Раздел 2. Признаки живого. Обмен, регуляция

Вопросы

	На «3»	+ на «4»	+ на «5»
1.	Происходит ли движение и превращение энергии в биологических системах?	А в небиологических?	Существуют ли принципиальные отличия обмена энергией и веществом у живых и неживых систем?
2.	1 закон термодинамики	Какую энергию могут усваивать автотрофы и гетеротрофы?	Человек за сутки получил с пищей 2000 ккал, а на жизнеобеспечение потратил 1600 ккал. Как изменилась его внутренняя энергия?
3.	Почему «солнцееды» долго не живут?	Почему растения в темноте жить не могут, а грибы – могут?	Почему автотрофы в пищевых цепочках всегда внизу?
4.	Что такое анаболизм и катаболизм?	Существуют ли живые системы, у которых все реакции – анаболические или все – катаболические?	В каком возрасте преобладает анаболизм, а в каком – катаболизм?
5.	2 основные причины алиментарных дисбалансов.	Какой из процессов – ана- или катаболизм усиливается при лихорадке?	Правда ли, что первичная теплота – это основной обмен, а вторичная – это регулируемый обмен?
6.	Чем различаются термодинамическое равновесие и стационарное состояние?	Может ли живая система перейти в состояние термодинамического равновесия?	Может ли живая система никогда не переходить в состояние термодинамического равновесия?
7.	2 закон термодинамики	Представьте систему с КПД = 100%. Будет ли она выделять тепло?	Зачем живым существам градиенты?
8.	Что такое энтропия?	Может ли человек создать систему с отрицательной энтропией?	Подчиняются ли живые существа 2 началу термодинамики?
9.	Принцип Пригожина и принцип Ле-Шателье.	Что такое автостабилизация?	Что такое информация?
10.	Что такое гомеостаз?	Различия между гуморальным и нервным механизмами регуляции.	Уровни нейрогуморальной регуляции.
11.	Что такое положительная и отрицательная БОС?	Типы регуляции.	Недостатки регуляции по отклонению и по возмущению.

 

Раздел 2. Признаки живого. Обмен, регуляция

Обмен, негэнтропия

Одна из 2 важнейших характеристик живых существ – их тесная связь с окружающей средой, без которой они не могут существовать. Связь эта проявляется в постоянном двустороннем обмене веществом и Е.

Стационарное состояние

Поток отрицательной энтропии возникает в процессе ассимиляции, а положительной – в процесс диссимиляции, что позволяет нам поддерживать динамическое равновесие. Процессы обмена протекают в 2-х направлениях: 1. Самопроизвольно, без дополнительных затрат Е, происходят лишь пассивные процессы, связанные с увеличением Э. 2. Активные процессы, требующие затрат Е. Если эти два потока уравновешивают друг друга, достигается стационарное состояние [10]. Живой организм в каждый момент времени не отвечает приведенному определению стационарного состояния. Однако, если рассмотреть средние значения его параметров за сравнительно большой промежуток времени, можно отметить их постоянство (температура определенных органов и тканей у теплокровных, солевой состав, осмотическое давление и водородный показатель (рН) различных биологических жидкостей. Поддерживаемые на одном уровне параметры называют константами гомеостаза.

 

Термодинамическое равновесие	Стационарное состояние
Отсутствие обмена с окружающей средой веществом и энергией	Непрерывный обмен с окружающей средой веществом и энергией
Энтропия системы постоянна и соответствует максимально возможному в данных условиях значению	Энтропия системы постоянна, но не равна максимально возможному в данных условиях значению.
Полное отсутствие в системе каких-либо градиентов	Наличие постоянных по величине градиентов
Не требуется затраты свободной энергии	Необходимы постоянные затраты энергии
Система нереакционноспособна и не совершает работу против внешних сил	В системе совершаются необратимые реакции, ее работоспособность постоянна и не равна нулю

 

Уровни стационарных состояний в течение онтогенеза постоянно изменяются. Живой организм может изменить уровень стационарного состояния в результате воздействия окружающей среды и при патологических процессах.

Одной из важнейших характеристик биологических систем является устойчивость стационарных состояний. Устойчивое стационарное состояние характеризуется тем, что при отклонении системы от стационарного уровня в ней возникают силы, стремящиеся вернуть ее в первоначальное положение. Внешние воздействия вызывают в неустойчивой стационарной системе нарастающие изменения, в результате которых система переходит или в новое устойчивое стационарное состояние (при дополнительной затрате энергии), или в состояние термодинамического равновесия.

 

Диаграмма устойчивого (а) и неустойчивого (b) стационарных состояний в открытой системе.

Если построить график зависимости Т∙dS/dt от h (где Т - температура, dS/dt - скорость производства энтропии, h - какой-либо показатель стационарного уровня системы), то для устойчивого стационарного состояния график будет представлен в виде параболы, ветви которой направлены вверх. При неустойчивом стационарном состоянии ветви параболы направлены вниз. Точка А является наиболее устойчивой. Если поместить шарик во внутрь параболы, то его положение наиболее устойчиво. Таким образом, устойчивое стационарное состояние характеризуется тем, что система не может самопроизвольно выйти из него за счет внутренних изменений (шарик из точки А не может скатиться в точку В самопроизвольно, для этого нужно совершить работу). Любое отклонение от уровня стационарности вызовет в системе увеличение скорости продуцирования энтропии. Для точки А скорость производства энтропии будет меньше, чем для точки В. Точка Ai - наиболее неустойчивое состояние системы, так как под влиянием любого внешнего толчка шарик, помещенный в эту точку, быстро удаляется от нее.

 

И. Пригожин (1946) на основе изучения открытых систем сформулировал основное свойство стационарного состояния: в стационарном состоянии при фиксированных внешних параметрах скорость продукции энтропии в открытой системе, обусловленная протеканием необратимых процессов, постоянна во времени и минимальна по величине. Организм стремится работать в самом выгодном энергетическом режиме. При этом энтропия возрастает с минимальной скоростью. Например, температура тела человека 310 К, а среды – 303 К, и возможность совершения работы за счет тепловой энергии 2 %. Но человек используее для совершения работы химическую энергию, что позволяется увеличить КПД. КПД биологических процессов: гликолиз – 36%, окислительное фосфорилирование – 55%, фотосинтез – 75%, сокращение мышц – 40%, свечение бактерий – до 96%. Наш организм стремится к созданию постоянной величины энтропии, но эмоциональная нагрузка и заболевания приводят к нарушению потоков энтропии, что выводит нас из состояния равновесия.

Стационарное состояние живого организма характеризуется высокой динамичностью: в организме протекают такие процессы, которые нарушают стационарное состояние тех или иных систем (повышение температуры тела при воспалительных процессах). Если эти изменения не превышают определенных пределов, то стационарное состояние может восстановиться, т. е. небольшие отклонения от стационарного состояния не ведут к необратимым изменениям. Биологические системы обладают способностью к саморегуляции (установление наиболее экономичных, наиболее надежных уровней работы). Это положение впервые было сформулировано в работе Ле-Шателье.

Принцип автостабилизации биологических систем: Всякая система, находящаяся в состоянии равновесия и отклонившаяся от этого состояния под воздействием внешнего возмущения, стремится самопроизвольно вернуться в равновесное состояние за счет изменения параметров в направлении, противоположном тому, которое вызвало возмущение. Стремление энтропии в стационарном состоянии к минимальной величине приводит к тому, что при отклонениях от стационарного уровня в системе наступают такие изменения, которые стремятся вернуть ее к минимуму производства энтропии. Принцип Ле-Шателье является следствием закона сохранения энергии, лежит в основе регулирования по типу обратных связей и поддержания гомеостаза в организме.

 

Мера сложности и самоорганизации связана с понятием информации. Иными словами, информация – это коммуникация и связь, в процессе которой устраняется неопределенность (У. Эшби), или это обозначение содержания, полученного от внешнего мира, и процесса приспособления к нему (Н. Виннер). Информация = мера неоднородности распределения материи и энергии в пространстве и времени, мера изменений, которми сопровождаются все протекающие в мире процесс (В.М. Глушков). Информация – это всеобщее свойство материи, заключающееся в способности материальных объектов сохранять следы былых взаимодействий. Информация проявляется через отражение и может быть оценена количественно [из Игнатовой]. Т.е. биоразнообразие, генетическая, иммунологическая, нейрологическая память, речь, письменность, интернет – это разновидность накопления и передачи информации в живх системах, способствующие самоорганизации, саморегуляции, поддержанию негэнтропии.

 

3 начало термодинамики. Энтропия любой систем стремится к конечному пределу, не зависящему от давления, плотности или фаз, при стремлении температур к абсолютному нулю J.

Саморегуляция

Гомеостаз и гомеокинез обеспечиваются саморегуляцией.

Регуляция – активное управление функциями организма для обеспечения постоянства внутренней среды организма, требуемого для этого обмена веществ, энергии и информации и обеспечения адекватного приспособления к окружающей среде.

Механизмов регуляторных влияний в организме - три: 1) саморегуляция, 2) нервная регуляция и 3) гуморальная регуляция. Древнейшая форма взаимодействия между клетками многоклеточных организмов – химическое (гуморальное) влияние, осуществляющееся посредством продуктов обмена веществ, которые выделяются в жидкости организма, включая продукты распада белков, углекислый газ, электролиты[11]. Ме жклеточное взаимодействие через микроокружение тканей обеспечивается белками и гликопротеидами, которые, например, могут подавлять деление клеток и синтез ДНК, угнетая опухолевый рост. Местные регуляторные эффекты обменных процессов обеспечиваются продуктами метаболизма. Например, избыток молочной и пировиноградной кислоты при интенсивной мышечной работе угнетает сократительную способность мышц, но стимулирует их кровоток (рабочая гиперемия), интенсифицирует метаболизм. Местные гуморальные факторы обладают рядом особенностей: 1) оказывают специфическое действие благодаря наличию соответствующих рецепторов, при этом эффект во многих случаях вызывается при наличии сигнального вещества в чрезвычайно низких концентрациях; 2) распространяются с относительно низкой скоростью; 3) действуют диффузно, без точного адреса, транспортируются кровью (гормоны), тканевой жидкостью (местные факторы); 4) обладают низкой надежностью, поскольку вещество высвобождается в малых количествах и обычно быстро разрушается или выводится из организма. В одних случаях эти особенности являются недостатками, в других – преимуществами.

Более поздний и совершенный гуморальный механизм регуляции – гормональный. Гормоны обнаружены у растений и животных разных уровней развития, однако наибольшей сложности и многообразия система гормональной регуляции достигает у позвоночных. К вышеперечисленным особенностям факторов гуморальной регуляции у гормонов добавляются еще две: 1) вырабатываются в специализированных органах – эндокринных железах, не имеющих выводных протоков (в отличие от зкзокринных желез), в группах клеток с эндокринной функцией в пределах желез смешанной секреции (в островковых клетках поджелудочной железы, в специализированных клетках гонад), в эндокринных клетках диффузной эндокринной системы, встречающихся в слизистой оболочке кишки, в сердце и других органах; 2) поступают в циркулирующие жидкости организма (кровь, лимфу, тканевую жидкость) и оказывают дистантное действие.

Существует ряд регуляторных веществ, которые иногда относят к гормонам. Тканевые гормоны обеспечивают быструю регуляцию тканевых процессов, распространяются на малые расстояния посредством диффузии: простагландины, биогенные амины (серотонин, гистамин), эндорфины (оказывают модулирующее влияние на ряд медиаторных систем), гормоны желудочно-кишечного тракта, холецистокинин (влияет на выделение желчи и секрецию панкреатического сока, участвует в регуляции пищевого поведения). Паракринные клетки, вырабатывающие эти пептиды, образуют диффузную эндокринную систему (APUD – Amine Precursors Uptake and Decarboxylation). Особенностями этих клеток являются способность вырабатывать биогенные амины, высокое содержание аминов, способность к захвату и декарбоксилированию их предшественников. Нейрогормоны (регуляторные пептиды) – вырабатываются нейросекреторными клетками гипоталамуса. Эти вещества оказывают специфическое регулирующее влияние непосредственно на органы (АДГ – антидиуретический гормон, окситоцин) либо на эндокринные железы, в частности на гипофиз (гипоталамические рилизинг-факторы). Медиаторы (например, адреналин в эндокринной железе (в мозговом веществе надпочечников) является гормоном, а он же в нервной системе – медиатор).

В процессе эволюции животного мира механизмы гуморальной регуляции постепенно дополняются более сложными и совершенными механизмами нервной регуляции функций и все более подчиняются нервному влиянию. Преимуществами нервной регуляции являются следующие: 1) точная направленность к определенному органу и даже группе клеток; 2) осуществляется с гораздо большей скоростью; 3) за счет большого количества вставочных нейронов НС обеспечивает вероятностный принцип управления, гибко приспособленный к непрерывно меняющейся обстановке.

Нервная регуляция осуществляется за счет соматической и вегетативной нервной системы. Они обеспечивают регуляцию вегетативных функций (связанных с жизнеобеспечением и анаболизмом) и соматических (связанных с движением, взаимодействием с внешней средой, катаболизмом).

 

Доминирование нервных механизмов регуляции не означает редукции гуморальной системы. Устанавливается неразделимое взаимодействие между гуморальными и нервными компонентами регуляторного процесса – единая система взаимосвязанных нейрогуморальных отношений. Так, многие медиаторы, выполнив свою основную роль и избежав ферментативную инактивацию или обратный захват нервными окончаниями, попадают в кровь, осуществляя дистантное (немедиаторное) действие. Состояние самой нервной системы зависит не только от информации из окружающей и внутренней среды, но и от химического состава крови. Гормоны могут менять чувствительность нейронов, модулировать регуляторные сигналы за счет сдвигов проницаемости мембран, их электрических зарядов, интенсивности энергетического метаболизма и кровоснабжения тканей. В то же время, нервная система иннервирует железы внутренней секреции.

Типы регуляции:

Вопросы

	На «3»	+ на «4»	+ на «5»
1.	Происходит ли движение и превращение энергии в биологических системах?	А в небиологических?	Существуют ли принципиальные отличия обмена энергией и веществом у живых и неживых систем?
2.	1 закон термодинамики	Какую энергию могут усваивать автотрофы и гетеротрофы?	Человек за сутки получил с пищей 2000 ккал, а на жизнеобеспечение потратил 1600 ккал. Как изменилась его внутренняя энергия?
3.	Почему «солнцееды» долго не живут?	Почему растения в темноте жить не могут, а грибы – могут?	Почему автотрофы в пищевых цепочках всегда внизу?
4.	Что такое анаболизм и катаболизм?	Существуют ли живые системы, у которых все реакции – анаболические или все – катаболические?	В каком возрасте преобладает анаболизм, а в каком – катаболизм?
5.	2 основные причины алиментарных дисбалансов.	Какой из процессов – ана- или катаболизм усиливается при лихорадке?	Правда ли, что первичная теплота – это основной обмен, а вторичная – это регулируемый обмен?
6.	Чем различаются термодинамическое равновесие и стационарное состояние?	Может ли живая система перейти в состояние термодинамического равновесия?	Может ли живая система никогда не переходить в состояние термодинамического равновесия?
7.	2 закон термодинамики	Представьте систему с КПД = 100%. Будет ли она выделять тепло?	Зачем живым существам градиенты?
8.	Что такое энтропия?	Может ли человек создать систему с отрицательной энтропией?	Подчиняются ли живые существа 2 началу термодинамики?
9.	Принцип Пригожина и принцип Ле-Шателье.	Что такое автостабилизация?	Что такое информация?
10.	Что такое гомеостаз?	Различия между гуморальным и нервным механизмами регуляции.	Уровни нейрогуморальной регуляции.
11.	Что такое положительная и отрицательная БОС?	Типы регуляции.	Недостатки регуляции по отклонению и по возмущению.

 

Раздел 2. Признаки живого. Обмен, регуляция

Обмен, негэнтропия

Одна из 2 важнейших характеристик живых существ – их тесная связь с окружающей средой, без которой они не могут существовать. Связь эта проявляется в постоянном двустороннем обмене веществом и Е.