15
Реферат
по биологии
на тему:
«Функциональные и молекулярные резервы организма»
Адаптация организма к условиям среды в общебиологическом плане необходима для сохранения как каждого индивидуума, так и каждого вида. А для человека, который является объектом не только биологическим, но прежде всего социальным, приспособление обязательно еще и для обеспечения психического комфорта и работоспособности.
Одним из путей защиты от неблагоприятных условий окружающей среды, особенно если они угрожают жизни, является стремление устраниться от них. Животное это делает инстинктивно, а человек -- сознательно. Человек прибегает к различным средствам: сменяет легкую одежду на теплую и наоборот, пользуется отоплением, искусственным освещением, бесперебойным водоснабжением, вентиляцией, применяет кислородные или иные изолирующие от среды аппараты и т. п. Животное этих средств лишено.
Первым и наиболее древним способом устранения от вредоносных влияний среды, возникшим еще при переходе живых существ от водного к наземному образу жизни, является анабиоз, свойственный беспозвоночным животным, а также некоторым рыбам, амфибиям и рептилиям. Анабиоз -- такое состояние организма, при котором жизненные процессы настолько замедлены, что признаки жизни видимо не проявляются. Анабиоз возникает под влиянием как низких температур, так и высоких, сопровождающихся большим недостатком воды. Иначе говоря, в первом случае это обратимое замерзание, а во втором -- обратимое высыхание. При возвращении условий среды к совместимым с существованием происходит и восстановление активной жизни организма. Так, при таянии речного льда оживают вмерзшие в него простейшие, например инфузории, насекомые, паукообразные и низшие ракообразные. При увеличении влажности возрождаются находившиеся в состоянии теплового анабиоза яйца и куколки насекомых, а также некоторые другие беспозвоночные низшие организмы.
Общим условием впадения в состояние анабиоза является значительная потеря воды клетками, что резко снижает интенсивность обмена веществ: все химические реакции его происходят в водных растворах, а многие и с участием воды -- химического компонента реакции. В состоянии анабиоза даже амфибии и рептилии, не говоря уже о беспозвоночных, теряют от !/г ДО 3Д воды, содержащейся в их организме; при этом оставшаяся вода находится в переохлажденном состоянии, превращаясь в однородную стекловидную массу. Это может произойти и при осторожном постепенном замораживании, и при быстром действии очень низких температур (порядка 90 и даже 160 °С). В прочих условиях вода кристаллизуется в лед и разрушает клеточные структуры.
Другими, более мягкими способами устранения от неблагоприятных условий среды являются оцепенение рыб, амфибий и рептилий, зимняя и летняя спячка млекопитающих и зимний сон их. Зимнее оцепенение пойкилотермных, как и зимняя спячка млекопитающих, связано со снижением температуры среды и недостатком пищи, летняя -- с нехваткой влаги в засушливое (жаркое) время года. У одних животных оцепенение наступает уже при 15 °С, у других -- около 0 ?C и характеризуется неподвижностью, снижением газообмена и замедлением физиологических функций. Двоякодышащие рыбы в период свойственного им летнего оцепенения при высыхании водоемов зарываются в ил и даже окружают себя капсулой, предохраняющей от потери влаги.
Если оцепенению подвергаются пойкилотермные, то зимняя и летняя спячка присуща гомойотермным животным, физиологические и молекулярные механизмы которой отличаются от оцепенения. Внешние проявления их одинаковы: снижение температуры тела почти до температуры окружающей среды (только при зимней спячке, при летней этого нет) и интенсивности обмена веществ (в 10 -- 15 раз), сдвиг реакции внутренней среды организма в щелочную сторону, уменьшение возбудимости дыхательного центра и урежение дыхания до 1 вдоха за 2.5 мин; резко падает и частота сердечных сокращений (например, у летучих мышей с 420 до 16 ударов/мин). Причина этого -- в возрастании тонуса парасимпатической нервной системы и уменьшении возбудимости симпатической. Самое же главное, что при зимней спячке выключается система терморегуляции. Причинами этого являются падение активности щитовидной железы и снижение содержания в крови тиреогормонов. Гомойотермные животные становятся как бы пойкилотермными.
Механизмы зимней спячки выработались в процессе исторического развития животного мира, и главные побудительные стимулы к ней исходят из центральной нервной системы. Если, например, у ежа разрушить область межуточного мозга, связанную с регуляцией вегетативных функций и обмена веществ, то возможность спячки утрачивается. Характерное для спячки торможение центральной нервной системы намного глубже, чем при нормальном сне, однако зимоспящее животное можно разбудить и в разгаре спячки путем механического раздражения.
Сурки, суслики, хомяки, бурундуки проводят спячку в норах, где температура все же несколько выше наружной и где нет охлаждающего действия ветра. Нередко норы бывают весьма глубокими: у сурков и сусликов, например, до 3 м. Летучие мыши зимуют в пещерах, штольнях и на чердаках. Во время спячки животные обходятся без воды и пищи. Лишь хомяки и бурундуки изредка просыпаются и едят запасы, заготовленные с осени. Остальные же зимоспящие поддерживают свои резко сниженные жизненные процессы за счет окисления резервного жира организма, который они приобрели за лето. В результате за время спячки они теряют 1/2 массы тела.
Пробуждение от зимней спячки происходит рефлекторно под действием повышения температуры окружающей среды, а также рефлексов с растянутого мочевого пузыря; от летней спячки -- под влиянием снижения температуры и возрастания влажности. При пробуждении тонус парасимпатической нервной системы падает, а симпатической -- возрастает, что стимулирует и обмен веществ, и вегетативные функции.
С зимней спячкой не следует путать зимний сон таких животных, как медведи, барсуки, енотовидные собаки. Основное отличие сна в том, что при нем не снижается температура тела и по длительности он короче: 1-2 мес., тогда как зимняя спячка может продолжаться до 3 мес. и дольше.
Еще одним способом самоустранения организма от неблагоприятных влияний среды являются миграции, происходящие инстинктивно. Различают миграции регулярные (сезонные) и нерегулярные (экстренные). Причины регулярных миграций -- смена времен года, ухудшение условий питания и сезонные физиологические изменения в организме, побуждающие миграционный инстинкт. Например, птицы совершают перелеты на многие сотни и тысячи километров от мест гнездования; так, кулики из северо-восточной Сибири мигрируют в Австралию за 10 000 км. В зимние месяцы киты из Северной Атлантики и северных районов Тихого океана откочевывают в субтропические и тропические зоны, котики с Командорских островов -- в более теплое Японское море.
Большие сезонные миграции совершают и рыбы от мест обычного обитания в нерестилища. Европейские угри преодолевают 7000--8000-километровый путь в Саргассово море, а личинки их -- обратно в Европу по течению Гольфстрима. Многие морские лососевые и осетровые рыбы для нереста поднимаются по рекам со скоростью до 100 км/сут., проходя расстояние 3000--4000 км. Существуют и миграции по вертикали: горные копытные зимой опускаются в более низкие зоны, где снег не так глубок.
Нерегулярные миграции связаны с внезапными изменениями условий существования: недостатком пищи, засухами, наводнениями, высокой численностью вида в данной зоне и т. п. Примерами таких миграций служат перелеты саранчи в Азии или «походы» муравьев в Южной Америке. При этом мигрировавшие животные могут или вернуться в прежнее место обитания, или прочно освоить новый район, как белки в 20-х гг. заселили Камчатку.
Молекулярные основы миграции пока неизвестны. И мы вынуждены довольствоваться данными физиологии и зоопсихологии на уровне организма как целого.
Если от неблагоприятных условий среды организм не может устраниться, то он должен экстренно (а в дальнейшем и более прочно) приспособиться к ним. Какими же резервами для этого он обладает? Эти резервы можно разделить на две группы: функциональные и молекулярные. Под первыми мы понимаем диапазон изменений интенсивности той или иной функции, под вторыми -- энергетические ресурсы организма, возможности регуляции биохимических процессов в нем и изменения структур биологически активных молекул.
Обращаясь к сердечнососудистой системе, мы видим, что резервы ее очень велики. Частота и сила сердечных сокращений могут возрастать в 3--4 раза против уровня в оптимальных для организма условиях, ударный объем (т. е. количество крови, выбрасываемое в сосудистую систему при каждом сердечном сокращении) -- с 60 до 200 мл, а минутный объем (объем крови, выбрасываемый за 1 мин) -- с 4 до 38 л. Существенно может увеличиваться и сеть функционирующих кровеносных капилляров. Например, в покоящихся мышцах на 1 см2 приходится 35 действующих капилляров с поверхностью 3-- 8 см2, а остальные закрыты и в кровоснабжении мышцы не участвуют. При интенсивной же работе мышц количество их достигает 3000, а поверхность -- до 360--370 см2. Значительно могут возрастать и скорость кровотока, и объем циркулирующей крови. В состоянии, не требующем функционального напряжения, в кровообращении не участвует до 30% всего объема крови. Эта кровь находится в так называемых кровяных депо: в селезенке (у собаки -- от 10 до 20%, у человека -- от 8 до 12%), в сосудах кожи (10%) и в печени (20%). По мере надобности эта кровь может поступать в общее кровяное русло, увеличивая объем циркулирующей крови, что приводит, в частности, к возрастанию кислородной емкости организма, т. е. количества кислорода, поглощаемого кровью и переносимого ею от легких к тканям и органам. Поскольку поступивший в легкие кислород присоединяется к красящему веществу красных кровяных телец -- гемоглобину, то, чем больше будет абсолютное содержание его в крови, тем больше кислорода сможет перенести кровь.
Значительно могут возрастать и параметры дыхательной системы: частота дыхания -- в 3--4 раза, объем легочной вентиляции -- в 8 раз, газообмен -- в 20 -- 30, максимальное поглощение кислорода -- в 2.5-- 3 раза. Столь же значительны резервы и других функциональных систем; так, мочеотделение может увеличиваться в 10 -- 15 раз, потоотделение -- в 10--12 раз. Словом, функциональные резервы организма достаточно велики.
Каковы же пути включения этих резервов? Прежде всего, это нервные, рефлекторные механизмы, регулируемые центральной нервной системой, но могут они осуществляться и гормонами или продуктами обмена веществ через кровь, т. е. гуморально. Так, адреналин вызывает учащение сердечных сокращений, а от концентрации углекислоты в крови зависит возбудимость дыхательного центра в продолговатом мозгу, а значит, частота и глубина дыхания, и т. д.
Рассмотрим молекулярные и субклеточные резервы организма. Прежде всего это запасы источников энергии, необходимой для жизнедеятельности и осуществления различных физиологических функций. Первым и наиболее легко используемым является животный крахмал -- гликоген, построенный из цепей глюкозных остатков, которые по отщеплении от гликогена могут окисляться (а следовательно, генерировать необходимую организму АТФ и тепло) как аэробно, так и анаэробно, гликолитически. В том или ином количестве гликоген содержится во всех клетках организма, но особенно много его в печени (от 4 до 8% ее массы), скелетных мышцах (от 0.3 до 0.8%), сердечной мышце (от 0.25 до 0.3%) и головном мозгу (от 0.2 до 0.25%). Гликоген нервной системы, сердечной и скелетных мышц используется в первую очередь для собственной потребности этих органов, но в критических ситуациях, при понижении содержания гликогена в миокарде и головном мозгу, гликоген скелетных мышц может расщепляться до глюкозы, которая, поступая в кровь, и переносится в эти жизненно важные органы. Главным же резервом гликогена в организме является печень. Содержащийся в ней гликоген, расщепляясь под действием фермента гликогенфосфорилазы, служит для поддержания уровня глюкозы в крови и снабжения ею всех тканей и органов. В печени человека до 500 г гликогена, в скелетных мышцах -- до 200, в сердечной мышце и головном мозгу -- около 90 г. Окисляясь до углекислоты и воды, гликогенные запасы организма могут обеспечить около 11 055 кДж, так как окисление 1 г глюкозы дает 13.7 кДж.
Страницы: 1, 2
