§7.2. Гомеостаз

Состояние стабильности на клеточном уровне всех физико-химических параметров биологической системы – температуры, газообмена, концентрации различных веществ, в том числе и воды, – определяется как гомеостаз (греч. homoios – тот же, stasis – состояние). Стабильность (гомеостаз) осуществляется за счет постоянного непрерывно протекающего активного обмена клетки с изменяющейся внешней средой – обмена веществ.

7.2.1. Обмен веществ

Совокупность биохимических реакций, обеспечивающих обновление состава клетки, составляет первую часть обмена веществ и называется пластическим обменом (греч. «пластикос» – лепной, скульптурный). Вторая часть — энергетический обмен – совокупность реакций, обеспечивающих клетку энергией, необходимой для обеспечения гомеостаза и жизнедеятельности организма.

Первоисточником всей энергии является Солнце. Солнечная энергия поглощается зелеными растениями и в процессе фотосинтеза (см. с. 588-592) преобразуется в энергию химических связей, заключенную в углеводах, главным образом, в глюкозе (простом сахаре) или в крахмале (полисахариде).

Клетки животных и человека получают строительные материалы и энергию извне в готовом виде (в виде пищи растительного и животного происхождения). Важнейшую роль в этих процессах выполняет мембрана клетки. Получаемые органические вещества в клетке преобразуются в такую энергетическую форму, которая становится доступной для биологического использования и преобразования в другие виды энергии.

Биологические процессы регулируются, главным образом, нервной и эндокринной системами (см. ниже).

Описание регуляторных процессов может быть сделано на языке теории управления и информации. Такой подход является одним из разделов кибернетики, в котором взаимосвязанные биологические процессы рассматриваются, как техническая система управления. Это направление, требующее специального описания, здесь не рассматривается.

7.2.2. Системы репарации и утилизации

В клетках, в процессе их функционирования, могут возникать различного рода повреждения. Для их устранения существует специальная регуляторная система, стимулирующая и осуществляющая восстановительные процессы. Такая система называется системой репарации повреждений. Кроме того, существует система, осуществляющая утилизацию продуктов распада (молекул, органелл и т.п.). Важную роль в этой системе играют лизосомы, которые могут захватывать и переваривать целые митохондрии, белки, элементы эндоплазматической сети и др.

Если запасенной в клетке энергии не хватает для ликвидации повреждений, то клетка разрушается. Клетки, функционирующие в неблагоприятных условиях (например, в пищеварительном тракте), живут всего несколько суток и быстро заменяются новыми.

7.2.3. Системы общего регулирования

Организм человека состоит из астрономически большого числа клеток (~10¹⁴). Основной чертой многоклеточного организма является распределение функций между клетками различного типа. Высокоспециализированные клетки многоклеточных организмов формируют различные ткани, которые образуют соответствующие органы. В тканях клетки контактируют со сложной сетью межклеточных полимеров – специальных белков и полисахаридов, образующих внеклеточный матрикс (от лат. mater – мать, основа). Матрикс представляет собой мелкозернистое, вязкое вещество, заполняющее внутриклеточные структуры (ядра, митохондрии и др. органоиды) и пространство между ними.

В такой необычайно сложной конструкции важнейшую, и во многом определяющую, роль играют системы общего регулирования. Таких систем две: нервная система и система эндокринных желез. Они устанавливают взаимосвязь между стимулом и реакцией.

Нервная система, в основе функционирования которой лежат электрохимические процессы, действует быстро; ее кратковременный ответ наступает через ~(10^–2 ÷ 10^–1) с. Эндокринная система дает продолжительный ответ и работает более медленно (в сотни раз медленнее нервной системы); в основе ее действия лежит химическая передача сигнала через систему кровообращения.