восстановлению и начинают разрушаться сами.[ …]
Разнообразны проявления и механизмы саморегуляции на-дорганизменных систем — популяций и биоценозов. На этом уровне поддерживаются стабильность структуры популяций, составляющих биоценозы, их численность, регулируется динамика всех компонентов экосистем в изменяющихся условиях среды. Сама биосфера является примером поддержания гомеостатического состояния и проявлений саморегуляции живых систем.[ …]
Природные почвенные экосистемы теряют способность к саморегуляции также в силу химического, механического, бактериального и физического загрязнения: отходами промышленности, сельского и коммунально-бытового хозяйства. В Москве площадь значительного загрязнения с 1977 по 1988 год увеличилась со 100 до 600 км2. В 6 раз возросло среднее содержание в почвах тяжелых металлов. Удаление и складирование твердых отходов — проблема любого городского хозяйства. В отвалы предприятий добывающей и перерабатывающей промышленности идет до 90% добытого из недр сырья, площадь отвалов составляет тысячи квадратных километров.[ …]
Мерой экосистем являются процессы, протекающие в них, и саморегуляция этих процессов.[ …]
Основными механизмами приспособления являются механизмы саморегуляции. Они действуют и на уровне клетки, и на уровне органа, системы и организма. В основе этих механизмов лежит следующее: продукты распада стимулируют синтез исходного вещества. Например, распад АТФ увеличивает содержание АДФ, а последняя повышает синтез АТФ, при этом тормозятся другие обменные процессы в клетке. Процесс клеточной саморегуляции не является автономным, он подчиняется регулирующему влиянию нервной, эндокринной и иммунной систем, осуществляющих нервный, гуморальный и клеточный контроль за постоянством внутренней среды организма. Включение различных уровней адаптации во многом зависит от интенсивности возмущающего действия, степени отклонения физиологических параметров (рис.6).[ …]
В начале 60-х годов нашего столетия была предложена кот цепция саморегуляции популяций, согласно которой в процессе роста популяции изменяется не только и не столько качество среды, в которой существует эта популяция, сколько качество самих составляющих ее особей. Следовательно, суть концепции саморегуляции состоит в том, что любая популяция способна регулировать свою численность так, чтобы не подрывать возобновляемые ресурсы местообитания, и так, чтобы не потребовалось вмешательства каких-либо внешних факторов, например хищников или неблагоприятной среды.[ …]
На высокой активности живого вещества основываются и процессы саморегуляции в биосфере. Продукция кислорода поддерживает наличие и мощность озонового экрана, а тем самым функционирование «фильтра» для энергии Солнца и космического излучения, регулирует в целом поток энергии, поступающей к земной поверхности и к живым организмам. Постоянство минерального состава океанических вод поддерживается деятельностью организмов, активно извлекающих отдельные элементы, что уравновешивает их приток с поступающим в океан речным стоком. Подобная регуляция осуществляется и во многих других процессах.[ …]
СООБЩЕСТВО УСТОЙЧИВОЕ — биотическое сообщество, сохраняющее видовой состав и функциональные особенности в силу саморегуляции или постоянного воздействия внешнего управляющего фактора. Примером самоподдерживающихся С. у. могут служить климаксовые и узловые сообщества, а поддерживаемых извне — параклимаксы.[ …]
Экосистемы сложились в процессе длительной эволюции, и они являются слаженными, устойчивыми механизмами, способными путем саморегуляции противостоять как изменениям в среде, так и изменению в численности организмов.[ …]
Регуляторные свойства. Отмечалось ранее, что одним из основных условий существования сложных систем служит их способность к саморегуляции, которая возникает на основе обратных связей. Принцип отрицательной обратной связи состоит в том, что отклонение системы от нормального состояния приводит в действие такие присущие ей механизмы, которые «пытаются» возвратить её в норму. Так, возрастание численности жертв приводит к увеличению численности хищников и паразитов. Рост плотности популяции выше определенного уровня, в свою очередь, так изменяет связи внутри вида, что снижается его воспроизводительная способность или усиливается рассредоточение особей в пространстве. Подчеркнем, что саморегуляция происходит тем успешнее, чем выше разнообразие видов в биоценозах и чем сложнее структура популяций.[ …]
Значительные преобразования внутри биомов и смещение в них равновесия между экосистемами низшего порядка неминуемо вызывают саморегуляцию на высшем уровне. Это отражается на многих природных процессах — от изменения глубины залегания грунтовых вод до перераспределения воздушных потоков. Аналогичное явление наблюдается и на уровне очень крупных систем биосферы при изменении соотношения между территориями биомов. В ходе освоения земель, в самом широком понимании этого слова, нарушается и компонентное, и территориальное равновесие. До определенной степени это допустимо и даже необходимо, ибо только в неравновесном состоянии экосистемы способны давать полезную продукцию (вспомним формулу чистой продукции сообщества). Но не зная меры, человек стремится получить больше, чем может дать природа, забывая, что запасы имеют фундамент из великого множества элементов, пока не входящих в понятие «ресурсы».[ …]
По своей сути сверхпроводимость, свойственная ион-радикальным формам соединений, является глобальным явлением, обеспечивающим космоземные связи и саморегуляцию на планете. Иначе говоря, Космос и Земля, человек и природа являются макроскопическими квантовыми объектами, подобными орбиталям электронов в атоме.[ …]
Большинство природных экосистем образовались в ходе длительной эволюции в результате длительного процесса адаптации видов к среде обитания. В результате саморегуляции экосистема способна в определенных пределах противостоять изменяющимся условиям жизни или внезапному изменению плотности популяции.[ …]
Главная цель экологического дизайна, — это конструирование динамического экологического равновесия природно-технической системы, стимуляция развития внутренних связей саморегуляции природной системы, исключение возможностей эксплуатации объектов при угрозе загрязнения и нарушения экологического равновесия.[ …]
Таким образом, под экологическим равновесием при развитии процессов урбанизации мы будем понимать такое динамическое состояние природной среды, при котором обеспечиваются саморегуляция и воспроизводство основных, ее компонентов — атмосферного воздуха, водных ресур-срв, почвенного покрова, растительности и животного мира.[ …]
Основными задачами в указанной сфере являются сохранение и восстановление ландшафтного и биологического разнообразия, достаточного для поддержания способности природных систем к саморегуляции и компенсации последствий антропогенной деятельности.[ …]
Одной из основных задач инженерной экологии является создание таких методов и средств формирования и управления ПТГ, которые обеспечивали бы их функционирование, не нарушая механизмов саморегуляции объектов биосферы и естественного баланса природообразующих геосфер. В этой связи перед авторами стояла задача проработать и систематизировать обширный круг инженерно-прикладных вопросов, формирующих необходимую базу знаний современного инженера.[ …]
Гомеостаз(ис) — состояние подвижного равновесия (постоянного и устойчивого неравновесия) reo-, экосистемы, поддерживаемое сложными приспособительными реакциями, постоянной функциональной саморегуляцией природных систем.[ …]
Стадия взаимодействия между обществом и природой, на которой до предела обостряются противоречия между экономикой и экологией, а возможности сохранения потенциального гомеостаза, т. е. способности саморегуляции и экосистем в условиях антропогенного воздействия, серьезно подорваны, получила название экологического кризиса.[ …]
Изначально Homo sapiens жил в окружающей природной среде, как и все консументы экосистемы, и был практически незащищен от действия ее лимитирующих экологических факторов. Первобытный человек был подвержен тем же факторам регуляции и саморегуляции экосистемы, что и весь животный мир, продолжительность его жизни была небольшой, и весьма низкой была плотность популяции. Главными из ограничивающих факторов были гипердинамия и недоедание. Среди причин смертности на первом месте стояли патогенные (вызывающие болезни) воздействия природного характера. Особое значение среди них имели инфекционные болезни, отличающиеся, как правило, природной очаговостью.[ …]
Размер системы, или характерный размер системы,— это пространственная ее протяженность (объем, площадь) или масса, а также минимальное (максимальное) число подсистем, позволяющее системе существовать и функционировать с осуществлением саморегуляции и самовосстановления в рамках своего характерного времени. Системное время (характерное, или собственное, время системы) — это время, рассматриваемое в рамках периода существования данной системы и/или происходящих в ней процессов. Эти процессы ограничены термодинамикой системы, ее функциональными особенностями. Сочетание цели системы, ее характерного времени и пространства создает предпосылки для действия закона оптимальности, разобранного в разд. 3.2.1. В то же самое время, поскольку системы с одной и той же функциональной целью, формируемой обратными связями, располагаются на одном уровне иерархии и поэтому ограничены однотипным характерным временем и пространством, их построение подчинено одному ряду внутренних закономерностей. Это — смысловое «третье измерение» табл. 2.1, упомянутое в главе 2.[ …]
Биосфера, весьма динамичная планетарная экосистема, во все периоды своего эволюционного развития постоянно изменялась под воздействием различных природных процессов. В результате длительной эволюции биосфера выработала способность к саморегуляции и нейтрализации негативных процессов. Достигалось это посредством сложного механизма круговорота веществ, рассмотренного нами во втором разделе.[ …]
Природопользование может быть «жестким», командным, пренебрегающим учетом естественных процессов или даже грубо нарушающим их с помощью технических средств, а может быть «мягким», основанным на воздействии через естественные механизмы саморегуляции экосистем, т.е. способности последних к восстановлению своих свойств после антропогенного воздействия.[ …]
Биоцентризм (экоцентризм) — воззрение, согласно которому (в противоположность антропоцентризму): взаимодействие человеческого общества с живой природой должно быть подчинено экологическому императиву — требованию сохранения целостности саморегуляции биосферы.[ …]
Отличительная особенность экосферы — наличие гомеостазиса, то-есть состояния внутреннего динамического равновесия системы, поддерживаемого регулярным возобновлением ее структур, вещественно-энергетического состава и постоянной функциональной саморегуляцией ее компонентов.[ …]
В связи с поисками выхода из, экологического кризиса активизировались попытки построить научную теорию взаимодействия природы и общества. Идет научный поиск основных законов оптимизации взаимодействия общества и природы, которые стали бы законами саморегуляции системы «общество—природа». Среди этих законов центральное место принадлежит закону оптимального соответствия характера общественного развития состоянию природной среды.[ …]
Биогеоценоз — это однородный участок земной поверхности с исторически сложившимся определенным составом живых организмов и компонентами неживой природы (почвой, атмосферой, климатом, солнечной энергией), характеризующийся относительной устойчивостью и саморегуляцией (рис. 93). Биогеоценоз представляет собой как бы элементарную структуру, «клеточку» биосферы. Между отдельными биогеоценозами имеются тесные связи, в результате которых образуется единый биогеоценотический покров Земли.[ …]
ЭКОСИСТЕМА —совокупность биотических и косных составляющих, которая, используя внешний поток энергии, создает более сильные связи (обмен веществом и информацией) внутри себя, чем между рассматриваемой совокупностью и ее окружением, что обеспечивает неопределенно долгую саморегуляцию и развитие целого под управляющим воздействием биотических составляющих.[ …]
В лесу число видов животных значительно больше, чем растений. Однако высокая продуктивность (до 10 т на 1 га ежегодно) продуцентов значительно перекрывает биомассу всех животных (около 10 кг на 1 га). Поэтому используется лишь 10—20 % ежегодного прироста растений. Это соотношение поддерживается автоматически. Саморегуляция позволяет сохранять видовой состав и численность. Однако иногда насекомые-вредители леса размножаются в огромных количествах, уничтожая всю листву (непарный шелкопряд, листовертки). Немалая часть биомассы ежегодно минерализуется. Это растительный опад и остатки животных, которыми питаются редуценты. К ним относятся личинки мух-падалыци-ков, черви, жуки, бактерии, грибы.[ …]
Каждый из «блоков» экосистемы в значительной степени является азональным — вследствие преобладания процессов окультуривания и рекультивации созданных человеком почвенных конструкции и определенной агротехники ухода за растениями. Они заведомо отличаются от природных, в которых преобладают естественные факторы саморегуляции и естественного отбора. Растительность подобных искусственных экосистем обладает высоким разнообразием устойчивых в городских условиях декоративных видов, как аборигенных, так и интро-дуцированных. Устойчивость биоразнообразия поддерживается не только подбором устойчивых видов, но и особенностями размещения посадок, обеспечивающими максимальную экологическую емкость территории для фауны.[ …]
Некоторые исследователи при определении предмета социальной экологии склонны особо отмечать ту роль, которую эта молодая наука призвана сыграть в гармонизации взаимоотношений человечества со средой своего обитания. По мнению Э.В.Гиру-сова, социальная экология должна изучать прежде всего законы общества и природы, под которыми он понимает законы саморегуляции биосферы, реализуемые человеком в его жизнедеятельности.[ …]
Вместе с тем в рамках эволюции крупных космических систем (например, Солнечной), очевидно, действует закон неограниченности прогресса: развитие от простого к сложному эволюционно неограничено. Абсолютизировать эту закономерность не стоит. Прогресс неограничен лишь при очень значительных усилиях и саморегуляции как ведущем факторе развития. Он требует постоянных жертв, число которых также ограничено пределами разумной достаточности, а длительность «неограниченности» все же лимитирована эволюционными рамками. Для Земли это время существования самой планеты. Так что можно говорить лишь о квазинеограниченности прогресса любых систем Земли.[ …]
Эмпирические наблюдения подводят к формулировке аксиомы, или закона системного сепаратизма: разнокачественные составляющие системы всегда структурно независимы. Между ними существует функциональная связь, может быть взимопроникновение элементов, но это не лишает целостностей, входящих в систему, структурной самостоятельности при общности «цели» — сложения и саморегуляции общей системы. Например, организм состоит из органов. Каждый из них «не заинтересован» в ухудшении работы другого органа или в уменьшении его размеров. Наоборот, в составе системы организма каждый орган тесно связан с другими гумо-рально и общей судьбой. Вместе с тем, печень не может быть частью сердца, но лишь функциональной составляющей пищеварительной системы. Таковы же взаимоотношения в любых системах, в том числе в социальном их ряде, хотя это не всегда осознается. Границы могут быть не столь четки, как в организме между органами (хотя и в нем они достаточно размыты). Например, государства в истории неоднократно укрупнялись, входя друг в друга, и разукрупнялись. Однако в конечном итоге империи распадались в силу действия закона оптимальности (см. ниже) размеров и неизбежного сепаратизма наций и народов, этносов. Это не противоречит экономическому и даже политическому объединению государств на основе «гуморальной» связи мирового рынка. Общемировое единое государство как структурно гомогенное образование также невозможно, как не может быть высшего организма из аморфного клеточного вещества, недифференцированных тканей и т. п. «Плавильный котел» наций возможен лишь как юридическое, но не физическое состояние, если речь не идет о тысячелетиях.[ …]
При всех колебаниях числа составляющих оно подчиняется действию закона избыточности системных элементов при минимуме числа вариантов организации: многие динамические системы стремятся к относительной избыточности основных своих составляющих при минимуме вариантов организации. Избыточность числа элементов нередко служит непременным условием существования системы, ее качественно-количественной саморегуляции и стабилизации надежности, обеспечивает ее квазирав-новесное состояние. В то же время число вариантов организации жестко лимитировано. Природа часто «повторяется», ее «фантазия», если говорить не о числе и разнообразии однотипных элементов, а о количестве самих типов организации, очень ограничена. Отсюда многочисленные структурные аналогии и гомологии, однопорядковые формы организации общественных процессов и т. п.[ …]
Особенность иерархических систем управления заключается в том, что информация о состоянии объекта контроля может быть получена лишь с нижних уровней управляемой системы. А это предопределяет особые (основанные на доверии) отношения между контролирующей и управляющей системами и системой производства. Отсюда концепция современных информационно-управляющих природоохранных систем основывается на знании законов саморегуляции природных систем, на знании возможного предела вмешательства человека в эти саморегулируемые системы, за которым — необратимые катастрофические последствия.[ …]
Природопользование может быть нерациональным и рациональным. Нерациональное природопользование не обеспечивает сохранение природно-ресурсного потенциала, ведет к оскудению и ухудшению качества природной среды, сопровождается загрязнением и истощением природных систем, нарушением экологического равновесия и разрушением экосистем. Рациональное природопользование озпячаегт комплексное научно-обоснованное использование природных богатств, при котором достигается максимально возможное сохранение природно-ресурсного потенциала, при минимальном нарушении способности экосистем к саморегуляции и самовосстановлению.[ …]
Для управления экосистемами не требуется регуляция извне — это саморегулирующаяся система. Саморегулирующий гомеостаз на экосистемном уровне обеспечен множеством управляющих механизмов. Один из них — субсистема «хищник—жертва» (рис. 5.3). Между условно выделенными кибернетическими блоками управление осуществляется посредством положительных и отрицательных связей. Положительная обратная связь «усиливает отклонение», например увеличивает чрезмерно популяцию жертвы. Отрицательная обратная связь «уменьшает отклонение», например, ограничивает рост популяции жертвы за счет увеличения численности популяции Хищников. Эта кибернетическая схема (рис. 5.3а) отлично иллюстрирует процесс коэволюции в системе «хищник—жертва», так как в этой «связке» развиваются и взаимные адаптационные процессы (см. рис. 3.5). Если в эту систему яе вмешиваются другие факторы (например, человек.уничтожил хищника), то результат саморегуляции будет описываться гомеостатическим плато (рис. 5.3 б) — областью отрицательных связей, а при нарушении системы начинают преобладать обратные положительные связи, что может привести к гибели системы.[ …]
Очень краткое определение экологической системы (экосистемы) — пространственно ограниченное взаимодействие организмов и окружающей их среды. Ограничение может быть физико-химическим (например, граница капли воды, пруда, озера, острова, пределов биосферы Земли в целом) или связанным с круговоротом веществ, интенсивность которого внутри экосистемы выше, чем между нею и внешним миром. В последнем случае границы экосистемы размыты, имеется более или менее широкая переходная полоса. Так как все экосистемы составляют иерархию в составе биосферы планеты и функционально связаны между собой, имеется непрерывный континуум (как сказано выше, он проблематичен между сушей и океаном). Прерывность и непрерывность сосуществуют одновременно. Об этом уже было упомянуто в главе 2. Там же была приведена схема экологических компонентов экосистемы (рис. 2.4). Это позволяет здесь дать лишь ее развернутое определение: информационно саморазвиваю-щаяся, термодинамически открытая совокупность биотических экологических компонентов и абиотических источников вещества и энергии, единство и функциональная связь которых в пределах характерного для определенного участка биосферы времени и пространства (включая биосферу в целом) обеспечивает превышение на этом участке внутренних закономерных перемещений вещества, энергии и информации над внешним обменом (в том числе между соседними аналогичными совокупностями) и на основе этого неопределенно долгую саморегуляцию и развитие целого под управляющим воздействием биотических и биогенных составляющих.[ …]
Организменный уровень
Лучше всего постоянство внутренней среды поддерживается у млекопитающих. Основы развития саморегуляции и ее осуществления — это нервная и гуморальная система. Постоянно взаимодействуя, они контролируют происходящие в организме процессы, способствуют созданию и поддержанию динамического равновесия. В головной мозг поступают сигналы от нервных волокон, присутствующих в каждом участке тела. Сюда же стекается информация от эндокринных желез. Взаимосвязь нервной и гормональной регуляции способствует часто практически мгновенной перестройке протекающих процессов.
Обратная связь
Работу системы можно проследить на примере поддержания артериального давления. Все изменения этого показателя улавливают специальные рецепторы, располагающиеся на сосудах. Увеличение или понижение давления влияет на растяжении стенок капилляров, вен и артерий. Именно на эти изменения и реагируют рецепторы. Сигнал передается в сосудистые центры, а от них исходят «указания», как скорректировать тонус сосудов и сердечную деятельность. Подключается и система нейрогуморальной регуляции. В результате давление возвращается к норме. Легко заметить, что в основе слаженной работы системы регуляции лежит все тот же механизм обратной связи.
Во главе всего
Саморегуляция, определение тех или иных корректив в деятельности организма, лежит в основе всех изменений тела, его реакций на внешние стимулы. Стрессовое воздействие и постоянные нагрузки могут привести к гипертрофии отдельных органов. Примером этого служат развитые мышцы спортсменов и увеличенные легкие любителей фридайвинга. Стрессовым воздействием часто является болезнь. Гипертрофия сердца — нередкое явление у людей с диагнозом ожирение. Это ответ организма на необходимость увеличения нагрузки по прокачиванию крови.
Механизмы саморегуляции лежат и в основе физиологических реакций, возникающих при испуге. В кровь выбрасывается большое количество гормона адреналина, что вызывает ряд изменений: повышение потребления кислорода, увеличение количества глюкозы, учащение сердечного ритма и мобилизация мышечной системы. При этом общий баланс поддерживается за счет погашения активности других компонентов: замедляется пищеварение, пропадают половые рефлексы.
Внешнее воздействие
Поддержание гомеостаза сопровождается постоянным воздействием извне. Меняющиеся вокруг экосистемы условия приводят к необходимости корректировки внутренних процессов. Выделяют несколько критериев устойчивости:
- высокий и сбалансированный репродуктивный потенциал особей;
- адаптации отдельных организмов к меняющимся условиям среды;
- видовое разнообразие и разветвленные пищевые цепи.
Эти три условия способствуют поддержанию экосистемы в состоянии динамического равновесия. Таким образом, на уровне биогеоценоза саморегуляция в биологии — это воспроизведение особей, сохранение численности и устойчивость к факторам внешней среды. При этом, как в случае с отдельным организмом, равновесие системы не может быть абсолютным.
Концепция саморегуляции живых систем распространяет описанные закономерности и на человеческие сообщества и общественные институты. Широко используются ее принципы и в психологии. По сути, это одна из фундаментальных теорий современного естествознания.
КОНЦЕПЦИЯ САМОРЕГУЛЯЦИИ ЖИВЫХ СИСТЕМ
КОНЦЕПЦИЯ САМОРЕГУЛЯЦИИ ЖИВЫХ СИСТЕМ
Саморегуляция
— в биологии, свойство биологических систем автоматически устанавливать и поддерживать на определённом, относительно постоянном уровне те или иные физиологические или другие биологические показатели. При саморегуляции управляющие факторы не воздействуют на регулируемую систему извне, а формируются в ней самой. «Биологический энциклопедический словарь»
Саморегуляция в системе — это внутреннее регулирование процессов с подчинением их единому стабильному порядку. (слайд 2)
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.
Основоположник идеи о физиологическом гомеостазе Клод Бернар рассматривал стабильность физико-химических условий во внутренней среде как основу свободы и независимости живых организмов в непрерывно меняющейся внешней среде. (слайд 3)
Саморегуляция происходит на всех уровнях организации биологических систем — от молекулярно-генетического до биосферного (слайд 4). Поэтому проблема гомеостаза в биологии носит междисциплинарный характер. 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. 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.1а).
слайд 5
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.
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. 1б). Таким образом,
для поддержания гомеостаза системы используется принцип отрицательной обратной связи.
Далее на конкретных примерах покажем саморегуляцию биологических систем разного уровня сложности.
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 лактозы у кишечной палочки. 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. 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? 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. Лактоза, поступившая в клетку, сама раскрывает структурный ген, используя для этого в качестве ключика операторный участок. Исчезновение лактозы автоматически приводит к закрытию гена (слайд 6).
По своей простоте система регуляции гена концентрацией субстрата похожа на простые технические регуляторы. Однако, у эукариот регуляция генной активности более сложная.
Другой пример простых саморегулирующихся систем, использующих обратную отрицательную связь, представляют ферментативные цепи, ингибируемые конечным продуктом. Суть регуляции состоит в том, что конечный продукт имеет сродство с первым ферментом. Связываясь с ферментом, продукт ингибирует (подавляет) его активность, так как полностью искажает его третичную структуру. Работает следующий регуляторный цикл. При повышении концентрации конечного продукта выше необходимого уровня его избыток ингибирует ферментную цепь (для этого достаточно остановить самый первый фермент). Ферментация прекращается, а свободный продукт расходуется на нужды клетки. Через некоторое время возникает дефицит продукта, блок с ферментов снимается, цепь активируется, и производство продукта снова растет. (слайд 7)
Третий пример — поддержание внутриклеточного осмотического гомеостаза. В механизме возникновения нервных импульсов важную роль играют ионы натрия, концентрация которых снаружи клетки должна поддерживаться на более высоком уровне, чем внутри. Благодаря натриевым насосам, встроенным в мембрану клетки, удерживается нужный градиент ионов. Как только клетка получает избыток натрия, активируется натриевый насос (его фермент, расщепляющий АТФ и дающий энергию). Натрий выкачивается, его концентрация в клетке падает, что служит сигналом для отключения насоса. (слайд 
Заметим, однако, что регулируемые параметры не бывают абсолютно постоянными, они поддерживаются в допустимых границах. В каждом случае это свои физиологические границы, позволяющие нормально осуществлять клеточные функции.
САМОРЕГУЛЯЦИЯ МНОГОКЛЕТОЧНОГО ОРГАНИЗМА
У многоклеточных организмов появляется внутренняя среда, в которой находятся клетки различных органов и тканей, происходит усложнение и совершенствование механизмов гомеостаза. В ходе эволюции формируются специализированные органы кровообращения, дыхания, пищеварения, выделения и др., участвующие в поддержании гомеостаза.
Наиболее совершенен гомеостаз у млекопитающих, что способствует расширению возможностей их приспособления к окружающей среде. У млекопитающих, а также у птиц, в узких пределах регулируется температура тела — их называют теплокровными животными.
Основную роль в поддержании гомеостаза организма играют нервная и гормональная системы регуляции (слайд 9).
Наиболее важную интегрирующую функцию выполняет центральная нервная система, особенно кора головного мозга. Большое значение имеет и вегетативная нервная система, в частности ее симпатический отдел. Гормональная регуляция обеспечивается системой эндокринных желез. Центральная эндокринная железа — гипофиз имеет прямую связь с головным мозгом (через посредство гипоталамуса), а ее гормоны через кровь воздействуют на все местные эндокринные железы..
Выделяемые эндокринными железами гормоны с током крови (гуморально) распространяются ко всем органам-мишеням и участвуют в регуляции их роста и функционирования. Таким образом, фактически благодаря связи нервной и эндокринной систем осуществляется единая нейрогормональная саморегуляция организма. (слайд 10)
Интересна и показательна регуляция пищевого поведения у позвоночных животных и человека. В гипоталамусе — находятся центры голода и насыщения. В крови голодного животного (или человека) возникает недостаток глюкозы. Низкая концентрация глюкозы в крови приводит к раздражению центра голода. По нервным волокнам отдаются команды в мозг, на мышцы, и организуется поиск пищи. Когда пища найдена, включаются механизмы питания, пищеварения и всасывания продуктов в кровь. Концентрация глюкозы в крови растет, что приводит к раздражению центра насыщения, далее к подавлению аппетита и прекращению питания. Когда глюкоза расходуется, ее концентрация в крови вновь понижается, отчего раздражается центр голода. Цикл повторяется. Поскольку гипоталамус связан и с нервными центрами, и со всей эндокринной системой, цикл пищевого поведения синхронизирован также с нервно-рефлекторной и гуморальной регуляцией желез пищеварительного тракта: выделяется слюна, желудочный сок, ферменты поджелудочной железы и кишечника, мобилизуется перистальтика. (слайд 11)
Механизм обратной отрицательной связи вовлечен в поддержание постоянства числа клеток в обновляющихся тканях, таких как кровь, кишечный или кожный эпителий. (слайд 12)
В этих тканях имеется резерв недифференцированных клеток (например, красный костный мозг для крови), которые многократно делятся, дифференцируются, работают, стареют и отмирают. Считают, что зрелые клетки выделяют вещества, ингибирующие молодые делящиеся клетки. Выстраивается цепь взаимозависимых реакций: при избытке зрелых клеток продукция ингибитора высока и размножение клеток подавляется; уменьшение числа зрелых клеток в результате их естественной гибели сопровождается снижением концентрации ингибитора в среде; блок клеточных делений снимается; размножение молодых клеток усиливается; число зрелых клеток восстанавливается. Далее вновь возрастает продукция ингибитора и цикл повторяется. Общее число зрелых клеток в ткани колеблется около некоторого среднего уровня, резко не снижается и не повышается. По механизму передачи сигнала здесь мы имеем гуморальную систему, ингибитор работает как внутритканевой «гормон».
К числу регуляторных систем, обеспечивающих внутреннее постоянство организма, кроме нервной и эндокринной, следует отнести иммунную систему, (слайд 13) которая отслеживает и поддерживает генетическую чистоту внутренней среды и тканей организма, устраняя проникшие вирусы, микробы или собственные мутантные клетки. Как и в случае с внутриклеточной регуляцией, мы должны заметить, что гомеостаз организма не бывает абсолютным. Любые параметры: температура тела, артериальное давление, пищевое поведение, частота сердечных сокращений, число клеток в ткани и многие другие — находятся в колебательном режиме. Это вытекает из самой природы механизма регуляции — прямая и обратная связи замкнуты в цикл, на оборот которого требуется определенное время. За это время регулируемая система успевает измениться в ту или иную сторону, что и выражается в колебании ее параметров. Но средний уровень параметра должен соответствовать норме, а коридор его колебаний не должен выходить за физиологические пределы.
Нормальные колебания функциональных характеристик организма происходят постоянно и называются биоритмами. (слайд 14) Скорость синтеза белков в клетке колеблется в околочасовом (1,5 — 2 часа) ритме, большинство организменных ритмов имеют околосуточную периодичность, есть месячные, годичные и даже многолетние ритмы. Подавляющее большинство биоритмов являются наведенными, они сформированы под действием абиотических (небиологических) ритмов внешней среды. И вообще колебательное состояние системы является наиболее устойчивым. Именно поэтому колебательное состояние внутренней среды организма выступает как важный фактор поддержания гомеостаза.
САМОРЕГУЛЯЦИЯ В ЭКОСИСТЕМАХ
Концепция гомеостаза экосистемы в экологии была разработана Ф. Клементсом (1949) (слайд 15). Равновесие в экосистемах процессами с обратной связью. Гомеостаз –это способность популяции или экосистемы поддерживать устойчивое динамическое равновесие в изменяющихся условиях среды. В гомеостазе (устойчивости) живых систем выделяют:
- Выносливость (живучесть, толерантность — способность переносить изменения среды без нарушения основных свойств системы.
- Упругость (резистентность, сопротивляемость) –способность быстро самостоятельно возвращаться в нормальное состояние из неустойчивого, которое возникло в результате внешнего неблагоприятного воздействия на систему.
Гомеостаз популяции определяется поддержанием пространственной структуры, плотности и генетического разнообразия. На уровне экосистем гомеостаз проявляется в наиболее устойчивых формах взаимодействия между видами, что выражается в приспособленности к особенностям среды и поддержании циклов круговорота биогенов. Можно рассматривать даже гомеостаз биосферы, в которой взаимодействие разнообразных организмов поддерживает постоянство газового состава атмосферы, состав почв, состава и концентрации солей мирового океана и др.
Гомеостаз обеспечивается работой механизмов регулирования, действующих по принципу отрицательной обратной связи. Резкие изменения характеристик окружающей среды, при которых они (или одна из них) выходят за границы допустимого, называют экологическим стрессом.
В экосистемах в результате взаимодействия круговорота веществ, потоков энергии и сигналов обратной связи от субсистем возникает саморегулирующийся гомеостаз. В число управляющих механизмов на уровне экосистемы входят, например, такие субсистемы, как микробное население, регулирующее накопление и высвобождение биогенных элементов.
Субсистема «хищник-жертва» также регулирует плотность: популяций и хищника, и жертвы. Рассмотрим простейшую экосистему: заяц –рысь, состоящую из двух трофических уровней. (слайд 16) Когда численность зайцев невелика, каждый из них может найти достаточно пищи и удобных укрытий для себя и своих детенышей. Т.е. сопротивление среды невысоко, и численность зайцев увеличивается, несмотря на присутствие хищника. Изобилие зайцев облегчает рыси охоту и выкармливание детенышей. В результате численность хищника также возрастает. В этом проявляется обратная положительная связь. Однако с ростом численности зайцев уменьшается количество корма, убежищ и усиливается хищничество, т.е. усиливается сопротивление среды. В результате численность зайцев снижается. Охотиться хищникам становится труднее, они испытывают нехватку пищи и их численность падает. В этом проявляется обратная отрицательная связь, которая компенсирует отклонения и возвращает экосистему в исходное состояние.
Подобные колебания происходят периодически вокруг некого среднего уровня. Рост, снижение и постоянство популяции зависит от соотношения между биотическим потенциалом и сопротивлением среды. Принцип изменения популяции: это результат нарушения равновесия между биотическим потенциалом и сопротивлением окружающей её среды. Подобное равновесие является динамическим, т.к. факторы сопротивления среды редко подолгу остаются неизменными. (слайд 17)
Равновесие в экосистемах обеспечивается избыточностью организмов, выполняющих одинаковые функции. Например, если в сообществе имеются несколько видов растений, каждое из которых развивается в своем температурном диапазоне, то скорость фотосинтеза экосистемы в течение длительного времени может оставаться почти неизменной. При возрастании стресса система может оказаться неспособной возвратиться на прежний уровень, хотя и остается управляемой. Для экосистем возможно не одно, а несколько состояний равновесия. После стрессовых воздействий они часто возвращаются в другое, новое, состояние равновесия.
Например, огромное количество СО2 , поступающего в атмосферу в результате деятельности человека, поглощается буферной карбонатной системой океана и автотрофами: (слайд 18)
СО2 + CaCO3 + H2O = Ca (HCO3)2
Свет
СО2 + H2O = (CH2O) n+ О2.
По мере увеличения притока СО2 буферная ёмкость биосферы может оказаться недостаточной, и в атмосфере установится новое равновесие между
СО2 и О2. В этом случае даже небольшие изменения могут иметь далеко идущие последствия: должна происходить эволюционная подгонка, чтобы вновь появился надежный гомеостатический контроль. Кроме рассмотренных, имеют место и многие другие механизмы, обеспечивающие стабильность и гомеостаз экосистем. Так, например, способность популяции адаптироваться к новым условиям среды зависит от степени гетерозиготности. Конкуренция тоже является механизмом гомеостаза.
Равновесие –понятие относительное. Равновесие в природных экосистемах зависит от плотности популяции. Если плотность популяции растет –сопротивление среды увеличивается, в связи с чем увеличивается смертность и рост численности прекращается. И, наоборот, с уменьшением плотности популяции сопротивление среды ослабевает и восстанавливается прежняя численность. Воздействие человека на природу часто приводит к вымиранию популяции, т.к. не зависит от плотности популяции.
Стабильность экосистем в экологии означает свойство любой системы возвращаться в исходное состояние после того, как она была выведена из состояния равновесия. Стабильность определяется устойчивостью экосистем к внешним воздействиям. Выделят два типа устойчивости: резистентную и упругую.
Резистентная устойчивость –это способность экосистемы сопротивляться нарушениям, поддерживая неизменными свою структуру и функцию.
Упругая устойчивость –способность системы быстро восстанавливаться после нарушения структуры и функции.
Системе трудно одновременно развивать оба типа устойчивости: они связаны обратной связью, а иногда исключают друг друга. Например, калифорнийский лес из секвойи устойчив к пожарам (высокая резистентная устойчивость), но если сгорит, то восстанавливается очень медленно или вовсе не восстанавливается (низкая упругая устойчивость). Заросли вереска легко выгорают (низкая резистентная устойчивость), но быстро восстанавливаются (высокая упругая устойчивость)
Человек самое могущественное существо, способное изменять функционирование экосистем. Человеческий мозг до сих пор опирался в основном на положительную обратную связь, управляя природой и властвуя над ней. Это привело к развитию техники и росту эксплуатации ресурсов. Но этот процесс, в конце концов приведет к снижению качества жизни и разрушению окружающей среды, если не будут найдены пути адекватного управления с помощью отрицательной обратной связи.
Существование человечества возможно только при сохранении регулирующих механизмов, которые позволяют биосфере приспособиться к некоторым антропогенным воздействиям. Стремясь снизить уровень загрязнения окружающей среды, человек должен в равной степени стремиться к сохранению механизмов саморегуляции, поддерживающих естественные системы жизнеобеспечения планеты, т.е. к сохранению установившегося в природе экологического равновесия, что не всегда достигается только снижением уровня загрязнения и экономным использованием природных ресурсов.
Заключение (слайд 19)
Саморегуляция и поддержание устойчивого состояния — гомеостаз — обязательное свойство живых систем, не зависимо от уровня их сложности. Регулируется и поддерживается относительное постоянство физико-химических параметров клетки. Сохраняется в пределах физиологической нормы состояние тканей и органов многоклеточного организма. Воспроизводится состав живых сообществ в биоценозах. В основе поддержания гомеостаза лежит универсальный принцип обратной отрицательной связи.
В то же время живые системы направленно и необратимо изменяются, самоорганизуются, что составляет сущность их развития. Клетки дифференцируются, работают и умирают. Организмы растут, размножаются, стареют и умирают. Биоценозы подвергаются сукцессиям и так же необратимо изменяются с изменением климата на Земле. Направленное изменение биосистемы по сути противоположно гомеостазу, оно происходит на основе обратных положительных связей.
Устойчивость, неизменность биосистем, с одной стороны, и их постепенное изменение, развитие — с другой — представляют диалектическое единство противоположностей, что и выражается понятием устойчивое развитие.
Литература:
1.А.П.Анисимов Концепция современного естествознания. Биология. Дальневосточный государственный университет, тихоокеанский институт дистанционного образования и технологий, Владивосток, 2000
2 Биологический энциклопедический словарь
