Пластичність організму як основа пристосування його до умов середовища

Реферат

з біології

на тему:

«Пластичність організму як основа пристосування його до умов середовища»

Приспособительное реагування на мінливі умови існування - одне з чудових властивостей живих організмів. В основі його лежить пластичність організму, здатність до пристосувальним біохімічним змінам. Це проявляється на всіх рівнях біологічної організації: від одноклітинних найпростіших до людини, від клітини і її субклітинних структур до цілісного організму.

Біохімічна структура всякої клітини і тканини визначається інформації, закладеної в геномі клітин. Якісний склад і величина змісту структурних і ферментних білків визначаються геномом, а інтенсивність синтезу - умовами існування. У свою чергу стан ферментних систем і зміни концентрації субстратів та продуктів реакцій обміну речовин регулюють витрачання і синтез білкових компонентів клітини. Проте в кожен даний момент можливості синтезу як білків, так і небілкових речовин реалізуються не повністю. Синтез тих чи інших білків може бути обмежений репресування певних ділянок геному, але може посилюватися в результаті дерепрессии або індукції, викликаної підвищенням функціональної активності клітини або ушкоджує її впливу. Збільшення розщеплення клітинних білків під впливом зміни умов існування, а також концентрації продуктів обміну речовин, витрачання небілкових речовин, зниження їх концентрації, викликаючи зміни активності ферментів, можуть посилювати синтез цих речовин і підвищувати їх концентрацію в клітці. Як бачимо, фактор, що ушкоджує впливає на клітинні структури і ферменти. Перші при цьому в тій чи іншій мірі порушуються, а другі активуються. Під дією ферментів посилюється витрачання джерел енергії, а звільнені з клітинних структур білки в якійсь мірі піддаються розщепленню. Розщеплюватися при цьому можуть і самі ферменти. Те й інше приводить до зростання концентрації метаболітів, які нерідко є для генетичного апарату індукторами і дерепрессорамі, тобто сприяють отщеплению від гена репрессором, що обмежують синтез білків, і запускають процес синтезу. У результаті цього посилюється побудова структурних і ферментних білків і відновлюються клітинні структури.

Розщеплення і синтез білків при дії пошкоджуючих чинників середовища. Жирні стрілки - синтез, тонкі - вплив та шляхи, штрихові - розщеплення; інші пояснення в тексті.

Механізм дії пошкоджуючих факторів

Д.М. Насонов і його співробітники встановили, що при пошкодженні клітини або навіть при оборотному зміні її функції і будови під впливом пошкоджуючого агента відбуваються оборотна денатурація тих чи інших клітинних білків в результаті порушення в них різних зв'язків, за винятком ковалентіих, і зміни форми молекул, а також розпушення їх. При цьому хімічно активні групи, наприклад карбоксіли і аміногрупи, які знаходилися всередині клубка білкової молекули і були залучені в освіту пековалентних зв'язків, можуть размаскіровиваться. Звільнившись, ці групи збільшують можливості нових взаємодій як усередині самої білкової молекули, так і з іншими молекулами. Крім того, білкові молекули зі зміненими вищими структурами стають більш легкодоступними дії розщеплюють їх ферментів - протспяаз. Цьому сприяє і про вихідний зрушення реакції внутрішнього середовища в кислу сторону, так як большннство протеїназ має оптимум рН в області кислих реакцій. Посилюються розщеплення глікогену з освітою в кінцевому підсумку молочної кислоти і гідроліз фосфоліпідів. Остання поряд зі змінами стану білків несприятливо позначається на проникності клітинних і субклітинних мембран: ока зростає, низькомолекулярні речовини і ряд білків виходять у міжклітинний простір.

При систематичному дії альтерірующего агента, якщо сила його не дуже велика і не викликає необоротних змін, поступово підвищується стійкість клітини до альтерірующему фактору та адаптація до нього на молекулярному та клітинному рівнях. У реалізації цього пристосування головну роль шрают клітинні білки. Стійкість клітини до ушкоджувальних агентам тим вище, чим більше її можливості у відношенні синтезу білків. Мало того, з клітин, що пристосувалися до того чи іншого фактор, що ушкоджує, вдалося виділити білки, більш стійкі до дії останнього. Всі ці зміни білків, мабуть, і лежать в основі перш за все.

Схематичне зображення вивільнення хімічно активних груп при оборотної денатурації білкової молекули і розриві водневих, іонних і дисульфідних зв'язків. 1 - 5 - внутрішньомолекулярні зв'язки і активні групи, які страждають при їх руйнуванні

Тим не менш, навіть на молекулярному та клітинному рівнях, характер змін, що виникають при альтерації, залежить від природи до характеру альтерірующего агента, і це є основою специфічного пристосування. Відмінності стають ще більшими, коли ми піднімаємося від клітини до більш високих ступенів організації: до тканини, органу, функціональної системи і до організму як цілого. Завдяки наявності універсальних зв'язків організм реагує на зміни умов середовища як сложноінтегрірованная система, що забезпечує найбільш ефективне урівноваження його з середовищем. Тому при пристосуванні організму до змін умов існування поряд із загальним, неспецифічним підвищенням стійкості все більш проявляються риси специфічного пристосування. Перші є основою і реалізуються тільки на молекулярному та клітинному рівнях, а другі виникають з результаті корекцій, що вносяться в перші вищими ступенями організації, організмом як цілим, регульованим і координованих нервовою системою, і відбуваються не тільки на молекулярному та клітинному рівнях, але і на рівні функціональних систем і цілісного організму.

Ми вже говорили про те, що дія альтерірующіх факторів завжди викликає посилення катаболічних процесів, тобто розщеплення складних хімічних сполук на більш прості. У біохімії є правило, встановлене видатним радянським біохіміком В. А. Енгельгардтом: будь-яка реакція розщеплення викликає або посилює реакцію, що виробляє ресинтез. Тому вже під час дії альтерірующего фактора посилюються і біосинтетичні процеси - пристосувальний синтез структурних і ферментних білків і відновлюються запаси джерел енергії, що витрачаються під час дії шкідливих факторів навколишнього середовища.

Роль нервової системи у пристосувальних реакціях

Як показав великий російський фізіолог І.П. Павлов, перша і головна роль у зрівноважуванні організму з навколишнім середовищем, тобто пристосування до неї, належить нервовій системі. Всі впливу зовнішнього середовища сприймаються організмом за допомогою органів почуттів, а внутрішнього середовища - рецепторами внутрішніх органів. Сигнали від екстеро-і интерорецепторов, що є немов би висунутими вперед розвідниками, по чутливих нервах передаються центральній нервовій системі. Там вони переробляються, в результаті чого по еферентних нервах слід відповідь на периферію, до робочих органів: м'язам, апарату травлення, легким, серцю, судинах і ін

Сигнали і від периферії до центру, і від центру до периферії передаються двома способами. Перший - нервовий імпульс, що має в основному електричну природу і тому передається надзвичайно швидко; так, реагувати на подразнення рухом ми можемо миттєво. Завдання імпульсного проведення - швидко доставити сигнал нервовій системі і так само швидко відреагувати на нього. Другий спосіб - неімпульсние трофічні впливу. Уповільнена кінозйомка нервових волокон під мікроскопом дозволила встановити, що в них весь час відбувається рух напіврідкої аксоплазми, навколишнього нейрофібрили, по яких передаються нервові імпульси. У чутливих, аферентних волокнах аксоплазми рухається від периферії до центру, а в еферентних - навпаки. Рух це на багато порядків повільніше проведення імпульсів: від 2 мм до 40 см / добу. Характер речовин, принесених струмом аксо-плазми і через пори нервових закінчень надходять в нервові клітини і в клітки периферичних органів, вивчений ще далеко не достатньо, але вже відомо, що багато хто з них є білками або ноліпептідамі. Ці речовини біологічно активні, і з їх допомогою здійснюються впливу нервової системи на процеси обміну речовин, "настроювання" органів на виконання функції, активація та інгібування ферментів. Разом з тим наявність струму аксоплазми від периферії до центру свідчить про аналогічні впливи периферії на нервові клітини, що сприяють формуванню відповіді на зміни умов середовища. Природно, що при екстреному, короткочасному пристосуванні організму до цих умов провідне значення належить швидким, імпульсивним сигналам, а при пристосуванні тривалому все більшу роль починають грати неімпульсние трофічні впливу.

Нервова система, регулюючи функції, діє за принципом рефлексу: сигнал з периферії, переробка і відображення його нервовою системою на периферію з відповідним «наказом». У своїй праці «Рефлекси головного мозку», що вийшов в 1863 р., батько вітчизняної фізіології І.М. Сєченов підкреслював, що всі акти свідомої і несвідомої життя є рефлексами. Рефлекси ділять на безумовні і умовні, відкриті І.П. Павловим. Безумовні рефлекси властиві всім організмам, які мають нервову систему, хоча б саму примітивну. Вони є вродженою реакцією, зберігається протягом усього життя. Сигнал від рецептора доходить до пов'язаної з ним чутливої ​​нервової клітини і збуджує її. Збудження передається іншим нервовим клітинам у різних відділах нервової системи до кори головного мозку включно. Але вони можуть здійснюватися і на рівні спинного мозку, без участі вищих відділів нервової системи. Отже, безумовні рефлекси можуть бути усвідомленими або неусвідомленими.

Умовні рефлекси - тимчасові зв'язку нервової системи із середовищем. Вони утворюються при поєднанні дії безумовного подразника з умовами, його супроводжують. Наприклад, виділення травних соків у собаки тільки на дзвінок або запалювання лампочки, якщо ці умовні подразники протягом якогось часу супроводжували отримання собакою їжі. Якщо умовний рефлекс не підкріплювати, перестати поєднувати безумовну реакцію з умовним подразником, то він загасає. Це дає організму великі можливості для освіти все нових і нових умовних рефлексів у зв'язку з виникненням нових подразників, що виходять із зовнішнього чи внутрішнього середовища.

Умовні рефлекси утворюються за участю вищих відділів центральної нервової системи. Вони можуть бути надзвичайно складними, так як умовним подразником є не тільки який-небудь один чинник середовища, а цілий комплекс їх. У людини, що володіє другою сигнальною системою, умовним подразником можуть служити і слово, і думка, на які утворюються умовні рефлекси так само, як на дію тих чи інших конкретних факторів середовища.

Умовні рефлекси можуть перетворюватися на натуральні умовні рефлекси, міцніші, ніж вироблені. Вони утворюються протягом життя організму в обстановці його природного існування при дії на організм подразників, постійно супутніх агентам, що викликає той чи інший безумовний рефлекс, і визначають ставлення організму з зовнішнім середовищем. На перший погляд натуральні умовні рефлекси схожі на безумовні. Відомо, що вигляд і запах м'яса викликають у собаки виділення слини. Здавалося б, це просто безумовний рефлекс. Але це не так. Радянський фізіолог І.С. Цитович показав, що цуценята, що харчувалися до 7 міс молоком, на запах м'яса не виділяють слину. Отже, те, що спостерігається у дорослих собак, не безумовний, а натуральний умовний рефлекс.

Натуральні умовні рефлекси стосуються самих різних функцій, причому їх ефекти не обов'язково спрямовані на яку-небудь одну функціональну систему, але частіше бувають комплексними, поширюючись на ряд функціонально пов'язаних один з одним систем. Таким чином, прості і натуральні умовні рефлекси визначають поведінку тварини і налаштовують функції його організму на краще, найбільш ефективне пристосування до змінених умов середовища.

Ще більш схожі на безумовні рефлекси різні інстинкти - складні вроджені акти поведінки живих організмів у відповідь на зміни у зовнішній або внутрішньому середовищі. І.П. Павлов кваліфікував інстинкти як безумовні рефлекси, що розвинулися з умовних в процесі історичного розвитку. Інстинкти в значній мірі визначають поведінку тварин, поєднуючись з набутими протягом життя умовними рефлексами. При цьому у комах, риб і птахів більше значення має інстинкт; у ссавців переважає умовно рефлекторний елемент; у людини інстинкти підпорядковані великій кількості умовних рефлексів, здійснюваних за допомогою першої та другої сигнальних систем, і проявляються вони в чистому вигляді лише при дуже різких і сильних зовнішніх впливах. Для прикладу можна навести такий випадок. Автор цих рядків під час війни один раз потрапив під бомбардування і обстріл кружляють над рідким лісом німецьких пікіруючих літаків. Щоб якось сховатися, він приліг біля старої осики. Коли ж літаки пішли, він виявив, що за час бомбардування абсолютно несвідомо руками підрили під коріння осики. Голова і верхня третина спини були у відкритій печерці, а інша частина тіла стирчала назовні. Звичайно, ці дії не можна визнати безумовно доцільними, але тут спрацював інстинкт самозбереження в чистому вигляді.

Інстинкти можуть виявлятися не тільки в порівняно простих актах поведінки, але і в складних, дуже точних діях. Наприклад, оси сфекси забезпечують харчування свого потомства, запасаючи личинки інших комах. Але вони не вбивають їх, а лише паралізують за допомогою ювелірно-точного уколу в один з нервових вузлів, який "завідує" рухом.

На відміну від умовного рефлексу, націленого на певну функцію, інстинктивні реакції - загальні реакції організму, захоплюючі різні функціональні системи: дихання, кровообіг, рух, залози внутрішньої секреції та ін Природно, що інстинкти істотно допомагають організму адаптуватися до умов середовища. Але пристосувальне значення їх відносно. У занадто незвичайних умовах доцільність інстинкту в ряді випадків втрачається, хоча за інших обставин вони і корисні організму. Так, оси і бджоли закладають клітинку, куди відкладено яйце, навіть якщо заготовлений мед для живлення личинки витягнутий звідти.

Інстинкти управляються з підкіркових утворень головного мозку - смугастого тіла і таламуса, але, чим вище організація тварини, тим більше значення набуває контроль над його проявом інстинктів з боку кори головного мозку, а у людини - з боку другої сигнальної системи. Молекулярна основа інстинктів ще не вивчена, до неї наука ще тільки-тільки наближається.

На початку 70-х рр.. була відкрита велика група утворюються і що містяться в нервовій системі біологічно активних речовин - НОП. Ці речовини близькі до білків, але у них набагато коротше пептидні ланцюги. Утворюються вони із загальних білкових попередників у результаті розщеплення їх на різних рівнях, а не шляхом індивідуального синтезу, як білки. У нервовій системі вони надають дію, з'єднуючись із спеціальними внутрішньоклітинними білковими рецепторами, і по відростках нервових клітин струмом аксоплазми можуть передаватися іншим нервовим клітинам або потрапляти в периферичні нервові закінчення. НОП виробляються в гіпоталамусі і гіпофізі.

Функції НОП різноманітні: одні необхідні для пам'яті й навчання, інші діють обезболівающе, треті регулюють стан сну і неспання. Але нас цікавить значення НОП для утворення умовних рефлексів і для формування поведінкових реакцій.

Саме чудове, що за допомогою екстракту мозку можна «переносити» від однієї тварини до іншого набуті навички, а чистими НОП викликати ті чи інші поведінкові реакції, коли навколишнє середовище не дає до того приводів. Це стосується не тільки придбаних протягом життя навичок, але і вроджених, генетично зафіксованих форм поведінки тварин. В якості ілюстрації наведемо такий досвід. Щурів у клітці з двома коридорами привчали отримувати воду лише з правого або лівого годівниці, тобто виробляли у них умовний рефлекс. Якщо щурам, які не звикли до цього, вводили екстракт мозку щурів, привчених пити воду справа, то і щур-реципієнт прямувала пити по правому коридору. Якщо ж щур-донор завжди пила ліворуч, то і щур-реципієнт бігла до лівої годівниці.

А ось інший досвід. У щурів виробляли умовний рефлекс натискання на правий або лівий важіль спеціального скриньки для отримання їжі. Вироблення цього рефлексу вимагала дуже багатьох сполучень умовного і безумовного подразників. Якщо екстракт мозку щурів з виробленим рефлексом вводили в мозок іншим щурам, то у них той же рефлекс утворювався за все з декількох комбінацій.

Ще приклад. У риб виробляли умовний рефлекс уникнення темряви. Коли екстракт мозку їх вводили іншим рибам, то і ті одразу ж починали спливати в освітлений простір. Тепер відомо, що уникнення темряви викликає НОП скотофобін.

А ось приклади впливу НОП на вроджені інстинктивні поведінкові реакції. З мозку голодуючих макак резусів готували екстракт і вводили його в мозок ситим мавпам. У результаті ситі макаки виявляли харчовий інстинкт, відшукували і роздобували їжу. Екстракт ж мозку ситих мавп при введенні його голодним гальмував харчовий інстинкт, усуваючи відчуття голоду.

Відомо, що перед перельотами у птахів спостерігаються активні харчові реакції й інші генетично обумовлені форми предміграціонного поведінки. Виявилося, що все це, як і самі перельоти, знаходиться під контролем певних НОП, вироблюваних але мері укорочення світлового дня. Якщо перелітних птахів утримувати при штучному освітленні, що виключає вплив укорочення світлового дня, то предміграціонное поведінка не проявляється в строк, а сильно запізнюється. Введення ж у їхній мозок екстракту мозку птахів, які живуть на волі і вже проявляють предміграцнонное поведінка, викликає і в них весь предміграціонний поведінковий комплекс.

Всі ці приклади показують, що набуті та вроджені поведінкові реакції організуються містяться в нервовій системі спеціальними хімічними речовинами, які виконують інформаційну функцію. Тому роль НОП в пристосуванні організму до умов середовища надзвичайно велика. Звичайно, отримані дані - тільки початок, але багатообіцяючий і розкриває для науки широкі перспективи.

Роль гормонів у пристосувальних реакціях