Устройство живых систем

Постановка проблемы урока

Факт 1. Утюг с терморегулятором поддерживает температуру рабочей поверхности на постоянном уровне.

Факт 2. Температура тела здорового человека 36,6°С.

• Что общего и в чём различия между этими фактами?

Сформулируйте главный вопрос урока. (Сравните с вариантом на с. 349.)

Необходимые базовые знания

• Что такое регуляция? (§ 1)

• Чем отличается устойчивость камня от устойчивости организма? (§ 1)

• Как физиологические функции организма связаны с его устойчивостью? (§ 1)

Решение проблемы

Прямая и обратная связь

Все объекты, состоящие хотя бы из двух взаимосвязанных элементов, можно рассматривать как систему. Чайник с водой, утюг, экосистема, живая клетка — все они состоят из взаимосвязанных элементов и являются системами.

В системах происходят процессы — последовательные изменения их состояния. Рассмотрим электрический утюг как открытую систему (рис. 2.2). На температуру утюга прямо влияют два процесса: нагревание и теплоотдача, или их разность, которую можно считать единым процессом поддержания температуры. Таким образом, существует прямая связь между процессом нагревания-охлаждения и его результатом — температурой утюга.

2.2. Регуляция температуры утюга.

Если регулятор утюга установлен на определённую температуру (например, t), то электроэнергия будет отключаться при перегревании утюга (например, при t + е) и включаться снова при остывании (например, до t — e). Температура утюга будет влиять на ход процесса нагревания-охлаждения. Такое влияние результата процесса на сам процесс называется обратной связью.

Американский учёный Норберт Винер (1894 — 1964) сформулировал общие принципы работы систем - искусственных и природных механизмов, создав новую науку - кибернетику. .

2.1. Норберт Винер.

• Чем вызваны изменения темпера- • Как устроен и действует регулятор температуры утюга?    туры утюга?

Регулятор в утюге — часть системы, которая обеспечивает саморегуляцию её состояния. Вместе с тем мы можем произвольно управлять этой системой: например, отключить утюг от сети или переставить регулятор на другой режим.

Таким образом, есть два способа контроля над состоянием системы: управление и регуляция. Они лежат в основе любого инженерного устройства и любой живой системы.

2.3. Управление.

2.4. Регуляция.

• В чём принципиальное отличие регуляции от управления? В каком случае человек сам управляет нагреванием утюга, а в каком - утюг автоматически регулирует свою температуру?

2.5.

2.6.

• Укажите, на каком рисунке изображён пример произвольного управления движением руки и непроизвольной регуляции поведения.

Механизм регуляции - обратная связь

ЕСЛИ процесс зависит от своего результата, мы имеем дело с обратной связью. Протекание процесса, да и целостность всей системы зависят от того, какой знак имеет обратная связь.

Наполнение пруда повышает уровень воды в нём. Этот результат увеличивает сток воды, уменьшая наполнение пруда. Если наполнение пруда уменьшается, уровень падает, сток прекращается, и пруд наполняется. Отрицательное влияние результата на процесс называется отрицательной обратной связью (рис. 2.7). Она сокращает отклонения интенсивности процесса и обеспечивает его постоянство.

2.7. Пример и схема действия отрицательной обратной связи.

После сильных и продолжительных дождей сток может не справиться с притоком воды, и пруд переполнится. Вода перельётся через край плотины в самом низком месте, и начнётся размывание плотины. Поток воды будет расширять промоину, и этот результат приведёт к усилению потока воды, что ускорит разрушение плотины. Положительное влияние результата на процесс называется положительной обратной связью (рис. 2.8). Она усиливает процесс и обеспечивает его стремительное развитие.

2.8. Пример и схема действия положительной обратной связи.

Положительная обратная связь

Мы уже убедились в коварстве положительной обратной связи: она нередко приводит к разрушению системы. Вследствие положительной обратной связи происходит обвал, лавина, взрыв, ядерная реакция. Но и процессы роста невозможны без положительной обратной связи. Рассмотрим примеры.

2.9. Примеры положительной обратной связи.

Так мог бы происходить неограниченный рост численности инфузорий, который может приводить к их удвоению каждые сутки.

Количество пищевых ресурсов ограниченно. Положительная обратная связь вскоре приводит к гибели всех инфузорий.

Численность овец, заселивших остров, вначале растёт по тому же закону. Однако рост заканчивается, когда численность овец приходит в равновесие с количеством имеющегося корма.

• Почему численность овец на острове не растёт, но и не сокращается, а лишь колеблется в узких пределах?

Отрицательная обратная связь

Отрицательная обратная связь - секрет устройства всех стабильных систем. Рассмотрим последний пример. Прирост овечьего стада зависит от скорости выедания травы, которая может иногда превышать скорость восстановления травяного покрова на острове. Тогда повышается смертность овец, снижается рождаемость ягнят. Через некоторое время травы становится больше, выживаемость и рождаемость растут, стадо снова увеличивается и опять выедает траву. Чем больше численность овец на острове отклоняется от равновесного уровня, тем сильнее недостаток или избыток травы стремится вернуть численность стада к прежнему уровню. В итоге регуляция с помощью отрицательной обратной связи поддерживает оптимальные условия работы островной экосистемы (рис. 2.10).

2.10. Регуляция численности через пищу.

Обратная связь представляет собой замкнутую цепь взаимодействий, в которой при желании можно выделить много звеньев. Как в них не запутаться? Рассмотрим подробнее пример с овцами (рис. 2.11).

2.11. Схема сложной регуляции численности овец.

Соседние звенья связаны друг с другом только прямой связью: каждое звено непосредственно влияет на следующее, но не наоборот. Это влияние может быть как отрицательным, так и положительным. Поскольку “минус на минус даёт плюс”, нам важен результат алгебраического произведения всех знаков связей в замкнутой цепи взаимодействий. Тогда мы убедимся, что в рассмотренном примере изменение любого звена через полный круг прямых взаимодействий отрицательно влияет само на себя. Прямое влияние возвращается обратно к тому же звену спустя некоторое время, необходимое для прохождения полного круга. Так замкнутая серия прямых связей превращается в одну обратную связь.

Кроме того, необходимо отметить, что любая связь между А и Б называется положительной, если росту А соответствует рост Б, а также уменьшению А соответствует уменьшение Б. Связь называется отрицательной, если изменению А соответствует противоположное по знаку изменение Б.

Другой пример действия отрицательной обратной связи — аккомодация глаза. Диаметр зрачка регулирует количество света, попадающего на сетчатку. Это позволяет нам хорошо видеть, как при ярком свете, так и в густых сумерках. Но возможности регуляции не беспредельны: в полной темноте мы ничего не видим, а глядя на солнце, зажмуриваемся.

Взаимосвязь контролирующих механизмов

А что, если регуляция не сработает в жизненно важной ситуации? На этот случай существует иерархия регуляторов. Среди них есть частные и общие, точные и грубые, слабые и мощные. В экстренных случаях они могут быть задействованы все вместе (рис. 2.12).

2.12. Механизмы поддержания температуры тела у птиц.

• Почему существует несколько способов поддержания температуры тела птицы, дублирующих друг друга? Какая система органов позволяет произвольно управлять процессами, происходящими в организме?

Может ли регулируемый процесс выйти из-под контроля? Да, такое случается в некоторых живых системах.

Уровень численности эвкалиптовой листоблошки обычно контролируется птицами, поедающими взрослых насекомых. Если это происходит с запаздыванием, насекомые успевают отложить яйца. Новое поколение даёт такой рост численности, который останавливается только в результате объедания листвы (рис. 2.13).

• Обратите внимание на масштаб численности: во сколько раз она различается в годы вспышек (помечены красным) и в обычные годы? Почему численность лис- тоблошек бывает либо низкой, либо высокой, но редко - промежуточной? Какая связь удерживает численность на одном уровне, и какая переводит на другой?

2.13. Пример динамики численности.

Всякая живая система совершает работу по преобразованию вещества и энергии из одних форм в другие.

Главное условие свободной и независимой жизни организма — постоянство его внутренней среды. Контролирующие механизмы поддерживают это постоянство, обеспечивая согласованную работу органов.

Машины устроены гораздо проще, но по тем же принципам. Так, двигатель автомобиля работает наиболее эффективно при температуре около 800 ^— 900 С. За поддержание оптимальной температуры отвечает система охлаждения двигателя. В основе её устройства лежит конвективная циркуляция жидкости между самим двигателем и радиатором, где лишнее тепло отводится в окружающую среду. Эта же система ускоряет прогревание холодного двигателя при запуске. Постоянство условий важно и для самочувствия водителя автомобиля. За ней следит устройство климат-контроля. Оно определяет отклонение температуры от заданной и нагревает воздух салона, включая печку, или охлаждает его с помощью кондиционера.

Машины совершают работу по преобразованию вещества и энергии из одних форм в другие. Одни используют энергию тепла, другие — электричество. Организмы существуют за счёт энергии, заключённой в химических соединениях. Они используют энергию химических связей с малыми тепловыми потерями, что позволяет повысить коэффициент полезного действия до 40 ^— 55%.

Все живые организмы используют органические вещества как источник энергии (в реакциях разложения) и как материал для построения своего тела (в реакциях синтеза). Создают органическое вещество зелёные растения в процессе фотосинтеза.

2.14. Преобразование вещества и энергии в живом организме.

• Что организм потребляет и какую работу (в физическом смысле) выполняет? Какие химические процессы приводят организм в действие? Чем отличается работа растительного и животного организмов?

Однако сходство организма с машиной далеко не полное. Машина не может обеспечить себя топливом. Организм в природной среде сам находит себе пищу. Машину можно разобрать на части и собрать снова. Организм же в такой ситуации погибнет. В случае выхода из строя какой-либо детали машины её можно заменить, но это могут сделать лишь руки мастера. А организмы сами себя строят, поддерживают в рабочем состоянии, ремонтируют, регулируют и воспроизводят.

Жизнь - свойство живой системы, а не её элементов

Порознь ни органы, ни детали не способны выполнить работу соответствующего целого — организма или машины. Более того, для работы системы необходимы все её элементы: только тогда машина выполняет своё предназначение, а организм живёт.

Однако организмы — не обычные машины, их нельзя выключить, а можно только замедлить темп их работы, перевести на холостой ход. Многие организмы, переходя в стадию покоя, способны сильно замедлить жизненные процессы, но и они не останавливаются совсем. Дело в том, что машины состоят из статически устойчивых деталей, а в живом организме статически устойчивыми являются только молекулы. Все более крупные части представляют собой динамические системы. Они устойчивы только благодаря затратам энергии. Вот почему неработающую лошадь в отличие от машины приходится кормить.

Отправляясь в путешествие, начинающий автомобилист спрашивает, какие запчасти взять с собой. Опытный водитель посоветует: надо взять запасной мотор. Иными словами, в машине практически нет таких деталей, которые не выходили бы из строя. Нет и органов, не подверженных болезням. Может ли машина служить дольше, чем отмерено сроком износа её частей? Может, если есть запчасти. “Запчасти” к организму придумал и человек (протезирование, пересадка органов).

Но природа “изобрела” их ещё раньше. Один путь - это постоянное обновление организма, замена стареющих клеток новыми. Другой способ - регенерация, способность к заживлению ран и даже к восстановлению утраченных органов. Третий способ - дублирование важнейших органов. Гораздо легче переживаются утрата и замена органов, представленных в нескольких или даже многих экземплярах (глаза, конечности, зубы и т.п.).

Кенгуру, приспособившись к передвижению на двух конечностях, “позабыли” про “запчасти”. Этим пользуется хищник - сумчатый дьявол. Этот крупный зверь (рис. 2.15) не способен к быстрому бегу, зато вооружён мощными челюстями. Как живой капкан, в сумерках он поджидает приближение кенгуру и, улучив момент, перекусывает ему ногу. Оставшись с одной ногой, жертва обречена. В нашей фауне нет хищников такого типа, потому что четвероногие жертвы в подобных случаях уходят от преследователя на трёх уцелевших конечностях.

2.15. Сумчатый дьявол.

Всё это примеры общего правила: надёжную машину или организм можно построить, дублируя рабочие узлы (цилиндры, фары, системы торможения, у самолёта даже двигатели) или органы, исполняющие общую функцию, а также информацию, которая может быть искажена.

Обобщение новых знаний

Всякая живая система поддерживает своё существование за счёт преобразования вещества и энергии, получаемых из окружающей среды. Её целостность сохраняется множеством контролирующих механизмов. Основной механизм - регуляция с помощью отрицательной обратной связи - поддерживает постоянство структуры и функций. Живая система способна к самообновлению.

Все проблемы в биологии могут быть сведены к двум главным:

1) какие механизмы поддерживают порядок и согласованность процессов в живых системах?

2) как такой порядок мог возникнуть в ходе развития жизни?

Управление и регуляция. Отрицательная и положительная обратная связь

Применение знаний

1. Возможна ли регуляция без обратной связи? Докажите это на примере регуляции любого устойчивого процесса.

2. Какой тип обратной связи необходим для роста и развития?

3. Какой вид энергии используют живые системы в качестве топлива?

4. Поработайте в паре: один перечисляет черты сходства, а второй - черты 4^4 различия живого организма и машины.

5. Какой вид энергии используют растения для роста и всасывания воды?

6. Поработайте в паре: один приводит известные вам примеры положительных, _а второй - отрицательных обратных связей.

7. Какая из формул справедлива: Живой организм = ∑ (органов) или Живой организм = f (органов)?

8. Поищите в Интернете примеры проявления положительных и отрицательных обратных связей.