Жизнедеятельность организма как целостной системы

Известно, что любой организм, будь-то одноклеточный или многоклеточный, является биологической системой. Такая система представляет собой совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих структурно-функциональных компонентов: у одноклеточных организмов - это плазматическая мембрана, цитоплазма с органеллами и ядро, а у многоклеточных - клетки, ткани, органы, системы органов.

Для организма как биологической системы характерны такие признаки и свойства, как целостность, высокоупорядоченное строение, саморегуляция, относительная устойчивость, а также способность к адаптации к внешней среде, развитию, самовоспроизведению. Эти свойства организма наиболее четко проявляются в различных условиях среды обитания.

Все живые организмы существуют в определенных биотопах, условия которых постоянно изменяются. Во многих случаях эти изменения бывают столь резкими и значительными, что от живых существ требуется высокая экологическая пластичность, которая позволяет им не только выжить, но и нормально существовать в условиях заметного колебания освещенности, температуры, влажности, обеспеченности кормом, количества хищников и паразитов и т.д.

Процессы адаптации организмов к меняющимся условиям внешней среды осуществляются повсеместно и постоянно на протяжении всей их жизни.

Можно выделить несколько уровней, на которых осуществляется сложный динамический, комплексный процесс адаптации живых существ к различным условиям среды - молекулярный, клеточный, тканевый и организменный. Одним из важнейших является клеточный уровень.

В качестве примера приспособления одноклеточного организма к условиям среды рассмотрим эвглену зеленую, обитающую в небольших пресных водоемах со стоячей водой - лужах, озерах, болотах, а также на влажной почве. Наиболее важной особенностью эвглены является ее способность менять характер питания в зависимости от условий освещения. На свету благодаря наличию в клетке хлоропластов, фотосинтезирующих пигментов и соответствующих ферментов эвглене (как и зеленым растениям) присущ автотрофный тип питания. Поэтому эвглена всегда находится в освещенной части водоема, где более благоприятные условия для фотосинтеза. Находить освещенные места ей помогает светочувствительный глазок, или стигма, расположенный на переднем конце тела.

Если же эвглена на длительное время попадает в темноту, она теряет хлорофилл и становится бесцветной. Вследствие этого прекращается фотосинтез, и эвглена, подобно животным и грибам, усваивает готовые органические вещества, т.е. питается гетеротрофно. Следовательно, она переходит от автотрофного способа питания на свету к гетеротрофному (сапротрофному) питанию в темноте.

Часто, развиваясь в загрязненных водоемах, где имеется значительное количество растворенных органических веществ, эвглена сочетает оба типа питания - автотрофный и гетеротрофный. Ее способность к смешанному, или миксотрофному, питанию обеспечивает возможность выживания в различных условиях существования.

Аналогичные адаптации к меняющимся условиям среды характерны и для ряда других автогетеротрофных протистов (например, для хламидомонады).

Очень часто адаптации организмов проявляются на тканевом уровне: отдельные ткани и органы способны отвечать на изменение условий существования, обеспечивая тем самым приспособление организма в целом к условиям внутренней и внешней среды. Подобные изменения можно наблюдать у человека, многие качества организма которого могут быть развиты в значительной мере тренировкой. Так, у тяжелоатлетов - мощная мускулатура, у культуристов не только мощная мышечная система, но и четко очерченная рельефно каждая группа мышц, у пловцов сильно развиты легкие и т.д. Регулярные занятия физическим трудом, физкультурой и спортом, активный образ жизни способствуют укреплению сердца, обеспечивают его нормальную работу. Чем сильнее развита сердечная мышца, тем больше крови она может выбросить в кровеносную систему, что лучше обеспечивает снабжение тканей питательными веществами, кислородом и удаление из них продуктов метаболизма. Уменьшение физических нагрузок, наоборот, сопровождается ограничением подвижности, т.е. развитием гиподинамии. Это вызывает снижение обмена веществ, ослабляет мышечную систему и сердечную мышцу.

Одной из наиболее важных особенностей организма как целостной системы является его способность к саморегуляции, т.е. автоматическому установлению и поддержанию на определенном, относительно постоянном уровне тех или иных физиологических и других биологических показателей независимо от меняющихся условий окружающей среды. Способность к саморегуляции в наибольшей степени характерна для млекопитающих, у которых она достигается за счет мощного развития нервной, кровеносной, иммунной, эндокринной и пищеварительной систем.

Изменение условий, т.е. отклонение какого-либо жизненного фактора от привычного для организма уровня, служит толчком к мобилизации механизмов, восстанавливающих его. При этом конкретные механизмы саморегуляции весьма разнообразны, однако во многих случаях основаны на сходных принципах, например, регуляции по принципу обратной связи.

Примером саморегуляции на молекулярном уровне могут служить ферментативные реакции, в которых конечный продукт, определенная концентрация которого поддерживается автоматически, влияет на активность фермента. Другой пример: пепсин активен в кислой среде, а при подщелачивании его активность падает и полностью восстанавливается только при подкислении. Аналогичная закономерность наблюдается и в случае снижения и повышения температуры. Эта способность к легкому изменению структурно-функциональной организации ферментов объясняет причину их низкой активности в одних условиях и высокой в других, что, естественно, сказывается на жизнедеятельности организмов.

Саморегуляция на клеточном уровне - это самосборка органелл (митохондрий, хлоропластов, рибосом, лизосом и др.) или восстановление локально разрушенной плазматической мембраны из структурных белков, липидов и других макромолекул. Образование органелл и восстановление структуры мембраны прекращает интенсивный синтез этих веществ.

Изменение условий неизбежно приводит к синхронной перестройке работы практически всех органов. Так, при недостатке кислорода (например, высоко в горах) деятельность организма сопровождается интенсификацией работы дыхательной и кровеносной систем, учащением пульса, возрастанием количества эритроцитов и, как следствие, концентрации гемоглобина в крови. В результате организм не просто переносит изменившиеся условия среды, но и приспосабливается к ним.

Для организма характерно относительное постоянство внутренней среды, или гомеостаз, как основа его свободы и определенной независимости от непрерывно меняющейся внешней среды. Такое постоянство создается совместной деятельностью всех систем организма, в которых особая роль принадлежит нервной и эндокринной системам. У млекопитающих это проявляется в поддержании постоянной температуры тела, кровеносного и осмотического давления, частоты дыхания и сердечных сокращений, уровня сахара, белков и липидов в крови, в постоянстве объема крови и других неклеточных жидкостей, а также в синтезе необходимых для жизнедеятельности веществ и разрушении вредных.

Обязательным условием поддержания стабильности организации живого является обмен веществ и энергии. Без обмена веществ существование организма невозможно.

Одним из важнейших свойств живой природы является цикличность большинства происходящих в ней процессов. Вся жизнь на Земле подчинена определенным ритмам - периодически повторяющимся явлениям природы. Ритмы, регистрируемые в живом мире, называются биологическими.

Биологические ритмы - это периодически повторяющиеся изменения природных явлений, физиологических процессов и поведения организмов. Биоритмы возникли в процессе эволюции растений, животных и человека как приспособления к таким закономерным периодическим чередованиям природных явлений, как смена времени суток, сезонов года, лунных фаз, приливов и отливов и т.п.

Природные ритмы для любого организма можно разделить на внутренние (связанные с его собственной жизнедеятельностью) и внешние (циклические изменения в окружающей среде).

К внутренним (или физиологическим) относятся такие ритмы, периодичность которых не зависит от действия факторов внешней среды (биение сердца, дыхательные движения, работа желез внутренней секреции, деление клеток, активность ферментов). Определенному ритму подчиняется работа всех клеток, тканей и органов растений и животных. При этом каждая система органов имеет свой собственный период, изменить который действием факторов внешней среды можно лишь в узких пределах, а для некоторых процессов практически невозможно.

Внешние биоритмы имеют геофизическую природу, так как связаны с вращением Земли вокруг Солнца и своей оси, а также вращением Луны относительно Земли. Под влиянием этого вращения закономерно, с определенной периодичностью, изменяются такие экологические факторы, как световой режим, температура, влажность и давление воздуха, океанические приливы и отливы и т.д. Амплитуда изменчивости этих факторов связана с широтной принадлежностью того или иного региона, его удаленности от океана, в результате чего и сформировались климатические зоны на нашей планете.

Чтобы выжить, организмы в процессе длительной эволюции развили системы восприятия периодических изменений в окружающей среде и выработали способность соответствующим образом изменять свое физиологическое состояние. Повторяемость состояний организма может осуществляться через разный промежуток времени, называемый периодом. Например, через каждые 24 часа- суточная периодичность, один раз в сезон - сезонная, ежегодно повторяющаяся - ежегодная периодичность и др. Благодаря биоритмам самые важные функции организма (питание, рост и развитие, размножение) совпадают с наиболее благоприятным периодом для этого времени суток или года. Биоритмы, таким образом, помогают организму согласовать свою деятельность с меняющейся средой и эффективно приспособиться к ней.

Суточные ритмы наблюдаются почти у всех живых организмов. Они обусловлены 24-часовыми солнечными сутками. Однако в условиях относительного постоянства геофизических факторов установлены ритмы жизнедеятельности с периодом не строго в 24 часа, а несколько большими или меньшими. Такие ритмы называются циркадными (от лат. circa - около, dies - день), или околосуточными ритмами. С такой периодичностью у растений изменяются скорость роста, фотосинтеза и дыхания, транспирации, движения листьев, открывания и закрывания устьиц и цветков. Величина отклонения от 24-часового цикла зависит от суточных колебаний освещенности, температуры, влажности и других экологических факторов. При этом у одних видов периоды активности строго приурочены к определенному времени суток, у других могут сдвигаться в зависимости от обстановки. Так, жабы и бурые лягушки активны ночью, когда влажность воздуха выше, чем днем. Напротив, озерная и прудовая лягушки, находящиеся в условиях высокой влажности, активны днем. Будучи теплолюбивыми, большинство пресмыкающихся умеренных широт - дневные, немногие виды - сумеречные и только гекконы - ночные виды. В тропических пустынях, напротив, многие виды животных активны в ночное время, так как днем очень жарко.

Подавляющее большинство птиц - дневные животные, просыпающиеся с восходом и засыпающие с заходом солнца. Такая суточная цикличность активности связана с тем, что большинство птиц питаются растительными кормами и дневными животными и при добывании корма используют преимущественно зрение. Сравнительно немногие виды (совы, козодои и др.), кормящиеся ночными животными, активны ночью или в сумерках. В поиске добычи, кроме зрения, они используют острый слух и осязание.

Суточная цикличность активности млекопитающих определяется, как и у птиц, главным образом возможностью добывать корм в то или иное время суток, а не температурой и влажностью, поскольку они теплокровные животные.

У человека отмечено свыше 300 физиологических функций, обусловленных суточной периодичностью. Циркадные ритмы у него выражаются в чередовании сна и бодрствования, колебаниях температуры тела в пределах 0,7-0,8°C, циклах деятельности сердца и почек, глубине и частоте дыхания, мышечной и умственной работоспособности и т.п.

Сезонная периодичность относится к числу наиболее общих явлений в живой природе. Особенно она выражена в умеренных и северных широтах, где контрастность климатических условий разных сезонов года весьма значительна. При этом чем резче сезонные изменения внешней среды, тем сильнее выражена годовая периодичность жизнедеятельности организмов. Весеннее цветение большинства растений, осенний листопад, спячка, запасание жиров, сезонные линьки, миграции и др. развиты преимущественно в странах умеренного и холодного климата. В тропиках сезонная периодичность в жизненных циклах растений и животных выражена слабо.

У многолетних растений и пойкилотермных животных сезонная периодичность связана с различиями в скорости роста в разные периоды года. Это выражается в образовании годичных колец в стебле древесных растений, на раковинах моллюсков, чешуе рыб и плодовых телах трутовых грибов.

У животных разных видов сезонная периодичность выражается в кормовых, зимовочных и нерестовых перемещениях. Четко выражены кормовые кочевки и миграции у птиц. Так, например, белые аисты, ласточки и стрижи ежегодно улетают зимовать за тысячи километров в Южную Африку, возвращаясь в Европу, как правило, на одни и те же места.

Многие млекопитающие при недостатке пищи или невозможности ее добычи из-за глубокого снежного покрова также совершают миграции. Например, северные олени проводят зиму на окраине таежной полосы, питаясь ягелем и другими лишайниками, растущими на стволах деревьев. Но уже при первых признаках весны они двигаются в тундру, придерживаясь из года в год одного и того же маршрута.

Зимовочные миграции в дельты крупных рек, озер свойственны многим видам рыб (сазан, лещ, судак, сом и др.), где они поздней осенью собираются в глубоких местах («зимовальных ямах») и проводят зиму в малоподвижном состоянии.

Сезонная цикличность у животных выражается в явлениях зимней и летней спячки. Она свойственна тем животным, которые в определенные периоды года не могут добыть достаточное количество полноценного корма. Впадающие в зимнюю спячку млекопитающие накапливают с осени значительное количество жира. В настоящую зимнюю спячку, которая характеризуется сильным снижением температуры тела, приостановкой процессов пищеварения, низким уровнем дыхания и кровообращения впадают ежи, суслики, сурки, хомяки, тушканчики, летучие мыши.

Когда весенняя сочная трава выгорает, в летнюю спячку впадает среднеазиатский желтый суслик.

Одним из наиболее точно и регулярно изменяющихся факторов среды является длина светового дня, ритм чередования светлого и темного периодов суток. Для любой точки земного шара фотопериод из года в год повторяется с астрономической точностью и находится в строгом соответствии с сезонами года.

Реакция организмов на суточный ритм освещения, выражающаяся в изменении процессов их роста и развития, называется фотопериодизмом. Способность живых организмов реагировать на изменение длины дня дает им возможность заблаговременно перестроить физиологические процессы в связи с сезонными сменами условий. Фотопериод выступает в качестве сигнала предстоящих изменений климатических факторов, таких как температура и влажность. Под фотопериодическим контролем находятся практически все метаболические процессы, связанные с ростом, развитием и размножением растений и животных.

По типу фотопериодической реакции различают следующие основные группы растений:

  1. растения короткого дня, которым для перехода к цветению требуется 12 ч. светлого времени и менее в сутки (конопля, капуста, табак, рис, хризантемы);
  2. растения длинного дня; для цветения и дальнейшего развития им нужна продолжительность беспрерывного светового периода более 12 ч. в сутки (пшеница, лен, картофель, овес, морковь);
  3. фотопериодически нейтральные; для них длина фотопериода безразлична и цветение наступает при любой длине дня, кроме очень короткой (томаты, одуванчики, гречиха, флоксы).

Растения длинного дня произрастают преимущественно в северных широтах, растения короткого дня - в южных.

Фотопериодическая реакция свойственна как растениям, так и животным.

Известно, что наиболее благоприятное время для появления потомства у животных - это время года, когда вокруг достаточное количество корма. Так, яичники и семенники голубя вяхиря начинают созревать, когда продолжительность дня превышает 12 ч., т.е. способности размножаться он достигает к маю месяцу. Сизому же голубю для созревания половых желез требуется 9-часовой световой день, поэтому эта птица готова к спариванию 2-3 раза в год. Различие в сроках размножения объясняется тем, что вяхирь питается главным образом зерном поздно созревающих злаков, а сизый голубь - имеющимися повсюду в изобилии семенами сорняков. В то же время городской голубь обильную пищу находит в уличных отбросах практически в любую пору года, поэтому у него нет предпочтительного времени размножения.

Подобная фотопериодическая регуляция времени появления на свет нового потомства характерна и для большей части млекопитающих. Помимо более распространенных животных с длиннодневным типом фотопериодической реакции встречаются и животные с короткодневным типом. При этом преимущество имеют те, у которых беременность продолжается длительное время, а потомство рождается от весеннего спаривания задолго до наступления осенних холодов. Например, у коз и овец плод развивается 5-6 месяцев, а у оленей и косуль - около 9 месяцев и спаривание происходит в конце лета или осенью. Увеличение размеров половых желез и созревание половых клеток у них начинается с наступлением коротких дней.

Весьма интересно размножение косуль. Спаривание у них происходит в июле-августе, но оплодотворенная яйцеклетка не внедряется в слизистую оболочку матки и не развивается. То и другое совершается лишь во второй половине декабря, а потомство появляется на свет в мае, когда вокруг изобилие свежих зеленых растений. Часть тех косуль, которые в разгар брачного периода остались без партнера, спариваются в декабре, и развитие яйцеклетки у них начинается сразу же после оплодотворения. Период беременности таких косуль сокращается на 3 месяца. Замедленное внедрение оплодотворенной яйцеклетки наблюдается также у тюленей, медведей, куньих и некоторых сумчатых.

Таким образом, способность воспринимать длину дня и реагировать на нее широко распространена в мире живых существ. Это означает, что организмы способны ориентироваться во времени, т.е. они обладают биологическими часами, которые позволяют им ощущать суточные, сезонные, приливные, лунные и годичные циклы и заранее готовиться к предстоящим изменениям среды. Так, у многих обитателей прибрежных участков морей (крабы, актинии, раки-отшельники, некоторые кольчатые черви) двигательная активность, потребление кислорода, размножение и многие другие физиологические процессы закономерно меняются на протяжении лунных суток. При этом в их двигательной активности всегда наблюдается 12,4-часовой ритм, а там, где за сутки происходит всего один прилив, - 24,8-часовой ритм.

Кроме того, в организме одновременно протекают сотни тысяч самых разнообразных процессов, которые обязательно должны быть согласованы друг с другом. Биоритмы и есть тот «распорядок», по которому работает вся сложная система.

Правильно подобрав режимы освещения, наиболее соответствующие биоритмам, можно заметно повысить продуктивность разводимых растений и животных. Например, благодаря увеличению в теплицах, оранжереях и парниках светового дня до 12-15 ч. зимой выращивают овощные культуры и декоративные растения. Продлив за счет искусственного освещения световой период зимой, можно увеличить яйценоскость кур, уток, гусей, регулировать размножение пушных зверей на зверофермах.

При резком ухудшении условий существования (низкая температура, отсутствие влаги и др.) некоторые виды организмов впадают в анабиоз - состояние, при котором жизненные процессы настолько замедлены, что отсутствуют все видимые проявления жизни. При наступлении благоприятных условий происходит восстановление нормального уровня жизненных процессов (обмена веществ и др.). Следовательно, состояние анабиоза является приспособлением организмов к неблагоприятным внешним условиям, выработанное в процессе эволюции.

Наиболее стойки к охлаждению, высушиванию, нагреванию спорообразующие бактерии, протесты (образующие цисты), микроскопические грибы, лишайники, многие беспозвоночные - гидры, черви, усоногие рачки, водные и наземные моллюски, некоторые насекомые. У многих организмов состояние анабиоза вошло в нормальный цикл развития (семена, споры, цисты). В отдельных случаях анабиоз может продолжаться сотни лет, по окончании которых семена не теряют всхожести.

Явлением анабиоза пользуются для продолжительного сохранения и последующего широкого использования (при высушивании или охлаждении) клеточных культур, сперматозоидов и яйцеклеток особо ценных сельскохозяйственных животных, консервирования тканей и органов, изготовления сухих живых вакцин и т.д.

Таким образом, системный подход в изучении живых организмов оказывается перспективным для решения многих практически важных проблем, таких как создание замкнутых систем жизнеобеспечения, заболеваний, связанных с нарушением гомеостаза и др.

Читать далее