Какой принцип положен в основу гомеостаза экосистемы

Обновлено: 28.06.2024

Гомеоста́з (др.-греч. ὁμοιοστάσις от ὁμοιος — одинаковый, подобный и στάσις — стояние, неподвижность) — саморегуляция, способность открытой системы сохранять постоянство своего внутреннего состояния посредством скоординированных реакций, направленных на поддержание динамического равновесия. Стремление системы воспроизводить себя, восстанавливать утраченное равновесие, преодолевать сопротивление внешней среды.

Гомеостаз популяции — способность популяции поддерживать определённую численность своих особей длительное время.

Содержание

Общие сведения

Комплексные системы — например, организм человека — должны обладать гомеостазом, чтобы сохранять стабильность и существовать. Эти системы не только должны стремиться выжить, им также приходится адаптироваться к изменениям среды и развиваться.

Свойства гомеостаза

Гомеостатические системы обладают следующими свойствами:

Нестабильность системы: тестирует, каким образом ей лучше приспособиться.
Стремление к равновесию: вся внутренняя, структурная и функциональная организация систем способствует сохранению баланса.
Непредсказуемость: результирующий эффект от определённого действия зачастую может отличаться от того, который ожидался.

Примеры гомеостаза у млекопитающих:

Регуляция количества микронутриентов и воды в теле — осморегуляция. Осуществляется в почках.
Удаление отходов процесса обмена веществ — выделение. Осуществляется экзокринными органами — почками, лёгкими, потовыми железами и желудочно-кишечным трактом.
Регуляция температуры тела. Понижение температуры через потоотделение, разнообразные терморегулирующие реакции.
Регуляция уровня глюкозы в крови. В основном осуществляется печенью, инсулином и глюкагоном, выделяемыми поджелудочной железой.

Важно отметить, что, хотя организм находится в равновесии, его физиологическое состояние может быть динамическим. Во многих организмах наблюдаются эндогенные изменения в форме циркадного, ультрадианного и инфрадианного ритмов. Так, даже находясь в гомеостазе, температура тела, кровяное давление, частота сердечных сокращений и большинство метаболических индикаторов не всегда находятся на постоянном уровне, но изменяются в течение времени.

Механизмы гомеостаза: обратная связь

Когда происходит изменение в переменных, наблюдаются два основных типа обратной связи, на которые реагирует система:

Например, когда концентрация углекислого газа в организме человека увеличивается, лёгким приходит сигнал к увеличению их активности и выдыханию большего количество углекислого газа. — другой пример отрицательной обратной связи. Когда температура тела повышается (или понижается) терморецепторы в коже и гипоталамусе регистрируют изменение, вызывая сигнал из мозга. Данный сигнал, в свою очередь, вызывает ответ — понижение температуры (или повышение).

Например, в нервах пороговый электрический потенциал вызывает генерацию намного большего потенциала действия. Свёртывание крови и события при рождении можно привести в качестве других примеров положительной обратной связи.

Экологический гомеостаз

Экологический гомеостаз наблюдается в климаксовых сообществах с максимально возможным биоразнообразием при благоприятных условиях среды.

Случай с Кракатау и другими нарушенными или нетронутыми экосистемами показывает, что первоначальная колонизация пионерными видами осуществляется через стратегии воспроизведения, основанные на положительной обратной связи, при которых виды расселяются, производя на свет как можно больше потомства, но при этом практически не вкладываясь в успех каждого отдельного. В таких видах наблюдается стремительное развитие и столь же стремительный крах (например, через эпидемию). Когда экосистема приближается к климаксу, такие виды заменяются более сложными климаксовыми видами, которые через отрицательную обратную связь адаптируются к специфическим условиям окружающей их среды. Эти виды тщательно контролируются потенциальной ёмкостью экосистемы и следуют иной стратегии — произведению на свет меньшего потомства, в репродуктивный успех которого в условиях микросреды его специфической экологической ниши вкладывается больше энергии.

Развитие начинается с пионер-сообщества и заканчивается на климаксовом сообществе. Это климаксовое сообщество образуется, когда флора и фауна пришла в баланс с местной средой.

Подобные экосистемы формируют гетерархии, в которых гомеостаз на одном уровне способствует гомеостатическим процессам на другом комплексном уровне. К примеру, потеря листьев у зрелого тропического дерева даёт место для новой поросли и обогащает почву. В равной степени тропическое дерево уменьшает доступ света на низшие уровни и помогает предотвратить инвазию других видов. Но и деревья падают на землю и развитие леса зависит от постоянной смены деревьев, круговорота питательных веществ, осуществляемого бактериями, насекомыми, грибами. Схожим образом такие леса способствуют экологическим процессам — таким, как регуляция микроклиматов или гидрологических циклов экосистемы, а несколько разных экосистем могут взаимодействовать для поддержания гомеостаза речного дренажа в рамках биологического региона. Вариативность биорегионов так же играет роль в гомеостатической стабильности биологического региона, или биома.

Биологический гомеостаз

Гомеостаз выступает в роли фундаментальной характеристики живых организмов и понимается как поддержание внутренней среды в допустимых пределах.

Внутренняя среда организма включает в себя организменные жидкости — плазму крови, лимфу, межклеточное вещество и цереброспинальную жидкость. Сохранение стабильности этих жидкостей жизненно важно для организмов, тогда как её отсутствие приводит к повреждению генетического материала.

В отношении любого параметра организмы делятся на конформационные и регуляторные. Регуляторные организмы сохраняют параметр на постоянном уровне, независимо от того, что происходит в среде. Конформационные организмы позволяют окружающей среде определять параметр. Например, теплокровные животные сохраняют постоянную температуру тела, тогда как холоднокровные демонстрируют широкий диапазон температур.

Речь не идёт о том, что конформационные организмы не обладают поведенческими приспособлениями, позволяющими им в некоторой степени регулировать взятый параметр. Рептилии, к примеру, часто сидят на нагретых камнях утром, чтобы повысить температуру тела.

Преимущество гомеостатической регуляции состоит в том, что она позволяет организму функционировать более эффективно. Например, холоднокровные животные, как правило, становятся вялыми при низких температурах, тогда как теплокровные почти так же активны, как и всегда. С другой стороны, регуляция требует энергии. Причина, почему некоторые змеи могут есть только раз в неделю, состоит в том, что они тратят намного меньше энергии для поддержания гомеостаза, чем млекопитающие.

Клеточный гомеостаз

Регуляция химической деятельности клетки достигается с помощью ряда процессов, среди которых особое значение имеет изменение структуры самой цитоплазмы, а также структуры и активности ферментов. Авторегуляция зависит от температуры, степени кислотности, концентрации субстрата, присутствия некоторых макро- и микроэлементов.

Гомеостаз в организме человека

Разные факторы влияют на способность жидкостей организма поддерживать жизнь. В их числе такие параметры, как температура, солёность, кислотность и концентрация питательных веществ — глюкозы, различных ионов, кислорода, и отходов — углекислого газа и мочи. Так как эти параметры влияют на химические реакции, которые сохраняют организм живым, существуют встроенные физиологические механизмы для поддержания их на необходимом уровне.

Гомеостаз нельзя считать причиной процессов этих бессознательных адаптаций. Его следует воспринимать как общую характеристику многих нормальных процессов, действующих совместно, а не как их первопричину. Более того, существует множество биологических явлений, которые не подходят под эту модель — например, анаболизм.

Другие сферы

Актуарий может говорить о рисковом гомеостазе, при котором, к примеру, люди, у которых на машине установлены незаклинивающие тормоза, не находятся в более безопасном положении по сравнению с теми, у кого они не установлены, потому что эти люди бессознательно компенсируют более безопасный автомобиль рискованной ездой. Это происходит потому, что некоторые удерживающие механизмы — например, страх — перестают действовать.

Примеры

Может начаться дрожание скелетных мышц, если слишком низкая температура тела.
Иной вид термогенеза включает расщеплениежиров для выделения тепла. охлаждает тело посредством испарения.

Почки выделяют мочу и регулируют уровень воды и ряда ионов в организме.

Многие из этих органов контролируются гормонами гипоталамо-гипофизарной системы.

Любая система в живом или неживом мире, способная к саморегуляции, может считаться гомеостатической. Это свойство стабильности в динамическом равновесии дает возможность существовать в условиях непрерывных изменений.

Что такое гомеостаз

Гомеостаз – это греческий термин, обозначающий состояние неподвижности. В научном мире – способность системы сохранять постоянство внутренней организации, независимо от внешних влияний. Поддержание гомеостаза возможно за счет постоянных ответных реакций на действие внешних факторов, что помогает сохранять динамическое равновесие.

В биологии под гомеостазом понимают равновесие внутренней среды многоклеточных организмов. Его сохранение является залогом функционирования систем и органов, что позволяет жизни существовать, адаптироваться и развиваться в изменчивом мире.

Интересный факт : в психологии есть понятие стрессового гомеостаза, которым объясняется стремление популяций или отдельных индивидов постоянно находиться в определенном напряжении. Если его уровень понижается, то они искусственно создают для себя стресс.

Особенности и роль

Все живые системы стремятся к состоянию устойчивого баланса. Но в условиях постоянного противостояния внешним факторам равновесие нарушается. Чтобы вернуться в него, приходится использовать механизмы регуляции, в частности, построенные на обратной связи, как действует эндокринная система и электрические цепи в нервных окончаниях.

В техногенном мире примером координирующих действий, подобных гомеостазу, является система регуляции температуры, оснащенная термостатом. Их применяют для поддержания климата в помещении, в холодильном оборудовании, духовых шкафах и другой технике.

Биметаллическая полоса в термостате реагирует на понижение градуса завершением электроцепи, что приводит к включению устройства. Когда температура поднимается выше заданного значения, цепь разрывается, и нагревательный прибор выключается.

Регуляция на уровне биологических систем более сложная и требует строгого поддержания внутренней среды организма в жестких рамках, обеспечивающих жизнедеятельность. Особенно важным является контроль состава и количества электролита в жидкости, обмена веществ, температуры и кислотно-щелочного баланса.

В более широком смысле понятие гомеостаза применяют к экологическим системам – популяциям. С 1955 г., когда Роберт Макартур предложил эту идею, считается, что гомеостатическая регуляция в надорганизменном мире представляет собой контроль численности и разнообразия видов.

С течением времени в концепцию вносились изменения, а термин стали применять для описания взаимодействия живых и неживых компонентов экосистемы. Один из видоизмененных вариантов – гипотеза Джеймса Лавлока. В его представлении все компоненты экосистемы, включая неживые, вносят свой вклад в поддержание гомеостаза на планете коллективными усилиями.

Интересный факт : гомеостаз действует как инерция – сохраняются не только важные свойства и функции, но и не приносящие пользы.

Механизмы гомеостаза

Саморегуляция по типу гомеостаза происходит двумя путями:

Посредством отрицательной обратной связи. В ответ на влияние извне система демонстрирует обратную ответную реакцию, чтобы вернуться в равновесное положение. Например, при перенасыщении крови углекислым газом или недостатке в ней кислорода усиливается интенсивность дыхания, что способствует скорейшему восстановлению стандартных параметров содержания газов.
Положительная обратная связь встречается реже и изучена неполно. Она предполагает усиление изменяющего действия, что приводит к увеличению отклонения от равновесия и продолжается до определенного момента. В частности, так организм реагирует на факторы, вызывающие нервное возбуждение.

Свойства

Живые системы, пребывающие в состоянии гомеостаза, подвергаются многочисленным вторжениям различных факторов, нарушающих его. Такие влияния предполагают постоянное реагирование и обуславливают основные свойства гомеостаза:

стремление сохранить равновесие;
нестабильность;
непредсказуемость.

Организм испытывает ощущение нестабильности, поскольку вынужден реагировать на изменение условий и приспосабливаться к ним. Одновременно он пытается сохранить внутренний баланс структуры и функций. Непредсказуемость выражается в неожиданных результатах действий, предпринятых в ответ на раздражающие факторы. Эффект может оказаться как положительным, так и отрицательным, что проявляется во временном дискомфорте или даже серьезных перестройках в деятельности организма.

Интересный факт : рисковый гомеостаз проявляется у застрахованных людей тем, что они перестают бояться несчастного случая и расслабляются, тогда как остальные в своих действиях проявляют осторожность.

Экологический гомеостаз

Биосфера состоит из экосистем, включающих в себя живые существа и неживую материю, взаимодействие которых осуществляется строго определенным образом и сохраняется на уровне динамического равновесия. Постоянство поддерживается цепочками питания, а основные факторы влияния на сообщество живых организмов – свет, температура, вода и другие физические составляющие природной среды.

Регуляция происходит на основе нормы реакции, заложенной на генном уровне. Сопротивляемость системы – свойство, помогающее сохранить экологический гомеостаз, а адаптация позволяет приспособиться к изменившимся условиям и создать новый вариант баланса.

Когда среди популяции животных повышается смертность, ее численность снижается – это пример гомеостаза

Для популяции важно равновесное состояние численности особей и плотности на определенной территории. На эти параметры влияют внешние факторы, а некоторые виды сами их регулируют снижением плодовитости или уничтожением слабых особей. Под влиянием борьбы за питательные вещества включаются механизмы выживания – миграция, конкуренция, хищничество, естественный отбор в виде болезней и другие природные способы сохранить популяцию.

У каждого вида исторически сложились свои варианты ответной реакции на влияние. Низшие формы жизни поддерживают динамическое равновесие адаптируясь, их называют толерантными. А более развитые способны сопротивляться изменениям.

Интересный факт : ученые установили, что ролевая структура в социальных системах животного мира пребывает в состоянии гомеостаза. Например, в популяции муравьев 20 % особей не занимаются полезной работой. Если рассадить отдельно тружеников и лентяев, то каждая группа перестроится, в ней снова будут занятые и отдыхающие в том же соотношении.

Биологический

Гомеостаз помогает живым существам поддерживать внутреннюю среду в допустимых границах. Эта фундаментальная характеристика обеспечивает стабильность генетического материала и параметров жизненно важных жидкостей организма – крови, лимфы, межклеточного и спинномозгового вещества.

По отношению к показателям физического и функционального состояния организмы разделяют на:

Первые на физиологическом уровне сами способны регулировать параметр независимо от внешних условий. Пример – теплокровные животные с постоянной температурой тела. Такая гомеостатическая регуляция позволяет им эффективно действовать даже в неблагоприятной среде. Но она требует больших энергетических затрат, поэтому теплокровным необходимо регулярно питаться, чтобы пополнять свой ресурс.

Конформационные организмы подстраиваются под параметры, которые диктует среда. Так холоднокровные могут проявлять активность только в теплое время, а зимой впадают в сонное состояние. При этом, они тратят очень мало энергии и могут не пополнять запасы питательных веществ некоторое время. Но у конформационных видов есть поведенческие реакции приспособления, схожие с регуляторной функцией. К примеру, рептилии могут немного повысить свою температуру, сидя на нагретых солнцем камнях.

Читайте также: