Саморегуляция в природе

Эволюция, создавая клетку, не "искала" новые способы  регуляции внутриклеточных процессов. Все, что было создано до нового уровня жизни, и если оно обеспечивало жизнедеятельность  структуре и способствовало ее дальнейшему прогрессу, то все это включалось в новые уровни жизни. Поэтому, наряду с новыми и более совершенными структурами, регулирующими клеточные процессы, мы находим и те, которые имели место в доклеточных формах жизни. Только в клеточных структурах активность и масштабность их деятельности несколько возрастает. Например: клеточные биокатализаторы, их чаще называют белками-ферментами, обладают исключительной активностью, и все многообразие химических реакций в клетке не проходит без их участия. 

В состав клетки входит около 60 химических элементов, образующих органические и минеральные соединения. Молекулы этих веществ постоянно  вступают в химические реакции, и  каждая из них катализируется своим  основным ферментом. Поэтому клетка в буквальном смысле набита ферментами. Учитывая еще и то, что в клетку постоянно поступает сырье, изготавливается готовая продукция, и выводятся отходы в окружающую среду, то ее можно сравнить с современным химическим предприятием, имеющим высокий уровень механизации и автоматизации процессов производства. Притом это такое предприятие, которое способно еще и реагировать на конъюнктуру потребностей. 

Все это происходит, несмотря на то, что механизм, обеспечивающий клеточную деятельность, работает только в определенных условиях, в условиях клеточной среды. Этот механизм, его работа заслуживает внимания потому, что дает возможность на более высоком уровне развития жизни понять процессы регуляции. Этот уровень обладает большими возможностями и в то же время большой неустойчивостью к изменениям среды. 

Одноклеточные организмы  прошли длинный эволюционный путь, несмотря на то, что зависимость  жизнедеятельности клетки от факторов среды исключительно велика. Велики и их адаптационные возможности  к факторам среды, которые достигаются за счет быстрой смены поколений. 

Новое поколение  несет и новые возможности, то есть наследственно закрепленные функционально-структурные  модификации. Но, быстро меняющиеся, запредельные факторы среды для этих организмов являются губительными. Их структуры рушатся. 

Разрушение целостной  клеточной структуры ведет к  остановке регулирующих механизмов, в основе которых лежит принцип  включения и выключения структур регуляции, обеспечивающих поддержание  относительно постоянного состава  клетки. Регуляторными механизмами этого процесса являются гены-регуляторы. Они способны контролировать не только качественный состав белков-ферментов, но и их количество в клетке. 

Гены-регуляторы - это  уже "изобретение" следующего, более  высокого уровня жизни, но начало их развития находится на предыдущем уровне. Поэтому связь между ферментами и генами-регуляторами самая, что ни есть прямая. 

Гены - регуляторы действуют  не путем непосредственного контакта со структурными генами, которые выдают информацию о синтезе определенных полипептидных цепей, а при помощи белка-репрессора, при наличии достаточно накопившихся молекул синтезируемого вещества белок-репрессор, соединяясь с этими молекулами, активизируется и связывается с геном-оператором, непосредственно сцепленным с группой структурных генов. В результате синтез данного вещества прекращается. Белок-репрессор, который свое название получил из-за того, что подавляет деятельность гена-оператора, ставит его в положение "выключено". Но при малом количестве синтезируемых молекул белок-репрессор остается неактивным. В таких условиях действие гена-оперона и структурных генов не подавляется, и синтез будет продолжаться беспрепятственно. 

Практически это  выглядит следующим образом. Если организм оказался в таких условиях среды, которые требуют ответной реакции его органов на их действие, то на организацию этих реакций тратится энергия, которую выделяют молекулы АТФ вследствие ее распада до АДФ. Этот процесс распада приводит к уменьшению содержания АТФ в клетке, величина которой составляет около 0,04 процента. 

Уменьшение концентрации вещества в клетке является сигналом белкам-ферментам, осуществляющим реакции  бескислородного и кислородного расщепления глюкозы. В ходе этих реакций выделяется энергия и  синтезируется АТФ. 

Когда уровень АТФ  достигнет нормы, ее синтез притормаживается, потому что белки-ферменты улавливают изменение концентрации химического вещества в клетке, меняют свою структуру и прекращают свою функциональную деятельность. Изменение белками-ферментами своей структуры - процесс обратимый. При расходовании АТФ и, соответственно, снижении ее концентрации, опять включаются реакции расщепления глюкозы. 

По этому принципу осуществляются реакции и других веществ в клетке. Все эти процессы являются основным условием поддержания  жизнедеятельности клетки, источником ее функционирования в непосредственной связи с окружающей средой, из которой клетка получает различные вещества для реакций диссимиляции и в которую выделяет продукты жизнедеятельности. 

Эта связь осуществляется с помощью соответствующих структурных образований (поры), через которые проникают и выделяются ионы, вода и мелкие молекулы других веществ. Более крупные частицы твердых веществ, а также капли жидкости проникают в клетку и выделяются из нее путем фагоцитоза ("фагос" - пожирать, "цитос" - клетка) и пиноцитоза ("пино" - пью, греческ.). Все это элементы обменных процессов, необходимых для поддержания жизнедеятельности клетки, от нормальной работы которой зависит жизнедеятельность более крупных структур многоклеточных организмов. Ими являются ткани, органы и их системы, а так же целостные организмы, в которых проявляются еще более сложные системы саморегуляции. 

Некоторые авторы чисто  интуитивно, исходя, так сказать, из здравого смысла, выделяют еще тканевую структуру в уровнях жизни. Но так как ткань - это совокупность однородных функционально специализированных клеток, жизнедеятельность которых поддерживается за счет процессов тканевого обмена, то это практически те же процессы регуляции, которые имели место на предыдущих уровнях жизни. 

Учитывая то, что  однотканевые формы жизни, как, например, одноклеточные, в природе не встречаются, следующим уровень жизни и  регуляции жизненных процессов  следует рассматривать на уровне целостного организма.

3. Организменный  уровень саморегуляции. 

Организм представляет структуру, имеющую клеточное строение. Миллиарды специализированных клеток образуют его составляющие части: ткани, органы, их системы, которые функционально  взаимосвязаны. В этой взаимосвязи  все процессы жизнедеятельности  составляющих структур проявляются только тогда, когда данная структура находится в составе функционирующей целостной системы, а она, в свою очередь, живет и функционирует до тех пор, пока функционально активны ее составляющие. 

На этом, более  высоком уровне жизни, наряду с клеточными структурами необходимы еще и такие, которые способны связать воедино много структурный уровень жизни и обеспечить ему обменные процессы с окружающей средой, обеспечивающие постоянное самообновление составляющих структур. 

Под общим понятием обмена веществ подразумевается цепь сложнейших превращений химических соединений и энергии в организме. Все химические превращения осуществляются в процессе химических реакций, которые можно, по их направленности, объединить в две группы. 

Первая группа реакций направлена на синтез, то есть образование в клетках организма только ему свойственных веществ из других соединений, которые он получает в процессе питания из внешней среды. Эта группа реакций получила название реакции ассимиляции (с греческого "симилис" - уподобляю), то есть строго себе подобный. 

Реакции ассимиляции  идут в клетках и находятся  под контролем клеточной регуляции. Например, уменьшение концентрации АТФ  улавливают клеточные структуры, включают реакции синтеза и восстанавливают  их количество. Но сам процесс уменьшения концентрации АТФ находится в зависимости от деятельности целостного организма, и несмотря на то, что реакции ассимиляции идут в клетках, но их деятельность уже подчинена и полностью зависит от жизнедеятельности организма. Организм получает с пищей органические вещества, расщепляет их до составляющих их частей - мономеров, а из них синтезируются нужные данному организму полимерные соединения. 

Расщепление поступающих  в организм веществ происходит в  результате второй группы реакций, реакций диссимиляции. Оба типа реакций противоположны по своей сути и в то же время едины. Противоположны они потому, что реакции ассимиляции созидают, а реакции диссимиляции разрушают. А единство их заключается в том, что если не будет происходить разрушение, то и не будет материала для созидания, то есть для процессов ассимиляции. С прекращением реакций ассимиляции прекращаются и реакции диссимиляции. 

С этой целью для  их упорядочения необходим четко  организованный регулирующий механизм, работающий на уровне целостного организма. Таким механизмом является нервная  и гуморальная регуляция. На первый взгляд, эти два вида регуляции вроде бы и не направлены непосредственно на реакции диссимиляции и ассимиляции, так как под влиянием их деятельности, в первую очередь, осуществляется функциональная регуляция органов и систем организма. Но чтобы в этом разобраться, необходимо более подробно рассмотреть действие регулирующих механизмов в целостном организме. 

Нервная система  способна очень быстро информировать  организм и его органы об изменениях в окружающей среде. Если доверить работу органа только этой регуляции, то ее мгновенно меняющиеся сигналы заставят ткани и органы мгновенно менять свою функцию. Такая регуляция приведет к аритмии работы органов целостного организма, преждевременному износу и выводу их из строя. 

Для предупреждения таких последствий в организме  существует противоположная регуляция - гуморальная. Она осуществляет свою деятельность с помощью специально вырабатываемых высокоактивных веществ - гормонов. 

Ничтожное их количество оказывает мощное воздействие на деятельность органов и их систем. Действие гормонов отличается длительностью и медленной сменой информации. Соответственно, работа органа происходит ритмично и стабильно. И та, и другая регуляция связаны между собой. Они едины и в то же время противоположны. Единство заключается в общности выполняемой деятельности, а противоположность - в различных параметрах их функций. 

Деятельность двух систем регуляции еще зависит  и от факторов окружающей среды, которые  или активизируют, или затормаживают  их регулирующую активность. Изменение  активности в клетках тканей и органов влияет на включение и выключение реакций ассимиляции и диссимиляции, а они, в свою очередь, оказывают влияние на процессы обмена веществ. 

Таким образом, на организменном  уровне развития жизни связь со средой осуществляется с помощью двойной  регуляции. Двойная и противоположная регуляция в организации жизненных процессов в организме позволяет обеспечить ритмичную работу его органов. 

Нервная система, которая  постоянно информирует организм через его органы чувств (воспринимающие центры), позволяет ему быстро организовать ответную реакцию на действие факторов среды. В то же время, под ее влиянием, вырабатываются гормоны, способные замедлить или ускорить работу органа. Например, при усилении физической деятельности организма, связанной с потребностями среды, ускоряется и усиливается его сердечная деятельность. Процесс этот осуществляется рефлекторно и подключает гуморальную регуляцию. 

Энергичная работа мышечной системы способствует образованию  в организме адреналина. Действуя на сердце через кровь, он увеличивает частоту и силу сердечных сокращений. Так что нервная и гуморальная регуляции взаимосвязаны и совместно обеспечивают очень точное приспособление органа к функциональному требованию целостного организма, деятельность которого определяется требованиями окружающей среды. 

Регуляция жизненных  процессов на организменном уровне происходит автоматически. Например, увеличение частоты и силы сердечных сокращений попытает расход энергии и, соответственно, увеличивает распад молекул АТФ. 

Их восстановление возможно только при активизации реакций бескислородного и кислородного расщепления органических молекул, которые регулярно должны поступать из окружающей среды. Поступающий материал подвергается расщеплению с помощью белков-ферментов. И чем больше в нем потребность, чем больше его поступает, тем больше требуется и должно синтезироваться белков-ферментов, катализирующих реакции ассимиляции и диссимиляции. 

Количественное увеличение белков связано с активацией работы генома и ускоренного образования  структур, на которых синтезируются белки-ферменты. 

Таким образом, вся  совокупность реакций в организме  взаимосвязана еще с его геномом. Выходит, что увеличение или уменьшение функциональной деятельности клетки ведет  к изменению генотипических ее структур, которые незамедлительно окажут влияние не структуры фенотипа. Измененная структура органа соответственно изменит и его функциональную деятельность и направит ее на связь организма со средой его обитания. 

Все это в организме  происходит не хаотично и беспорядочно, а взаимосвязано и взаимообусловлено, где каждая система регуляции дополняет друг друга. А их общая деятельность направлена на поддержание постоянной связи между организмом и средой его обитания. 

В процессе постоянной функциональной деятельности организм изменяется сам и изменяет среду своего обитания, которая незамедлительно окажет свое влияние на функционально-структурную деятельность организма. Эти взаимные влияния и обеспечивают развитие организма и развитие всей живой природы. Этот процесс идет с постоянным ускорением, и по мере усложнения органического мира темпы его увеличиваются.