Конспект уроку: Регуляція функцій у багатоклітинних організмів

1. Які регуляторні системи багатоклітинних організмів вам відомі?

2. Що таке нервова та гуморальна регуляції?

3. Що таке гомеостаз?

Повідомити школярам тему та мету уроку. Разом з ними визначити головні завдання яких необхідно досягти на занятті.

Біологічно активні речовини та регуляторні системи

Біологічно активні речовини - це сполуки, які впливають на будь-які прояви життєдіяльності. Регуляторні системи, в свою чергу, забезпечують функціонування багатоклітинного організму як цілісної біологічної системи, також зумовлюють його відповідні реакції на зміни умов як зовнішнього, так і внутрішнього середовища. В тварин й людини до регуляторних систем відносяться нервова, імунна й ендокринна; в рослин - деякі секреторні клітини. Регуляція діяльності клітин, органів й їх систем направлена на підтримання гомеостазу внутрішнього середовища багатоклітинного організму.

Регуляція життєвих функцій в багатоклітинних рослин

Регуляцію життєвих функцій у багатоклітинних рослин насамперед здійснюють фітогормони. Ці сполуки синтезують не лише рослини, а й гриби. Вони у малих кількостях забезпечують регулцію процесів обміну речовин, керують індивідуальним розвитком, впливаючи на поділ й ріст клітин, диференціацію тканин, розвиток бруньок, формування органів, проростання насіння і т. п. Одні фітогормони здатні прискорювати життєві функції (наприклад, поділ клітин, розвиток пагонів чи дозрівання плодів), інші - їх гальмувати (наприклад, викликати опадання листків).

До фітогормонів належать ауксини, цитокініни, гібереліни та абснизова кислота.

1. Ауксини утворюються у верхівковій твірній тканині і зумовлюють розтягування клітин, унаслідок якого пагін видовжується. Вони також впливають на диференціацію провідних тканин, стимулюють поділ клітин камбію, а також прискорюють утворення і ріст додаткових коренів живців тощо. У сільському господарстві ауксини використовують для стимулювання утворення додаткових коренів у живців, опадання плодів перед збиранням врожаю, а у високих концентраціях - як гербіциди (різновид пестицидів, використовують для боротьби з бур'янами).

2. Цитокініни здатні прискорювати поділ клітин, ріст й розвиток бічних бруньок, стимулювати проростання насіння, обміну речовин, крім цього затримують процеси старіння рослини.

3. Гібереліни здатні прискорювати ріст рослин, процесів цвітіння, утворення плодів, стимулювати проростання насіння чи розвиток бульб та цибулин т.п..

4. Абсцизова кислота здатна стимулювати перехід рослин в стан спокою, збільшувати тривалість даного періоду, здатна стимулювати опадання листків, пригнічувати проростання насіння і ріст бруньок.

З допомогою біологічно активних речовин рослини здатні впливати на особин власного чи інших видів. Так, фітонциди пригнічують життєдіяльність інших організмів. В тому числі, пирій та ясен з допомогою даних речовин здатні гальмувати розвиток і ріст рослин інших видів, тобто зменшувати рівень міжвидової конкуренції. Тож, висіваючи на певній ділянці насіння рослин різноманітних видів чи плануючи сівозміни, потрібно враховувати, як дані види впливатимуть в подальшому один на одного. Фітонциди, що виробляють, так наприклад, сосна, часник чи цибуля ріпчаста, убивають мікроорганізми. Саме тому дані рослини із давніх-давен людина використовувала для лікування та профілактики значної кількості інфекційних й інвазійних захворювань.

Алкалоїди - особливі отруйні для тварин сполуки. Вони захищають рослини від виїдання тваринами-фітофагами. Багато алкалоїдів застосовують в медицині.

Алкалоїди знайдено приблизно в 2500 видів покритонасінних рослин головним чином із родин Пасльонові, Лілійні, Макові, Коноплеві. Значення алкалоїдів в життєдіяльності рослин - захист від паразитів, поїдання тваринами тощо. Чимало алкалоїдів застосовують в медицині. Наприклад, хінін (екстракт кори хінного дерева) застосовують для лікування малярії. Цікаво, що лікувальні властивості хініну були відомі індіанцям ще до того, як Колумб відкрив Америку. Алкалоід колхіцин застосовують для експериментального отримання клітин зі збільшеними наборами хромосом. Він руйнує веретено поділу.

Фітогормонам, як й гормонам тварин, характерна дистанційність дії. Це означає, що вони утворюються клітинами певних типів й транспортуються до тих частив рослини, на які вони впливають, по провідних тканинах з течією соків чи безпосередньо від клітини до іншої клітини. Рослини можуть сприймати зміни у довкіллі та реагувати на них певними рухами, а саме - за допомогою тропізмів, настій тощо.

Тропізми - це переміщення органів в період росту в відповідь на подразник, яке має певну спрямованість. Таким чином, ростові реакції на напрямок падіння променів світла дістали назву фототропізми, у відповідь на силу тяжіння землі - геотропізми, хімічні сполуки - хемотропізми і т. п. Якщо рухи спрямовані в бік подразника, то тропізми називають позитивними, коли ж у протилежний - негативними.

Рис. 1. Реакції рослин на подразнення:
тропізми (А, Б), настії (В-Е). А. Пагону притаманний негативний геотропізм (реакція на силу тяжіння землі), тому його ріст спрямований догори. Б. Кореню притаманний позитивний геотропізм: його ріст спрямований в глив ґрунту. В. Г - сейсмонастій (реакції на струси) мімози соромливої. Листочки складного листка у стані спокою розправлені (В), якщо ж рослина відчуває струс, листочки складного листка складаються (Г). Д, Е - фотонастґі у маранти триколірної: удень листки маранти розправлені (Д), уночі тиск в їхніх клітинах падає І листки згортаються (Е). Є. Колові рухи; коли рослина торкається будь-якої опори, вона під час росту накручується навколо неї

Настії - рухи органів в відповідь на вплив подразників, які не мають конкретного спрямування (зміна освітленості, температури і т. п.). Прикладом настій слугують відкривання й закривання віночка квітки в відповідь на певну зміну освітленості (фотонастії), згортання листків за зміни температури (термонастії), закриття листків комахоїдних рослин як реакція на рухи комахи (сейсмонастії) і т.п. Настії також можуть бути викликані розтягуванням органів внаслідок нерівномірного росту або зміною внутрішньоклітинного тиску внаслідок коливання концентрації клітинного соку. Таким чином, рухи рослин, у відміну від тварин, не пов’язані з переміщенням усього організму, а лише окремих його частин - кореня, стебла, листків, квіток тощо.

Регуляція життєвих функцій у багатоклітинних тварин

У більшості тварин одночасне функціонування нервової, імунної та ендокринної систем та їхні взаємодії забезпечують нейрогуморальну регуляцію життєвих функцій.

Особливості нервової регуляції

Нервова система керує життєвими функціями за допомогою імпульсів. Нервові імпульси наділені електричною природою, проте у місцях контакту двух сусідніх нейронів, нейронів і м’язових чи інших клітин імпульс передається хімічним шляхом за участі особливих речовин - медіаторів (ацетилхоліну, норадреналіну тощо). Особливі структури, що забезпечують контакти між двома нейронами, називають синапсами. У синалсі закінчення відростків нейронів розділено щілиною. Коїш нервове збудження підходить до закінчення одного нейрона, то вивільняється медіатор, який хімічно змінюється та переносить інформацію до рецепторів іншого нейрона.

Рис. 2. Будова та функціонування синапсу:
І. Під впливом нервового Імпульсу міхурці з медіатором підходять до мембрани нервового закінчення.
II. Міхурці з медіатором виділяються в синоптичну щілину.
III. Медіатор взаємодіє з рецептором у складі мембрани Іншого нейрона І проникає всередину нього. Це викликає потенціал дії і подальше переміщення імпульсу

Після проведення нервового збудження медіатор за участі ферментів руйнується. Синапс передає сигнал тільки в одному напрямку. Різні медіатори можуть прискорювати або гальмувати передачу нервового імпульсу.

Рефлекси

Нервові імпульси прямують від рецепторів до центральної частини нервової системи. Там здійснюються аналіз і синтез отриманої інформації, після чого нові імпульси потрапляють до робочих органів, міняючи їхню діяльність. Завдяки нервовій системі тварини здатні своєчасно сприймати подразники довкілля, а також зміни у власному внутрішньому середовищі та швидко реагувати на них. Таким чином, рефлекс - це реакція організму у відповідь на подразники зовнішнього та внутрішнього середовища, що здійснюється при участі нервової системи. Основу рефлекторної діяльності складають явища виникнення й гальмування нервового збудження.

Рис. 3. Колінний рефлекс у людини:
І. Центр колінного рефлексу розташований у сірій речовині (І) спинного мозку:
II. При легкому ударі по колінному суглобу збуджуються рецептори, від яких нервовий Імпульс прямує до відповідного центру у спинному мозку;
III. Центр надсилає новий імпульс, який прямує до м'язів, які скорочуються І забезпечують відповідні рухи ноги

Усі різновиди рефлексів І. П. Павлов відніс до безумовних (природжені) та умовних (набуті). Сукупність безумовних і умовних рефлексів забезпечує пристосування до непостійних умов довкілля.

Безумовні рефлекси спадкові та не змінюються протягом життя. Вони відіграють провідну роль у забезпеченні певних реакцій, зокрема одразу після народження, та становлять основу для утворення умовних рефлексів. Деякі безумовні рефлекси (колінний тощо) використовують для встановлення стану нервової системи. Безумовні рефлекси бувають харчові, статеві, орієнтовні, захисні (чхання, кашель, моргання тощо).

Сукупність послідовних безумовних рефлексів, котрі визначають забезпечення будь-якої життєвої функції, називають інстинктом.

Умовні рефлекси виникають і згасають протягом життя на основі безумовних під впливом конкретних чинників зовнішнього середовища. З віком кількість умовних рефлексів зростає в міру накопичення життєвого досвіду. Разом з тим умовні рефлекси, які тривалий час не відтворюються, можуть втрачатись (згасати).

Вища нервова діяльність - функціонування певних відділів центральної нервової системи, котра забезпечує відповідні умовнорефлекторні реакції організму на раптові зміни умов навколишнього довкілля. Так, у людини й хребетних тварин вища нервова діяльність забезпечується корою головного мозку та підкірковими нервовими центрами; у членистоногих - грибоподібними тілами переднього мозку тощо.

Гуморальна регуляція життєвих функцій

Гуморальна регуляція життєвих функцій відбувається завдяки різним біологічно активним сполукам: вітамінам гормонам, нейрогормонам тощо. Важлива роль при цьому належить системі залоз внутрішньої секреції, або ендокринній системі.

Рис. 4. Ендокринна система людини:
А - розташування ендокринних залоз;
Б - зріз через головний мозок;
В - задня поверхня щитоподібної залози

Залози внутрішньої секреції позбавлені вивідних проток, їхні клітини виділяють гормони на пряму у кров чи іншу рідину внутрішнього середовища організму.

Окремі нервові клітини (нейросекреторні клітини) виділяють в кров біологічно активні речовини, котрі отримали назву нейрогормони. Принцип їх дії схожий, як і в гормонів.

Адже деякі залози внутрішньої секреції між собою не пов'язані просторово, їхня узгоджена робота відбувається чи дякуючи нервовій регуляції, чи ж під впливом певних гормонів, що виробляються одними залозами, а впливають на роботу інших. Гормони і нейрогормони впливають на діяльність нервової системи. Як ви пригадуєте, гіпофіз - залоза внутрішньої секреції, що виробляє гормони, мають здатність впливати на діяльність інших ендокринних залоз.

Порівняно із роботою нервової системи, дія гормонів та нейрогормонів вирізняється меншою швидкістю, однак справляє триваліший ефект. Під гормональним контролем знаходяться всі етапи індивідуального розвитку й процеси життєдіяльності. В тому числі гормони забезпечують підтримання гомеостазу і регуляцію активності ферментів.

Гуморальна регуляція життєвих функцій теж здатний здійснюватися з допомогою інших біологічно активних речовин. Так наприклад, концентрація вуглекислого газу у крові регулює роль дихального центру головного мозку хребетних тварин, а зміни концентрації йонів Кальцію й Калію - діяльність серця т.п.. Вітаміни приймають участь у обміні речовин та перетворенні енергії переважно як компоненти складних ферментів.

В хребетних тварин є тісний взаємозв'язок між гіпоталамусом, структурою проміжного мозку та гіпофізом (провідна залоза внутрішньої секреції, яка пов'язана із проміжним мозком). Ця система має назву гіпоталамо-гіпофізарної системи. Її функції полягають в саме тому, що утворені клітинами гіпоталамуса нейрогормони по кровоносних судинах надходять в передню частку гіпофіза. Саме там вони стимулюють чи гальмують виробництва гормонів, котрі здійснюють вплив на діяльність інших залоз внутрішньої секреції. Головна біологічна роль гіпоталамо-гіпофізарної системи заключається у здійсненні досконалої регуляції вегетативних функцій і розмноження як реакції на вплив зовнішніх й внутрішніх подразників.

Імунна система

Імунна система відіграє важливу функцію в забезпеченні нормальної діяльності організмів багатоклітинних тварин й людини. До складу імунної системи усіх хребетних тварин та людини входить вилочкова залоза (тимус), селезінка, червоний кістковий мозок, лімфатичні вузли, скупчення лімфоїдної тканини навколо різноманітних частин травної й дихальної систем, а теж переважна кількість різновидів лейкоцитів.

Рис. 5. Органи імунної системи:
І - червоний кістковий мозок, де утворюються лімфоцити: II – тимус, де дозрівають Т лімфоцити: III - лімфатичні вузли, де знешкоджуються мікроорганізми: IV - селезінка, де дозрівають лейкоцити

Імунітет - це здатність організму забезпечувати несприйнятливість до різних збудників певних захворювань. Розрізняють гуморальний та клітинний види імунітету.

Гуморальний імунітет

Захист організму від паразитів та чужорідних речовин забезпечують особливі білкові сполуки - антитіла (або імуноглобуліни). Вони присутні в плазмі крові, лімфі, материнському молоці, слині та утворюються в особливих клітинах крові (лімфоцитах) у відповідь на присутність чужорідних хімічних сполук - антигенів. Джерелом антигенів слугують віруси, бактерії, мікроскопічні гриби, одноклітинні тварини та біологічно активні речовини, які потрапили всередину організму ззовні. Вчені відкрили сотні тисяч різних антигенів.

Кожний вид антитіла вступає у хімічний зв’язок лише з відповідним йому антигеном, нейтралізуючи шкідливі властивості останнього. Це один а механізмів гуморального імунітету.

Рис. 6. Гуморальний (А) та клітинний (Б) Імунітет. А. Дія системи комплементу (антитіла) проти бактеріальної клітини:
І. Мембранні комплекси поверхні бактеріальної клітини, з якими зв’язується комплемент (антитіло). II. Виникнення отворів в оболонці бактеріальної клітини, через які надходять розчини солей. III. Тиск всередині бактеріальної клітини зростає, що спричиняє її руйнування. Б - клітинний імунітет: макрофаги (І) шляхом фагоцитозу знешкоджують клітини бактерій (2)

До гуморального імунітету належить і система комплементу. Вона складається з різних білків у складі плазми крові. При специфічній реакції антиген-антитіло вони можуть бути активовані в певній послідовності. Наприклад, ці білки можуть зв'язуватися з рецепторними молекулами у складі оболонки бактеріальної клітини. Це забезпечує виникнення отворів в оболонці бактеріальної клітини, через яку надходять розчини солей. Тиск всередині бактеріальної клітини зростає, що спричиняє її руйнування.

Клітинний імунітет

Видатний український вчений І. Мечников встановив, що здатність певних груп лейкоцитів до фагоцитозу визначає несприйнятливість організму до деяких інфекційних захворювань. Це явище дістало назву клітинного імунітету. Наприклад, макрофаги шляхом фагоцитозу можуть поглинати й знешкоджувати клітини бактерій. Клітинний імунітет забезпечують не лише лейкоцити, а й особливі нерухомі клітини, розташовані в лімфатичних вузлах, селезінці, печінці, кістковому і головному мозку.

Діяльність різноманітних органів й систем органів багатоклітинних тварин направлена на підтримання гомеостазу, що досягається завдяки дії регуляторних механізмів і транспортних систем.

Транспортні (циркуляторні) системи

Транспортні, або циркуляторні, системи організму часто становлять собою рідину, котра заповнює проміжки між тканинами та органами (плоскі та круглі черви). У інших організмів (наприклад, членистоногі, молюски, кільчасті черви, хордові) ці функції (транспорт поживних речовин, біологічно активних сполук і кінцевих продуктів обміну) виконують рідкі тканини - кров, порожнинна (міжклітинна) рідина, лімфа та системи їхнього колообігу.

Рис. 7. Лімфатична система людини:
А - загальний план; Б – лімфатичний вузол у розрізі; В - лімфатична судинна в розрізі: Г - лімфатичні капіляри (позначені оливковим кольором) переплітаються з кровоносними (позначені червоним кольором ). Це забезпечує зв'язок (Д) міжклітинної рідини з кровоносною й лімфатичною системами

Взаємодія клітин

Особливостями організації багатоклітинних організмів є взаємодія між його клітинами. Регуляція клітинного поділу, процесів диференціювання клітин, міжклітинних взаємодій, підтримання процесів життєдіяльності окремих клітин забезпечуються складною системою сигнальних шляхів. Цими шляхами зовнішні щодо клітини сигнали передаються всередину неї, а цілі комплекси сигнальних білків доправляють їх до специфічних мішеней у цитоплазмі або ядрі. Таким чином, у багатоклітинних організмів за рахунок міжклітинних взаємодій утворюються складні клітинні комплекси, функціонування яких може підтримуватися різними шляхами. Прикладами таких комплексів є різновиди тих чи інших тканин.

Чим забезпечується цілісність тканин і виконання окремими клітинами специфічних функцій? Численними експериментами доведено здатність клітин розпізнавати одна одну і відповідним чином реагувати. Зазначимо, що взаємодія клітин - це не тільки здатність передавати сигнали від однієї клітини до іншої, але й їхня здатність діяти узгоджено.

Вам уже відомо, що на поверхні кожної клітини розташовані рецептори, завдяки яким клітина розпізнає зовнішні впливи, такі як різні хімічні сполуки. Подібні рецептори дають змогу розпізнавати й іншу, подібну до себе, клітину. Функціонують ці рецептори згідно з правилом «ключ - замок» (пригадайте, за таким самим принципом взаємодіють і ферменти з речовинами, які вступають у реакцію).

Відомо два основні способи міжклітинної взаємодії: дифузійний та адгезивний.

Дифузійний спосіб - це взаємодія клітин за допомогою міжклітинних каналів, пор у мембранах сусідніх клітин.

Адгезивний спосіб взаємодії (від лат. адгезіо - прилипання, злипання) - механічне з’єднання клітин, тривале і стабільне утримування їх на близькій відстані одна від одної. Вам уже відомі різні види міжклітинних з’єднань (десмосоми, синапси та ін.). Така взаємодія є основою для об’єднання клітин у різні багатоклітинні структури (тканини, органи).

Кожна клітина тканини не тільки з’єднується із сусідніми клітинами, а й взаємодіє з міжклітинною (тканинною) речовиною, отримуючи за її участі поживні речовини, сигнальні молекули (гормони, медіатори) тощо. За допомогою хімічних речовин, що надходять до всіх клітин, тканин та органів тіла, здійснюється гуморальний тип регуляції життєвих функцій. На різні типи клітин людини і тварин, як ви пам’ятаєте, можуть впливати такі біологічно активні речовини, як гормони, нейрогормони, медіатори, а у рослин - фітогормони.

Інший шлях регулювання відбувається за допомогою нервової системи. Нервові імпульси досягають певних клітин, тканин та органів у сотні або тисячі разів швидше, ніж будь-які хімічні сполуки. У людини, хребетних і багатьох безхребетних тварин узгоджена робота клітин і тканин, що входять до складу внутрішніх органів, забезпечується завдяки вегетативній нервовій системі, у нервових центрах якої генеруються нервові імпульси.

Нервовий і гуморальний способи регуляції функцій органів і систем тісно взаємопов'язані між собою. Однак слід пам’ятати, що утворення більшості хімічних регуляторних речовин і виділення їх у кров перебувають під постійним контролем нервової системи.

1. Що таке регуляторні системи?

2. Як відбувається регуляція життєвих функцій у рослин?

3. Що таке фітогормони, фітонциди, алкалоїди?

4. Які їхні функції?

5. Як відбувається регуляція життєвих функцій у багатоклітинних тварин?

6. Які особливості нервової регуляції?

7. Які особливості гуморальної регуляції у тварин?

8. Що таке гормони, нейрогормони, медіатори?

9. Що таке імунітет та імунна система?

- прочитати параграф,

- дати відповідь на запитання,

- інше.

За підручником Біологія 10 клас Балан П.