Лекция 1. Общая характеристика ФЦНС как науки
Общая характеристика физиологии ЦНС как отрасли биологии: предмет, цели, задачи, связь с другими науками.
Функции нервной системы.
История развития физиологии мозга. Значение исследований М. Холла, И.М. Сеченова, И.П. Павлова, Н.Е. Введенского, Ч. Шеррингтона и др.
Вклад нейрофизиологии в понимание психической деятельности.
Краткая характеристика основных методов изучения функций мозга: электроэнцефалография, метод вызванных потенциалов, функциональная компьютерная томография, метод раздражения и выключения участков ЦНС и др.
Введение
ФЦНС относится к наукам, изучающим человека. «Проблема, с которой сталкивается наука при изучении человека, заключается в том, что человек должен сам изучать себя. А согласно теореме К. Гёделя «О неполноте»: при определенных условиях (замкнутость системы) «в языке её описания существует истинное недоказуемое утверждение». Это означает, например, что, находясь в аудитории, можно угадать температуру воздуха в ней, но доказать точно, каково её значение, невозможно без выхода из системы «аудитория» в систему более высокого порядка «пространство», где можно найти термометр. В этом плане «аудитория» обладает информационной неполнотой, преодолеть которую можно, только выйдя из неё в более сложную систему.
Поэтому теоретически непреодолимая неполнота всегда присутствует в закрытой или условно ограниченной системе. Т.е. в языке описания человеком человека могут быть истинные утверждения, но они будут недоказуемы. Человека полностью может понять только метасистемная сущность, находящаяся в процессе своего развития на уровне, существенно превышающем человеческий. Поэтому целью эзотерических аспектов всех религий и соответствующих мистических школ всегда было проявление в человеке божественного, ибо только с уровня Создателя и можно понять «кто я?», «откуда?» и «зачем?».
С уровня, на котором находится «человеческая» наука можно только выдвигать теоретические гипотезы и искать им подтверждения или опровержения.
Разумеется, наука успешно изучает строение тела человека в тех пределах, которые доступны её инструментам. С совершенствованием инструментов наука познаёт всё больше и больше, но этот процесс не может быть когда-либо завершён окончательно, потому что конечными средствами нельзя познать бесконечное.
Понятно, что констатация этого факта отнюдь не означает призыва прекратить научные исследования человека. Это занятие очень необходимо человеку для развития его рациональной части ума – разума. Речь идёт только о возможностях научного метода, а не о том, стоит ли его использовать».
Общая характеристика физиологии ЦНС как отрасли биологии: предмет, цели, задачи, связь с другими науками
Физиология (от греч. – «физис» – природа, «логос» – слово) – наука о функциях и механизмах жизнедеятельности целостного организма, его систем, органов, тканей, клеток.
Физиология изучает как видимую (феноменологическую) сторону жизнедеятельности организма, так и невидимые внешне физиологические механизмы.
Физиология может дать целостную картину функционирования организма, если будет исследовать ее жизнедеятельность на всех уровнях организации живого: молекулярном, органно-тканевом, систем органов и организменном уровнях.
ФЦНС изучает функции и механизмы жизнедеятельности центральной нервной системы и ее отдельных структур, как основной регулирующей системы организма.
Предмет: функционирование ЦНС.
Цели ФЦНС:
– познание основных закономерностей, принципов и механизмов функционирования центральной нервной системы и ее отдельных структур как основного регулирующего звена в обеспечении жизнедеятельности организма человека;
Изучение общих закономерностей, принципов и механизмов функционирования центральной нервной системы на микро- и макроуровнях; частные функции структур ЦНС и их взаимосвязь.
Развитие представлений о естественнонаучных основах функционирования психики человека.
Способствование формированию умения анализировать проявления функционального состояния человека с физиологической точки зрения; различению неврологических и психических дисфункций.
Задачи ФЦНС в том, чтобы раскрыть механизмы нервной регуляции, природу и механизмы взаимодействия нервных структур и использовать данные для практического назначения.
Связь с другими науками : тесно связана с нейробиологией, психологией, неврологией, клинической нейрофизиологией, электрофизиологией, этологией, нейроанатомией и другими науками, занимающимися изучением мозга.
Функции нервной системы
Одним из важнейших свойств организма является постоянство внутренней среды. Это понятие ввел французский ученый Клод Бернар.
Внутренняя среда определяется составом и свойствами крови, лимфы и межклеточной жидкости в организме.
В 1929 году американский физиолог В. Кэннон для обозначения состояний и процессов, обеспечивающих устойчивость организма, ввел понятие гомеостаз.
Гомеостаз – способность биологических систем противостоять изменениям и сохранять динамическое относительное постоянство состава и свойств.
Пример: после приема пищи уровень глюкозы в крови повышается, стимулируется выброс инсулина поджелудочной железой, что приводит к снижению уровня глюкозы в крови. Если же уровень ее опускается ниже нормы, усиливается выделение гормона глюкагона, вновь повышающего уровень глюкозы в крови до оптимального. Другим примером может быть потребление излишне соленой пищи. Как выводится лишняя соль? Мы испытываем жажду и потребляем больше воды, через почки лишняя соль выводится с этой водой.
Любой организм от примитивного до самого сложного для своего существования в любых условиях и при разных уровнях активности должен поддерживать на одном уровне гомеостаз – устойчивое неравенство внутренней среды организма с окружающей средой.
Это возможно только при упорядоченных потоках веществ, энергии и информации внутрь организма и из него. Для этого организм должен получать и оценивать информацию о состоянии внешней и внутренней среды и, учитывая насущные потребности, строить программы поведения.
Эту функцию выполняет нервная система, являющаяся, по словам И.П.Павлова, «невыразимо сложнейшим и тончайшим инструментом сношений, связи многочисленных частей организма между собой и организма как сложнейшей системы с бесконечным числом внешних влияний».
Таким образом, к важнейшим функциям нервной системы относятся:
1). Интегративно-координационная функция – управление работой всех органов и систем и обеспечение функционального единства организма. На любое воздействие организм отвечает как единое целое, соизмеряя и соподчиняя потребности и возможности разных органов и систем.
2). Адаптационно-трофическая функция - функция симпатической нервной системы, обеспечивающая приспособление организма позвоночных животных и человека к меняющимся условиям среды путем изменения уровня обмена веществ всех органов и тканей. А.-т. ф. осуществляется путем физическо-химических, биохимических сдвигов, происходящих под влиянием импульсов, идущих по симпатическим нервам прямо к органам.
3). Сенсорная функция – получение информации о состоянии внешней и внутренней среды от специальных воспринимающих клеток или окончаний нейронов – рецепторов.
4). Функция отражения , в том числе психического, и функция памяти – переработка, оценка, хранение, воспроизведение и забывание полученной информации.
5). Программирование поведения . На основе поступающей и уже хранящейся информации нервная система либо строит новые программы взаимодействия с окружающей средой, либо выбирает наиболее подходящую из уже имеющихся программ. В последнем случае могут использоваться видоспецифические программы, заложенные генетически или программы, выработанные в процессе индивидуального научения (условные рефлексы, двигательные и мыслительные стереотипы и т.п., не передающиеся по наследству). В реализации любой программы участвуют рабочие органы (мышцы и железы), изменяющие свою функциональную активность в зависимости от поступающих к ним из ЦНС сигналов.
6) . Текущий контроль правильности выполнения программы : результаты поведения постоянно оцениваются, и на основе этой оценки могут вноситься поправки в программу поведения.
ГОМЕОСТАЗ , гомеостазис (от гомео ... и греческого stasis - неподвижность, состояние), способность биологических систем противостоять изменениям и сохранять динамическое относительное постоянство состава и свойств. Термин «Гомеостаз» предложил У. Кеннон в 1929 году для характеристики состояний и процессов, обеспечивающих устойчивость организма. Однако идея о существовании физиологических механизмов, направленных на поддержание постоянства внутренней среды организма, была высказана ещё во 2-й половине 19 века К. Бернаром, который рассматривал стабильность физико-химических условий во внутренней среде как основу свободы и независимости живых организмов в непрерывно меняющейся внешней среде. Явления гомеостаза наблюдаются на разных уровнях биологической организации.
Гомеостаз физиологический. Возникновение жизни на Земле, появление одноклеточных организмов было связано с формированием и непрестанным поддержанием в клетке в течение всей жизни специфических физико-химических условий, отличающихся от условий окружающей среды. У многоклеточных организмов появляется внутренняя среда, в которой находятся клетки различных органов и тканей, происходит развитие и совершенствование механизмов гомеостаза. В ходе эволюции формируются специализированные органы кровообращения, дыхания, пищеварения, выделения и др., участвующие в поддержании гомеостаза. У морских беспозвоночных имеются гомеостатические механизмы стабилизации объёма, ионного состава и рН жидкостей внутренней среды. Для животных, перешедших к жизни в пресных водах и на суше, а также у позвоночных, мигрировавших из пресных вод в море, сформированы механизмы осморегуляции, обеспечивающие постоянство концентрации осмотически активных веществ внутри организма. Наиболее совершенен гомеостаз у млекопитающих, что способствует расширению возможностей их приспособления к окружающей среде. Благодаря гомеостазу обеспечивается постоянство объёма крови (изоволемия) и других внеклеточных жидкостей, концентрации в них ионов, осмотически активных веществ (изоосмия), постоянство рН крови, состава в ней белков, липидов и углеводов. У птиц и млекопитающих в узких пределах регулируется температура тела (изотермия). Дополнительные физиологические механизмы обеспечивают стабилизацию внутренней среды отдельных органов (например, гематоэнцефалические и гематоофтальмические барьеры определяют особые свойства жидкостей, окружающих клетки мозга и глаза).
Гомеостаз достигается системой физиологических регуляторных механизмов. Наиболее важную, интегрирующую функцию выполняет ЦНС и особенно кора головного мозга, большое значение имеют влияние симпатической нервной системы, состояние гипофиза, надпочечников и других эндокринных желёз, степень развития эффекторных органов. Примером сложной гомеостатической системы, включающей различные механизмы регуляции, является система обеспечения оптимального уровня артериального давления, которая регулируется по принципу цепных реакций с обратными связями: изменение давления крови воспринимается барорецепторами сосудов, сигнал передаётся в сосудистые центры, изменение состояния которых ведёт к изменению тонуса сосудов и сердечной деятельности; одновременно включается система нейрогуморальной регуляции и кровяное давление возвращается к норме.
Нарушения механизмов, лежащих в основе гомеостатических процессов, рассматриваются как «болезни гомеостаза». С некоторой условностью к ним можно отнести функциональные нарушения нормальной деятельности организма, связанные с вынужденной перестройкой биологических ритмов и т. д. Познание закономерностей гомеостаза человека имеет большое значение для выбора эффективных и рациональных методов лечения многих заболеваний.
У растений основное значение для поддержания гомеостаза на клеточном уровне имеют плазмалемма и тонопласт. Первая регулирует приток в клетку питательных ионов и воды из внешней среды и выделение баластных и избыточных ионов H + , Na + , Ca 2+ , второй - поступление в протоплазму запасных субстратов из вакуолей при их недостатке и удаление в вакуоль - при избытке. Стабилизация осмотического потенциала клеток осуществляется главным образом за счёт поддержания определенной внутриклеточной концентрации К + и анионов. На тканевом уровне в поддержании гомеостаза участвуют плазмодесмы, которые регулируют межклеточные потоки углеводов и других субстратов.
Гомеостаз генетический, или популяционный, способность популяции поддерживать относительную стабильность и целостность генотипической структуры в изменяющихся условиях среды. Достигается посредством сохранения генетического равновесия частоты аллелей при свободном скрещивании особей в популяциях путём поддержания гетерозиготности и полиморфизма, определенного темпа и направления мутационного процесса. Изучение гомеостаза - актуальная задача при исследовании закономерностей микроэволюции. Гомеостаз развития - способность данного генотипа создавать определенный фенотип в широком диапазоне условий.
Понятие «Гомеостаз» широко используется в экологии при характеристике состояния экосистем и их устойчивости. Благодаря гомеостазу поддерживается постоянство видового состава и численности особей в биоценозах.
Механизмы стабилизации живых систем
В клетке в течение всей ее жизни поддерживаются специфические физико-химические условия, отличные от условий окружающей среды. Способность биологических систем относительно противостоять изменениям и сохранять динамически относительное постоянство состава и свойств называется гомеостазом . Явление гомеостаза наблюдается на всех уровнях биологической организации. Способность биологических систем автоматически устанавливать и поддерживать на постоянном уровне те или иные биологические показатели называется саморегуляцией. При саморегуляции управляющие факторы не воздействуют на систему извне, а формируются в ней самостоятельно. Отклонение какого-либо жизненного фактора от гомеостаза служит толчком к мобилизации механизмов, восстанавливающих его. Например, повышение температуры тела в жару усиливает потоотделение, и температура тела снижается до нормы. Разнообразны проявления и механизмы саморегуляции надорганизменных систем – популяций и биоценозов. На этом уровне поддерживается стабильность структуры популяций, их численность, регулируется динамика всех компонентов экосистем в изменяющихся условиях среды. Сама биосфера является примером поддержания гомеостатического состояния и проявления саморегуляции живых систем. Всем организмам присуще свойство воспроизведения себе подобных, обеспечивающее непрерывность и преемственность жизни.
Размножение у живых существ можно свести к двум формам: бесполому и половому. Древнейшая форма размножения – бесполое . Оно распространено у одноклеточных организмов, но может быть свойственно и многоклеточным грибам, растениям и животным (у высокоорганизованных животных встречается редко). Наиболее простая форма бесполого размножения характерна для вирусов. Их репродуктивный процесс связан со способностью к самоудвоению молекул нуклеиновых кислот. Применительно к другим организмам, размножающимся бесполым путём, различают размножение спорообразованием и вегетативное размножение . Размножение спорообразованием связано с образованием специализированных клеток – спор, которые содержат ядро и цитоплазму, покрыты плотной оболочкой и способны к длительному существованию в неблагоприятных условиях, дающих начало дочерним особям. Такое размножение характерно для бактерий, водорослей, грибов, мхов, папоротников. Вегетативное размножение – образование новой особи из части родительской. Происходит путем отделения от материнского организма части и превращения ее в дочерний организм. Свойственен многоклеточным организмам. Наиболее разнообразны формы вегетативного размножения у растений – черенки, луковицы, почки и т. д. У животных вегетативное размножение происходит либо путем деления, либо почкованием, когда на материнском организме образуется вырост – почка, из которой развивается новая особь. Почки могут отделяться от родительской особи или остаются соединенными с ней, в результате чего возникает колония (как у коралловых полипов). Может происходить фрагментация тела многоклеточного животного на части, после чего каждая часть развивается в новое животное. Такое размножение характерно для губок, гидр, морских звёзд и некоторых других организмов.
В половом размножении участвуют две родительские особи, внося по одной половой клетке – гамете. Каждая гамета несет половинный набор хромосом. В результате слияния двух гамет образуется зигота, из которой развивается новый организм. Зигота получает наследственные признаки обоих родителей. Наряду с раздельно полыми формами существуют группы животных и растений, имеющие и мужские, и женские половые органы в одном организме – гермафродиты (самоопыляющиеся растения: пшеница, ячмень и др.).
Задача размножения – передача последующим поколениям наследственной информации. Организм проходит все стадии индивидуального развития – онтогенез: растет, развивается, размножается, стареет, умирает. Изменение внешних условий может ускорить или затормозить развитие организма. Ограниченность индивидуальной жизни организмов – одно из необходимых условий для эволюции жизни на планете.
Надорганизменные системы (популяции, биоценозы, биосфера в целом) также способны воспроизводить самих себя, развиваться и изменяться с течением времени.
Действие принципа Ле Шателье в биосфере
Принцип Ле Шателье эмпирически был выведен для химического равновесия: при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в направлении, при котором эффект внешнего воздействия уменьшается. Рассмотрим обратимую химическую реакцию, когда прямой процесс стимулирует обратный процесс.
2H 2 + O 2 2H 2 O + Q
Данная реакция протекает с выделением тепла. Можно оценить влияние разных факторов на состояние динамического равновесия (когда скорости протекания прямой и обратной реакций одинаковы). Если в предложенной системе понижать температуру, то согласно принципу Ле Шателье равновесие будет сдвинуто в сторону продуктов реакции, поскольку реакция экзотермическая. Если увеличивать температуру – то в сторону исходных веществ. При увеличении давления равновесие будет сдвинуто в направлении уменьшения давления в системе, т.е. в сторону продуктов реакции.
Этот закон в обобщённом виде заимствовала экология: внешнее воздействие, выводящее систему из равновесия, стимулирует в ней процессы, стремящиеся ослабить результаты этого взаимодействия.
В биосфере этот закон реализуется в виде способности к авторегуляции и поддержанию относительного постоянства важных параметров организма или сообщества организмов (гомеостаза). Осуществление этого принципа основано на глобальной биотической регуляции окружающей среды. В течение всего времени существования биосфера подвергалась внезапным внешним возмущениям: падению метеоритов, вулканическим извержениям и прочим природным катаклизмам. Однако за счёт деятельности живого вещества после таких возмущений обеспечивался возврат к первоначальному равновесному состоянию.
Ещё В.И. Вернадский отмечал огромную роль биоты в стабилизации состояния окружающей среды, поскольку концентрация всех важных для живых организмов элементов регулируется биологическими процессами. Биота сформировала гигантские отложения горных пород, кислородную атмосферу Земли, почву. Наиболее полный контроль биота осуществляет за биогенными элементами, контролируя их круговорот. Благодаря этому регулируется состояние окружающей среды и с высочайшей точностью обеспечиваются оптимальные условия для жизни. За миллиарды лет существования жизни не происходило таких нарушений окружающей среды, которые привели бы к разрушению биосферы в целом. Биота не может повлиять на поток солнечной радиации или интенсивность приливов и отливов. Однако путём направленного изменения концентрации биогенных элементов в окружающей среде в соответствии с принципом Ле Шателье она может компенсировать последствия катастрофических процессов. Избыток углекислого газа во внешней среде, например, может быть переведён биотой в малоактивные органические формы, а недостаток – пополнен за счёт разложения органических веществ, содержащихся в гумусе и торфе.
Нарушение структуры биоты в ходе хозяйственной деятельности может нарушить скоррелированное взаимодействие биологических видов в природе по поддержанию круговоротов веществ и привести к разрушению биосферы.
Расходование воды предприятиями различных групп характеризуется значительной неравномерностью. Для оценки объёмов промышленного водопотребления используют понятие «водоёмкость производства», под которой понимают объём воды (м 3), необходимый для производства 1 т продукции. В табл. 4 приведена водоёмкость различных видов производств.
Наибольшим водопотреблением в промышленности отличается энергетика, химическая, нефтехимическая, целлюлозно-бумажная отрасли, чёрная и цветная металлургия. ТЭС мощностью 300 МВт потребляет 120 м 3 воды в секунду или это 300 млн м 3 /год. Особенно быстро водопотребление в промышленности выросло в XX столетии, так как начали развиваться чрезвычайно водоёмкие отрасли производства, такие как органический синтез и нефтехимия. В сельском хозяйстве высокое водопотребление связано в основном с орошаемым земледелием. Чтобы вырастить 1 т пшеницы за вегетативный период требуется 1500 м 3 , 1 т риса – 8000 м 3 , 1 т хлопка – 5000 м 3 . В условиях быстрых темпов роста населения планеты орошению отводится всё большая роль в повышении эффективности земледелия как основного источника обеспечения людей продуктами питания.
Особое место в использовании водных ресурсов занимает коммунальное хозяйство: для хозяйственно-питьевых и коммунально-бытовых целей. Для питья человек расходует в сутки 2,0–2,5 л. По СНиП в России норматив расхода воды в сутки на одного человека составляет 250 л, для сравнения в других развитых странах – 150 –200 л. В разных странах и разных городах расход воды разный, л/(сут · чел):
Чрезмерное выкачивание воды в связи с увеличением её потребления привело к понижению уровня грунтовых вод на всех континентах . В Китае и Индии, двух крупных по численности населения странах мира, запасы продовольствия зависят от орошаемого земледелия. В Индии отбор воды из водоносных горизонтов в 2 с лишним раза превышает её накопление, поэтому в Индии почти повсеместно уровни водоносных грунтов с пресной водой снижаются на 1–3 м ежегодно. На острове Майорка (у побережья Испании) в настоящее время вообще нет пресных вод, потребности жителей острова обеспечивают три опреснителя. Остров состоит из скальных пород, считается, что раньше он был частью континента. Запасы пресной воды на Майорке после отделения её от Пиренейского полуострова были очень велики. Для того чтобы обрабатывать болотистую местность жители острова в прошлые столетия выкачивали воду с помощью ветряных установок. Оказалось, что этой водой были всего лишь заполнены пустоты в скальных породах.
Потребление воды ежегодно увеличивается, человек использует намного больше её запасов, поэтому в недалёком “будущем” во многих странах может появиться проблема нехватки воды. Дефицит пресной воды уже ощущается в Нидерландах, Бельгии, Люксембурге, Венгрии. Дистиллированную воду используют в Кувейте, Алжире, Ливии, мощные опреснители стоят в Калифорнии и Аклахоме. По данным Всемирной организации здравоохранения от нехватки воды страдает 1,2 млрд человек. Водообеспеченность населения у нас в стране одна из самых высоких в мире, поэтому пресная вода расходуется крайне неэкономно. А трудности с обеспечением населения качественной питьевой водой уже есть. Возможно когда-то мы будем получать пресную воду из морской, но нужно сказать, что методы опреснения дороги и сложны.
Учёные считают, что на Земле нет кристально чистой воды, и вся пресная вода уже прошла техносферу , поэтому она меняет свой качественный состав. Основной причиной современной деградации природных вод земли является антропогенное загрязнение. Главные источники его:
Сточные воды промышленных предприятий;
Сточные воды коммунального хозяйства городов и других населённых пунктов;
Стоки систем орошения, поверхностные стоки с полей и других сельскохозяйственных объектов;
Атмосферные выпадения загрязнителей на поверхность водоёмов и водосборных бассейнов.
Антропогенное загрязнение гидросферы в настоящее время приобрело глобальный характер и существенно уменьшило доступные эксплуатационные ресурсы пресной воды на планете. Общий объём промышленных, сельскохозяйственных и коммунально-бытовых стоков составляет ≈ 1300 км 3 . Общая масса загрязнителей гидросферы ≈ 15 млрд т в год.
жизнь никогда не возникала, а существовала всегда
17. Индивидуальное развитие организмов, охватывающие все изменения от зарождения до смерти называется …
онтогенез
18. Способность биологических систем противостоять изменениям и сохранять динамическое относительное постоянство состава называется …
гомеостаз
19. Методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на убеждении в первичности макромолекулярной системы со свойствами первичного генетического кода называется…
генобиоз
20. Одним из главных признаков живого является :
способность к самовоспроизведению
Человек- физиология, здоровье, творчество, эмоции, работоспособность
Новая наука о здоровье души и тела называется...
валеология
Интеллект - это...
способность к рациональному мышлению
Быстрый» или «парадоксальный» сон - это сон
следующий за обычным «медленным»
Здоровье человека - по его...
объективное состояние
Система искусственного интеллекта -это система, моделирующая и воспроизводящая с помощью компьютера некоторые виды...
умственной деятельности человека
6. Один из этапов творческого процесса - озарение, инсайт. На этом этапе происходит…
проверка истинности идеи, ее последующее сознательное развитие и формализация
Но определению Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) здоровье - это...
состояние полного физического, духовного и социального благополучия
Русская пословица «утро вечера мудренее» говорит о.
работе бессознательного в течение ночи
9. Известно, что при почти полной химической и анатомической идентичности полушарий головного мозга, они различаются функционально. Функциями левого полушария являются:
A) речь
B) работа фантазии
В) логическое мышление
Г) восприятие музыки и живописи
10. Известно, что полушария головного мозга функционально асимметричны:
«левополушарное» мышление-дискретное, аналитическое; «правополушарное» -пространственно-образное. К функции левого полушария головного мозга относится:
логическое мышление
11. Известно, что полушария головного мозга функционально асимметричны: «левополушарное» мышление-дискретное, аналитическое; «правополушарное» -пространственно-образное. К функции левого полушария головного мозга относится:
принятие решений
Память - это способность мозга запоминать, хранить и воспроизводить полученную информацию. Различают несколько видов памяти: лабильную (кратковременную), иконическую (мгновенную) и -
постоянную (долговременную)
Реакции человека на воздействие внутренних или внешних раздражителей, имеющие ярко выраженную субъективную оценку и охватывающие все виды чувственности и /переживаний, называются...
эмоциями
14. Характеристика индивида со стороны динамических особенное гей его психической деятельности (темпа, ритма, интенсивности психических процессов и состояний) называется:
Текущая страница: 4 (всего у книги 44 страниц) [доступный отрывок для чтения: 29 страниц]
2.4. Гомеостаз
Гомеостаз (от греч. homoios – тот же, statos – состояние) – способность биологических систем противостоять изменениям и сохранять относительное динамическое постоянство своей структуры и свойств. Поддержание гомеостаза – непременное условие существования как отдельных клеток и организмов, так целых биологических сообществ и экосистем.
В гомеостазе (устойчивости) живых систем выделяют:
выносливость (живучесть, толерантность (см. разд. 3.2.2) – 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.
Понятие «гомеостаз» широко используется в экологии для характеристики устойчивости различных систем. Гомеостаз клетки определяется специфическими физико-химическими условиями, отличными от условий внешней среды; гомеостаз многоклеточного организма – поддержанием постоянства внутренней среды. Константами гомеостаза животных являются объем, состав крови и других жидкостей организма.
Гомеостаз популяции определяется поддержанием пространственной структуры, плотности и генетического разнообразия. Вследствие гомеостатической регуляции поддерживается постоянство состава и численности популяций в сообществах.
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, состава почв, состава и концентрации солей мирового океана и др.
Гомеостаз обеспечивается работой механизмов регулирования, действующих по принципу отрицательной обратной связи. Тогда, используя кибернетические термины, нарушения в функционировании живой системы следует констатировать как появление в канале обратной связи «помех» или «шумов».
Роль помех могут играть различные факторы, например погодные условия, деятельность человека и т. п. Резкие изменения характеристик окружающей среды, при которых они (или одна из них) выходят за границы допустимого, называют экологическим стрессом.
Безусловно, конкретные механизмы регулирования различны для клетки организма, популяции и экосистемы, но всегда результатом саморегуляции и поддержания гомеостаза является сбалансированность и четкая согласованность функционирования всех элементов биологической системы.
2.5. Биологический вид
Разделение всего многообразия животных и растений на виды является способом упорядоченного описания живой природы, основанным на выявлении иерархической структуры ее элементов.
В большинстве случаев особи разных видов различают по внешнему виду, поведению, физиологии. Однако одних внешних различий, даже значительных, для выделения вида недостаточно. Если особи двух разных групп организмов при самом значительном различии внешнего вида способны, скрещиваясь, давать потомство (т. е. возможен обмен генами), то они являются одним видом. Напротив, особей, которые не способны дать потомство при скрещивании, относят к различным видам.
Вид – совокупность особей, способных к скрещиванию и образованию плодовитого потомства, населяющих определенный ареал (область географического распространения), обладающих рядом общих морфо-физиологических признаков и типов взаимоотношений с абиотической и биотической средой, отделенных от других таких же групп особей практически полным отсутствием гибридных форм. Вид – качественный этап процесса эволюции (см. разд. 3.33).
Приведенное правило определения видов (как и все прочие научные схемы, описывающие безгранично многообразные проявления жизни) имеет исключения.
Контрольные вопросы и задания
2.1. Что такое гомеостаз?
2.2. Приведите примеры выносливости и упругости организмов.
2.3. Какие изменения происходят с веществом и энергией в ходе фотосинтеза и роста растений?
2.4. Назовите сходства и различия процессов фотосинтеза и хемосинтеза.
2.5. Перечислите основные типы дыхания.
2.6. Назовите единый и универсальный источник энергообеспечения клетки.
2.7. Какие организмы являются продуцентами и какова их роль в экосистеме?
2.8. Объясните взаимоотношения между организмами-производителями, организмами-потребителями и организмами-разрушителями.
2.9. Какая роль отводится воде в жизни клетки?
2.10. Дайте определение биологическому виду. Имеют ли место исключения из данного правила определения вида?
ФАКТОРЫ СРЕДЫ
Живое неотрывно от среды. Каждый отдельный организм, являясь самостоятельной биологической системой, постоянно находится в прямых или косвенных отношениях с разнообразными компонентами и явлениями окружающей его среды или, иначе, с р е д ы о б и т а н и я, влияющими на состояние и свойства организма.
Среда – одно из основных экологических понятий, которое означает весь спектр окружающих организм элементов и условий в той части пространства, где обитает организм, все то, среди чего он живет и с чем непосредственно взаимодействует. При этом организмы, приспособившись к определенному комплексу конкретных условий, в процессе жизнедеятельности сами постепенно изменяют эти условия, т. е. среду своего существования.
3.1. Экологические факторы и их действие
Экологический фактор – любой элемент окружающей среды, способный прямо или косвенно влиять на живой организм, хотя бы на одном из этапов его индивидуального развития, называют экологическим фактором.
Экологические факторы многообразны, при этом каждый фактор является совокупностью соответствующего условия среды и его ресурса (запаса в среде).
Экологические факторы среды (рис. 3.1) принято делить на две группы:
Факторы косной (неживой) природы – абиотические или абиогенные;
Факторы живой природы – биотические или биогенные.
С другой стороны, по происхождению и те и другие бывают как природными, так и антропогенными, т. е. прямо или косвенно связанными с деятельностью человека, который не только меняет режимы природных экологических факторов, но и создает новые, синтезируя ядохимикаты, удобрения, строительные материалы, лекарства и т. п.
Рис. 3.1. Классификация экологических факторов
Известно, что в основу построения системы терминов должна быть положена достаточно емкая классификация, охватывающая все понятия в их взаимосвязи и развитии. Исключительная сложность, взаимосвязанность и взаимозависимость явлений в природе затрудняет классификацию в экологии. Наряду с приведенной классификацией экологических факторов существует много других (менее распространенных), в которых используют иные отличительные признаки. Так, выделяют факторы, зависящие и не зависящие от численности и плотности организмов. Например, на действие макроклиматических факторов не сказывается количество животных или растений, а эпидемии (массовые заболевания), вызываемые патогенными микроорганизмами, зависят от их количества на данной территории. Известны классификации, в которых все антропогенные факторы относят к биотическим.
3.1.1. Абиотические факторы
В абиотической части среды обитания (в неживой природе) все факторы прежде всего можно разделить на физические и химические. Однако для понимания сути рассматриваемых явлений и процессов абиотические факторы удобно представить совокупностью климатических, топографических, космических факторов, а также характеристик состава среды (водной, наземной или почвенной) и др.
3.1.1.1. Основные климатические факторы
Энергия Солнца. Она распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн. Для организмов важны длина волны воспринимаемого излучения, его интенсивность и продолжительность воздействия.
Около 99 % всей энергии солнечной радиации составляют лучи с длиной волны λ = 170 … 4000 нм, в том числе 48 % приходится на видимую часть спектра (λ = 390 … 760 нм), 45 % – на близкую инфракрасную (λ = 760 … 4000 нм) и около 7 % – на ультрафиолетовую (λ < 400 нм).
Преимущественное значение для фотосинтеза имеют лучи с λ = 380 … 710 нм. Длинноволновая (дальняя инфракрасная) солнечная радиация (λ > 4000 нм) незначительно влияет на процессы жизнедеятельности организмов.
Ультрафиолетовые лучи с λ > 320 нм в малых дозах необходимы животным и человеку, так как под их действием в организме образуется витамин D. Излучение с λ < 290 нм губительно для живого, но до поверхности Земли оно не доходит, поглощаясь озоновым слоем атмосферы.
При прохождении через атмосферный воздух солнечный свет (рис. 3.2) отражается, рассеивается и поглощается. Чистый снег отражает примерно 80–95 % солнечного света, загрязненный – 40–50 %, черноземная почва – до 5 %, сухая светлая почва – 35–45 %, хвойные леса – 10–15 %. Однако освещенность земной поверхности существенно колеблется в зависимости от времени года и суток, географической широты, экспозиции склона, состояния атмосферы и т. п.
Вследствие вращения Земли периодически чередуются светлое и темное время суток. Цветение, прорастание семян у растений, миграция, зимняя спячка, размножение животных и многое другое в природе связаны с длительностью фотопериода (длиной дня). Необходимость в свете для растений обусловливает быстрый их рост в высоту, ярусную структуру леса. Водные растения распространяются преимущественно в поверхностных слоях водоемов.
Рис. 3.2. Баланс солнечной радиации на поверхности Земли в дневное время
Температура. Температура главным образом связана с солнечным излучением, но в ряде случаев определяется энергией геотермальных источников.
При температуре ниже точки замерзания живая клетка физически повреждается образующимися кристаллами льда и гибнет, а при высоких температурах происходит денатурация ферментов. Абсолютное большинство растений и животных не выдерживает отрицательных температур тела. Верхний температурный предел жизни редко поднимается выше 40–45 °C.
В диапазоне между крайними границами скорость ферментативных реакций (следовательно, и интенсивность обмена веществ) удваивается с повышением температуры на каждые 10 °C. Значительная часть организмов способна контролировать (поддерживать) температуру тела, причем в первую очередь наиболее жизненно важных органов. Такие организмы называют гомойотермными – теплокровными (от греч. homoios – подобный, therme – теплота), в отличие от пойкилотермных – холоднокровных (от греч. poikilos – различный, переменчивый, разнообразный), имеющих непостоянную температуру, зависящую от температуры окружающей среды.
В водной среде благодаря высокой теплоемкости воды изменения температуры менее резкие и условия более стабильные, чем на суше. Известно, что в регионах, где температура в течение суток, а также в разные сезоны сильно меняется, разнообразие видов меньше, чем в регионах с более постоянными суточными и годовыми температурами.
Температура, как и интенсивность света, зависит от географической широты, сезона, времени суток и экспозиции склона. Действие экстремальных температур (низких и высоких) усиливается сильными ветрами.
Изменение температуры по мере подъема в воздушной среде или погружения в водную среду называют температурной стратификацией. Обычно и в том и в другом случае наблюдается непрерывное снижение температуры с определенным градиентом. Тем не менее существуют и иные варианты. Так, в летний период поверхностные воды нагреваются сильнее глубинных. В связи со значительным уменьшением плотности воды по мере нагрева начинается ее циркуляция в поверхностном нагретом слое без смешения с более плотной, холодной водой нижерасположенных слоев. В результате между теплым и холодным слоями образуется промежуточная зона с резким градиентом температуры. Все это влияет на размещение в воде живых организмов, а также на перенос и рассеивание поступающих примесей.
Подобное явление встречается и в атмосфере, когда охлажденные слои воздуха смещаются вниз и располагаются под теплыми слоями, т. е. имеет место температурная инверсия , способствующая накоплению загрязняющих веществ в приземном слое воздуха.
Инверсии способствуют некоторые особенности рельефа, например, котлованы и долины. Она возникает при наличии на определенной высоте веществ, например аэрозолей, нагреваемых непосредственно за счет прямого солнечного излучения, что вызывает более интенсивное прогревание верхних воздушных слоев.
В почвенной среде суточная и сезонная стабильность (колебания) температуры зависят от глубины (рис. 3.3). Значительный градиент температур (а также влажности) позволяет обитателям почвы обеспечивать себе благоприятную среду путем незначительных перемещений.
Рис. 3.3. Уменьшение годового колебания температуры почвы с глубиной
Наличие и численность живых организмов могут влиять на температуру. Например, под пологом леса или под листьями отдельного растения имеет место иная температура.
Осадки, влажность. Вода обязательна для жизни на Земле, в экологическом плане она уникальна (см. разд. 2.1, 2.2). При практически одинаковых географических условиях на Земле существуют и жаркая пустыня, и тропический лес (рис. 3.4). Различие состоит только в годовом количестве осадков: в первом случае 0,2-200 мм, а во втором 900-2000 мм.
Осадки, тесно связанные с влажностью воздуха, представляют собой результат конденсации и кристаллизации водяных паров в высоких слоях атмосферы. В приземном слое воздуха образуются росы, туманы, а при низких температурах наблюдается кристаллизация влаги – выпадает иней или снег.
Одна из основных физиологических функций любого организма – поддержание на достаточном уровне количества воды в теле. В процессе эволюции у организмов сформировались разнообразные приспособления к добыванию и экономному расходованию воды, а также к переживанию засушливого периода. Одни животные пустыни получают воду из пищи, другие за счет окисления своевременно запасенных жиров (например, верблюд, способный путем биологического окисления из 100 г жира получить 107 г метаболической воды); при этом у них минимальна водопроницаемость наружных покровов тела, преимущественно ночной образ жизни и т. д. При периодической засушливости характерно впадание в состояние покоя с минимальной интенсивностью обмена веществ.
Рис. 3.4. Зависимость типа растительности от климатических условий
Наземные растения получают воду главным образом из почвы. Малое количество осадков, быстрый дренаж, интенсивное испарение либо сочетания этих факторов ведут к иссушению, а избыток влаги – к переувлажнению и заболачиванию почв.
Баланс влаги зависит от разницы между количеством выпавших осадков и количеством воды, испарившейся с поверхностей почвы и растений (путем транспирации ). В свою очередь процессы испарения непосредственно зависят от относительной влажности атмосферного воздуха. При влажности, близкой к 100 %, испарение практически прекращается, и если дополнительно понижается температура, то начинается обратный процесс – конденсация (образуется туман, выпадают роса, иней).
Помимо отмеченного, влажность воздуха как экологический фактор при своих крайних значениях (повышенной и пониженной влажности), усиливает воздействие (усугубляет действие) температуры на организм.
Насыщение воздуха парами воды редко достигает максимального значения. Дефицит влажности – разность между максимально возможным и фактически существующим насыщением при данной температуре. Это один из важнейших экологических параметров, поскольку характеризует сразу две величины: температуру и влажность. Чем выше дефицит влажности, тем суше и теплее, и наоборот.
Режим осадков – важнейший фактор, определяющий миграцию загрязняющих веществ в природной среде и вымывание их из атмосферы.
Подвижность среды. Причинами возникновения движения воздушных масс (ветра) являются в первую очередь неодинаковый нагрев земной поверхности, вызывающий перепады давления, а также вращение Земли. Ветер направлен в сторону более прогретого воздуха.
Ветер – важнейший фактор распространения на большие расстояния влаги, семян, спор, химических примесей и т. п. Он способствует как снижению околоземной концентрации пыле-и газообразных веществ вблизи места их поступления в атмосферу, так и повышению фоновых концентраций в воздушной среде вследствие выбросов далеких источников, включая трансграничный перенос.
Ветер ускоряет транспирацию (испарение влаги наземными частями растений), что особенно ухудшает условия существования при низкой влажности. Кроме того, он косвенно влияет на все живые организмы суши, участвуя в процессах выветривания и эрозии.
Подвижность в пространстве и перемешивание водных масс способствуют поддержанию относительной гомогенности (однородности) физических и химических характеристик водных объектов. Средняя скорость поверхностных течений лежит в пределах 0,1–0,2 м/с, достигая местами 1 м/с, у Гольфстрима – 3 м/с.
Давление. Нормальным атмосферным давлением считается абсолютное давление на уровне поверхности Мирового океана 101,3 кПа, соответствующее 760 мм рт. ст. или 1атм. В пределах земного шара существуют постоянные области высокого и низкого атмосферного давления, причем в одних и тех же точках наблюдаются сезонные и суточные его колебания. По мере увеличения высоты относительно уровня океана давление уменьшается, снижается парциальное давление кислорода, усиливается транспирация у растений.
Периодически в атмосфере образуются области пониженного давления с мощными воздушными потоками, перемещающимися по спирали к центру, которые называют циклонами. Для них характерно большое количество осадков и неустойчивая погода. Противоположные природные явления называют антициклонами. Они характеризуются устойчивой погодой, слабыми ветрами и в ряде случаев температурной инверсией. При антициклонах порой возникают неблагоприятные метеорологические условия, способствующие накоплению в приземном слое атмосферы загрязняющих веществ.
Различают также морское и континентальное атмосферное давление.
Давление в водной среде возрастает по мере погружения. Благодаря значительно (в 800 раз) большей, чем у воздуха, плотности воды на каждые 10 м глубины в пресноводном водоеме давление увеличивается на 0,1 МПа (1атм). Абсолютное давление на дне Марианской впадины превышает 110 МПа (1100 атм).
Ионизирующие излучения. Ионизирующим называют излучение, образующее пары ионов при прохождении через вещество; фоновым – излучение, создаваемое природными источниками. Оно имеет два основных источника: космическое излучение и радиоактивные изотопы и элементы в минералах земной коры, возникшие некогда в процессе образования вещества Земли. Из-за большого периода полураспада ядра многих первозданных радиоактивных элементов сохранились в недрах Земли до настоящего времени. Главнейшие из них – калий-40, торий-232, уран-235 и уран-238. Под воздействием космического излучения в атмосфере постоянно образуются все новые ядра радиоактивных атомов, главные из которых – углерод-14 и тритий.
Радиационный фон ландшафта – одна из непременных составляющих его климата. В формировании фона принимают участие все известные источники ионизирующего излучения (рис. 3.5), однако вклад каждого из них в общую дозу облучения зависит от конкретной географической точки. Человек как обитатель природной среды получает основную часть облучения от естественных источников радиации, и избежать этого невозможно. Все живое на Земле подвергается излучению из Космоса на протяжении всей истории существования и адаптировалось к этому.
Рис. 3.5. Дозы получаемого радиоактивного облучения, мрад/г. (по Н. Ф. Реймерсу): 1 – космические лучи; 2 – внутренние α-лучи и излучение 40K, содержащегося в живых организмах; 3 – излучение местных внешних источников
Горные ландшафты благодаря значительной высоте над уровнем моря характеризуются повышенным вкладом космического излучения. Ледники, выполняя функцию поглощающего экрана, задерживают в своей массе излучение подстилающих коренных пород. Обнаружены различия в содержании радиоактивных аэрозолей над морем и сушей. Суммарная радиоактивность морского воздуха в сотни и тысячи раз меньше, чем континентального.
На Земле есть районы, где интенсивность излучения в десятки раз превышает средние значения, например, районы месторождений урана и тория. Такие места называют урановыми и ториевыми провинциями. Стабильный и относительно более высокий уровень излучения наблюдается в местах выхода гранитных пород.
Биологические процессы, сопровождающие образование почв, существенно влияют на накопление в последних радиоактивных веществ. При малом содержании гумусовых веществ их активность слабая, тогда как черноземы всегда отличались более высокой удельной активностью. Особенно она высока у черноземных и луговых почв, расположенных близко к гранитным массивам. По степени возрастания удельной активности почвы ориентировочно можно расположить в следующем порядке: торфяные; почвы степной зоны и лесостепи; черноземные; почвы, развивающиеся на гранитах.
Влияние периодических колебаний интенсивности космического излучения у земной поверхности на дозу облучения живых организмов практически не существенно.
Во многих районах земного шара мощность экспозиционной дозы, обусловленная излучением урана и тория, достигает уровня облучения, существовавшего на Земле в геологически обозримое время, при котором шла естественная эволюция живых организмов. В целом ионизирующее излучение более губительно воздействует на высокоразвитые и сложные организмы, причем человек отличается особой чувствительностью. Некоторые вещества распределяются в организме равномерно, например углерод-14 или тритий, а другие накапливаются в определенных органах. Так, радий-224, – 226, свинец-210, полоний-210 аккумулируются в костных тканях. Сильное воздействие на легкие оказывает инертный газ радон-220, порой выделяющийся не только из залежей в литосфере, но и из минералов, добытых человеком и применяемых в качестве строительных материалов.
Радиоактивные вещества могут накапливаться в воде, почве, осадках или в воздухе, если скорость их поступления превышает скорость радиоактивного распада. В живых организмах накопление радиоактивных веществ происходит при их попадании с пищей («правило биотического усиления», см. разд. 5.1.3).