2. Системний підхід організму сільськогосподарських тварин
Організм - жива анатомо-гістологічна структура, яка у функціональному відношенні являє собою єдине ціле.
Живі організми, на відміну від тіл неживої природи зберігають відносну стабільність внутрішнього середовища, тим часом як в тілах неживої природи під впливом різноманітних факторів змінюється хімічний склад, струкгура, наступає їх врівноваження з навколишнім середовищем.
У процесі еволюції організм набув властивостей протистояти змінам навколишнього середовища. Він містить великий запас потенціальної (хімічної) енергії, активно протидіє різким коливанням температури, вологості, випроміненню.
Основна умова життя - це постійний обмін речовин між організмом та навколишнім світом. З припиненням такого обміну настає смерть. Досить на якусь частку секунди затиснути сонні артерії, зупинити доступ крові до головного мозку, як людина чи тварина втрачає свідомість.
Обмін виявляється в тому, що одні речовини надходять, а інші -виділяються назовні. Процес обміну речовин складається з двох протилежних і разом із тим нероздільно пов'язаних між собою процесів: асиміляції та дисиміляції.
Асиміляція - процес засвоєння речовин з наступним утворенням клітин, міжклітинної рідини та тканин.
Дисиміляція - це розпад, тобто руйнування органічних речовин. Вона пов'язана з перетворенням хімічної енергії в інші - теплову, механічну, електричну та променеву.
Отже, асиміляція веде до нагромадження, а дисиміляція - до витрати речовин та енергії. Асиміляція переважає над дисиміляцією в молодому віці, коли організм росте, розвивається і обов'язково призводить до збільшення маси. Дисиміляція переважає при старінні, голодуванні і супроводжується втратою маси.
З обміном речовин пов'язані і інші властивості організму - подразливість, збудливість, збудження, розмноження, ріст, розвиток, спадковість, мінливість і надійність. Всі ці властивості забезпечують існування індивідуума, його біологічного виду.
Подразливість (реактивність) - властивість організму реагувати на вплив навколишнього середовища; вона властива рослинним, тваринним організмам і проявляється, передусім у зміні обміну речовин. Завдяки подразливості організм пристосовується до умов навколишнього середовища.
Збудливість - здатність живих клітин відповідати на подразнення реакцією збудження. Визначається збудливість найменшою силою подразника, яка викликає збудження. Ця найменша сила подразника у фізіології називається порогом подразнення. Чим він нижчий, тим вища збудливість тканини.
Збудження - діяльніший стан тканин, органу, організму. М'яз при збудженні скорочується, залоза виділяє певний секрет, нервова система посилає
імпульси. За нормальних умов збудженню передує виникнення електричних потенціалів.
Розмноження - властивість само відтворення, тобто народження подібних до себе організмів.
Ріст - збільшення маси організму, що розвивається.
Розвиток - процес поступового утворення дорослого організму з зиготи (заплідненої яйцеклітини).
Спадковість - властивість організму повторювати в багатьох поколіннях подібні ознаки, функції, типи обміну речовин. Матеріальною одиницею спадковості є ген, який знаходиться в хромосомах ядра клітини.
Мінливість - різноманітність властивостей, ознак у різних особин незалежно від їх ступеня спорідненості. Мінливість може бути спадковою і не спадковою. Спадкова мінливість пов'язана з мутаціями, змінами у самих генах, не спадкова - результат дії факторів навколишнього середовища, Явища спадковості й мінливості складають основу еволюційного розвитку.
Надійність - властивість організму тривалий час виконувати певні функції, зберігати за цих умов свої показники та свою цілісність.
Організм і середовище являють собою єдність.
І.М.Сєчєнов і І.П.Павлов [48, 41] величезного значення надавали взаємозв'язку тваринного організму і навколишнього середовища. По суті вся поведінка тварини визначається впливом навколишнього середовища. Поведінка людини також залежить від зовнішніх умов, але для неї головне значення має соціальне середовище та колектив.
І.П.Павлов [41] вивчав організм в його взаємодії з зовнішнім оточенням. У своїх працях з травлення він довів про вплив поживних речовин на функції організму. Розвиток організму, його працездатність залежать насамперед від такого важливого зовнішнього фактора, як повноцінність живлення.
Регуляція життєвих процесів. Існування організму пов'язане з наявністю регуляторних систем, які забезпечують його цілісність, а також взаємодію з навколишнім світом.
На ранніх етапах еволюції найпростішою формою зв'язку в організмі був механізм від однієї клітини до іншої. Продукти обміну речовин, які утворюються в тій чи іншій клітині під впливом зовнішнього подразнення, змінюють життєдіяльність сусідньої клітини. У результаті ланцюгового характеру цього механізму взаємодії змінюється функціональний стан усього організму.
• Наступним етапом пристосування організму до навколишнього середовища була гуморальна регуляція функцій. Надходження у кров і тканинну рідину продуктів метаболізму із збуджених клітин та тканин ставало причиною стимуляції інших клітин і тканин. Терміновість гуморальної регуляції, яка властива рослинам і тваринам, зумовлена швидкістю циркуляції рідинних середовищ організму.
Найдосконалішою формою регуляції всіх життєвих процесів є нервова регуляція. Структурні і фізіологічні властивості нервового апарата зв'язку забезпечили досконалу реакцію організму на подразнення.
Нервова система складається з мільярдів нервових клітин (нейронів) та їх відростків. Вона ділиться на центральну (головний і спинний мо30к) та периферичну (нервові клітини). Нервові волокна можуть бути доцентровими, що передають збудження з периферії до центральної нервової системи, і відцентровими, по яких імпульси передаються з центру до периферії.
У центральній нервовій системі групи нервових клітин утворюють ядра -центри, які регулюють ті чи інші процеси. У довгастому мозку знаходяться центри кровообігу, дихання, слиновиділення, кашлю, чхання, моргання тощо.
Діяльність нервової системи проявляється у рефлексі. Під рефлексом розуміють відповідь організму на,, подразнення з участю центральної нервової системи. Шлях, по якому проходить збудження, називається рефлекторною дугою. Вона складається з рецепторів, що сприймають подразнення, доцентрового шляху, нейронів головного мозку, відцентрового шляху, робочого органа (м'яз, залоза та ін.). Рефлекс відбувається за цілості усіх п'яти елементів рефлекторної дуги.
За походженням рефлекси поділяються на безумовні й умовні. Безумовні рефлекси вроджені, вони передаються за спадковістю, наприклад, оборонний рефлекс, рефлекс ссання, жування, ковтання та ін. Умовні рефлекси виникають у процесі життя за певних умов - виділення слини на запах корму, на його зовнішній вигляд.
У вищих тварин, крім нервової регуляції, існує також і гуморальна (лат. humor - рідина). На відміну від нижчих організмів у вищих тварин вона пов'язана не тільки з хімічними речовинами метаболізму, а і з гормонами -продуктами залоз внутрішньої (ендокринної) секреції.
У чому особливості гуморальної та нервової регуляцій? Кров, куди проникають гормони, рухається з швидкістю від 500 до 0,5 мм/с, тим часом як швидкість проведення імпульсів у нервах - 160-0,5 м/с. Звідси виходить, що нервова сигналізація, порівняно з гуморальною, майже в тисячу разів швидша.
Гуморальний сигнал не має певного адресата, він, за висловленням О.О.Ухтомського, посилається "всім, всім, всім". Нервовий сигнал проходить по спеціальних провідниках, завжди діє на певні клітини та орган. І, нарешті, гуморальний сигнал спочатку наростає у своїй дії, тобто концентрація гормонів у крові збільшується, а потім поступово слабне. На противагу цьому нервовий сигнал залежно від характеру подразнення завжди має високу точність щодо сили і тривалості дії. От чому при наявності в організмі двох регуляторних систем - гуморальної і нервової, остання набуває головного, провідного значення. Саме вона забезпечує усі термінові реакції, високий робочий ефект.
Гомеостаз. Клітини, які виділені з організму, можуть тривалий час жити і ділитися, якщо помістити їх в середовище, яке містить ті ж самі речовини і має фізичні параметри, що і рідини тіла (внутрішнє середовище організму). У вищих тварин таким середовищем є позаклітинні рідини - кров, лімфа, тканинна рідина, які забезпечують живлення і обмін речовин між органами і тканинами. Але безпосереднім середовищем, яке змиває і живить клітини, є тканинна, (інтерстиціальна, міжклітинна) рідина, її склад і властивості у визначеному ступені специфічні для окремих органів і тканин і відображають
функціональні особливості складаючих їх клітин.
Щоб організм міг ефективно функціонувати, його внутрішнє середовище повинно бути строго контрольованим за складом і фізико-хімічним показникам. Ідея про відносну сталість внутрішнього середовища організму була висунута французьким фізіологом К.Бернаром [6] більше 100 років тому: "Сталість внутрішнього середовища організму є необхідною умовою вільного і незалежного життя".
Американський фізіолог У.Кенон уже в нашому столітті розвив і доповнив цю концепцію. Він вивчив ряд механізмів, систем підтримання сталості і назвав ІДО здібність організму до активної стабілізації позаклітинного середовища гомеостазом (від грец. homoios - подібний і stasis - стан, нерухомість).
Встановлено, що в усіх гомеостатичних процесах беруть участь: специфічне утворення проміжного мозку - гіпоталамус - вищий центр регуляції вегетативних функцій (обміну речовин і енергії, живлення, теплового і водного балансу, кровообігу та дихання) і орган, який контролює нейроендокринні взаємовідносини в організмі.
Зараз під гомеостазом розуміють відносну динамічну сталість внутрішнього середовища організму і стійкість його основних фізіологічних функцій.
Зокрема, теплокровні тварини можуть витримувати великий перепад температурних коливань середовища (від -60 С до +70°С), а температура внутрішніх органів підтримується на оптимальному для метаболізму рівні (36-3 8°С). Це дуже важливо, тому що при підвищенні температури на 10°С швидкість хімічних реакцій збільшується в 2-3 рази, що може призвести до розладів життєдіяльності.
Такі показники внутрішнього середовища, як відносний тиск, іонний склад, величина рН середовища, в нормі зовсім мало коливаються. Це так звані стабільні фізіологічні константи. Стабільність котрих особливо важлива для організму.
Звичайно, функціональні можливості механізмів, що підтримують гомеостаз, небезмежні. При несприятливих умовах існування організм може пристосуватися, тобто адаптуватися до цих умов, перейти на новий гомеостатичний рівень, активізувати одні системи і пригнічуючи інші. Але при дії надзвичайних і тривалих подразників показники гомеостазу можуть хронічно виходити за межі величин фізіологічної норми, що порушує функції організму і призводять до розвитку патологічного стану, "хвороб гомеостазу". Останні виявляються в ослабленні факторів регуляції, недостачі або зриві компенсаторних або зрівноважених організмів.
Поняття "гомеостаз" відображає лише кінцеву рівновагу стану організму (і його окремих клітин) і є підсумком великої кількості взаємодіючих узгоджених процесів, що протікають на всіх рівнях організації. Ця взаємодія будується за принципом системної ієрархії, коли структурні і функціональні елементи організму знаходяться в доцільних взаємовідносинах і коли елементарні процеси підкоряються складнішим залежностям.
Висловлюючи явище гомеостазу в термінах біокібернетики (теорії управління), можливо розглядати організм як багатоконтурну нелінійну систему. Де кожний контур підтримує постійність визначеного параметра і працює за принципом передавання інформації.
У багатоконтурній системі одні і ті ж об'єкти регулюються декількома устроями управління, які в свою чергу, самі є об'єктами регулювання. За цих умов нижчі рівні управління забезпечуються автоматичними системами регуляції, підтримують заданий ритм діяльності. Будь-які подразнюючі дії викликають зміну регульованої величини, які повинні усуватися системою регулювання. На відміну від простого управління (вплив інформації на потік енергії) регуляція складних систем припускає зворотний (обернений) вплив отриманого ефекту на управляючий процес, тобто наявність оберненого зв'язку (рис.1). Створюються замкнуті робочі ланцюги, або контури регулювання. Оскільки процес циклічний, його можна назвати саморегуляцією.
Саморегуляція - властивість біологічних і фізичних систем автономно встановлювати і підтримувати на визначеному, відносно постійному рівні ті чи інші показники.
І Управління II Регулювання
Е
нергія
Інформація Інформація Обернений зв’язок
Рис. 1. Управління і регулювання
Саме принцип саморегулювання лежить в основі гомеостазу на різних рівнях - молекулярному (наприклад, пригнічення ферментативної реакції надлишком кінцевих продуктів метаболізму), клітинному (самогальмування нейронів при виснаженні, підтримання трансмембранного потенціалу), внутрішньоорганному (підтримання тиску в порожнинах серця), у цілому організмі (підтримання кров'яного тиску, температури, осмотичного тиску).
В усіх випадках лежить принцип оберненого зв'язку, який може бути негативним (коли знак зміни обернений знаку початкового відхилення), або позитивним (знаки однакові).
Стимул для запуску системи саморегуляції виникає в ній самій внаслідок відхилення якого-небудь життєво важливого фактору від константного рівня і мобілізації відповідних механізмів, що відновлюють його. Ці механізми включають низку рівнів, підрівнів, корелюючих ланок і ділянок. Наприклад, в регуляції температури тіла беруть участь: скелетні м'язи (джерело тепла при роботі), печінка і інші внутрішні органи (підсилення метаболізму), шкіряні судини і потові залози (тепловіддача), органи внутрішньої секреції (регуляція інтенсивності метаболізму і просвіту судин). Ключове положення в системі управління і підтримання температурного гомеостазу займає гіпоталамус.
Оскільки процес саморегуляції є універсальним механізмом підтримання гомеостазу, то доцільно мати принципово універсальну модель складної гомеостатичної системи. Такою універсальною моделлю, яка відображає системний підхід до організму, може слугувати пріоритетна концепція функціональної системи (рис. 2), що розроблена відомим радянським фізіологом, учнем І.П.Павлова академіком П.К.Анохіним.
Функціональна система - це динамічна система різних нервових утворень і периферичних органів, взаємозв'язаних у досягненні якого-небудь корисного для організму результату.
Основними ланками функціональної системи є:
1 - рецептори, які сприймають зміни внутрішнього середовища організму або
зовнішні дії;
- провідникові апарати, що передають отримані сигнали в центри;
- центральні утворення, що представлені нервовими елементами різних рівнів;
- виконуючі механізми, що включають соматичні, вегетативні і ендокринні компоненти.
Оскільки корисним пристосувальним результатом швидше всього є відновлення відхилиного від оптимуму параметра внутрішнього середовища (артеріального тиску, напруження кисню, рівня цукру в крові і ін.), функціональна система є регулятором підтримання гомеостазу і адаптації організму.
зокрема, задоволення потреби (відновлення параметра) є результатом корисної пристосувальної діяльності. Механізми оберненого зв'язку (оберненої аферентації) сигналізують у центр про досягнутий реальний результат. Якщо він відповідає заданій меті, діяльність системи зупиняється. І таким чином, основним підсумком діяльності функціональної системи є корисний результат пристосування.
Розрізняють функціональні системи трьох типів з:
- внутрішньою ланкою саморегуляції (наприклад, підтримання осмотичного
тиску або рН середовища крові);
- пасивною зовнішньою ланкою саморегуляції (наприклад, підтримання
газового складу крові),
- активною зовнішньою ланкою саморегуляції (харчування, розмноження, комунікація). Вивчання функціональних систем останнього типу, що включають активні поведінкові акти, допомагають з'ясуванню нейрофізіологічних основ поведінки тварин.
Концепція функціональних систем не протирічить ні рефлекторній теорії, ні теорії систем управління, ні концепції сталості внутрішнього середовища. Вона їх доповнює і синтезує, виходячи з принципу цілісності організму.
Обернена аферентація
Рис.2. Схема пріоритетної концепції функціональної системи (за П.К.Анохіним)