Чудо жизни

Постановка проблемы урока

Факт 1. Камень сопротивляется воздействию благодаря своей прочности: жёсткости связей между частицами. Разрушенный камень не способен себя восстановить.

Факт 2. Главное чудо жизни - способность к самовосстановлению. Как только живое лишается этой способности, оно умирает.

• Какой вопрос возникает? (Сравните с авторским вариантом на с. 349.)

Необходимые базовые знания

• Что вам известно о регуляции? В каких случаях употребляется это слово? (Жизненный опыт)

• Назовите общие признаки живого. (7-8 класс)

• Какие примеры поддержания гомеостаза в организме вы знаете? (8 класс)

• Что называют функцией органа, организма? (8 класс)

Решение проблемы

Сложность и порядок

1.1. Сложное строение живых организмов.

СЛОЖНОСТЬ организации всего живого очевидна. Но, чтобы живые организмы развивались или хотя бы сохранялись, нужны специальные механизмы, непрерывно подводящие энергию к каждой живой клетке. Для этого необходима высокая упорядоченность строения организма.

Чем выше сложность системы, тем больше энергии уходит на поддержание в ней порядка. Поэтому жизнь развивается от простого к сложному: в индивидуальном развитии — от зародыша к взрослому организму, в эволюции — от бактерий к многоклеточным животным. Чем сложнее строение, тем выше организация системы. Живые существа — самые высокоорганизованные системы, известные нам во Вселенной.

Два типа устойчивости

Камень устойчив к разрушению за счёт прочной связи между элементами его структуры — молекулами. Такую устойчивость называют статической. Со временем камень разрушается: на нём появляются трещины, которые уже никогда не исчезнут. Однако он долго поддерживает свою форму без всякой помощи извне. Если камень полностью изолировать от внешнего мира, его свойства сохранятся чрезвычайно долго. Статическая устойчивость — это свойство камня как изолированной (закрытой) системы. В противоположность камню река — открытая система. Сквозь неё постоянно проходит поток вещества и энергии, причём входит в систему и выходит из неё не совсем одно и то же: часть энергии тратится на размыв берегов, часть воды испаряется, песок оседает на отмелях. В зависимости от количества воды на входе в систему и на выходе меняется скорость течения и уровень воды в реке. Несмотря на эти колебания, река существует благодаря природному круговороту воды. Это — динамическая устойчивость. Ею могут обладать только открытые системы — те, в которые вещества и энергия поступают извне.

Подобно реке, организм — тоже открытая система. Его жизнь связана с поступлением вещества и энергии извне. В отличие от камня любая живая система устойчива только за счёт непрерывной работы по своему восстановлению.

1.2. Объекты неживой природы (кристалл) и их строение.

Что происходит при нарушении живой системы? Не слишком сильные повреждения восстанавливаются: у человека заживает порезанный палец, вместо отломанной ветки у растения отрастает новая. Сильно повреждённый организм умирает — весь, целиком, включая все его неповреждённые части, так как к ним перестают поступать должным образом вещества и энергия. К счастью, его место в природе пустует недолго. Организмы размножаются. Даже вырубленный лес со временем восстанавливается.

Организм тоже состоит из молекул и обладает статической устойчивостью, хотя и небольшой. Динамическая устойчивость — это дополнительное свойство открытой системы, которое для живых систем становится основным, определяющим.

1.3. Велосипед - закрытая система, устойчивая к коррозии.

1.4. Велосипед в движении не падает, пока им управляет велосипедист.

• Какие свойства велосипеда мы называем устойчивостью? Обладает ли велосипед статической устойчивостью, пока им управляет велосипедист? Найдите изображения закрытой и открытой систем.

Все примеры показывают, что динамическая устойчивость — это свойство и результат процессов, которые возможны только в открытых системах.

• Чем различается поведение двух систем на графиках?

1.5. Сложность систем с динамической и статической устойчивостью.

1.6.

• Какие объекты, изображённые на верхнем рисунке, соответствуют графикам снизу?

Устойчивость поддерживается регуляцией

Температуру воды под душем или громкость телевизора всегда можно отрегулировать по желанию. Такая регулировка системы внешними силами называется управлением. Другое дело - когда система настраивается сама, своими средствами, вопреки посторонним воздействиям. Например, в стиральной машине (рис. 1.7) различные датчики включают или отключают подачу электроэнергии к рабочим узлам, изменяя режим их работы.

1.7. Стиральная машина и работа её регуляторов.

• Объясните, как различные показатели состояния стиральной машины влияют на её работу.

Контрольные датчики есть и в других бытовых приборах. В них датчик, связанный с переключателем, становится регулятором работы.

• Назовите такие приборы. Сравните их работу с регулятором и без него (предположив, что он сломан).

Подобные способы влияния на ход процесса в зависимости от достигнутого результата называются саморегуляцией, или регуляцией в узком смысле слова.

• Чем ограничены допустимые колебания уровня воды в ванне?

• Какие приборы защищают компьютер, телевизор и т.д. от резких перепадов напряжения в сети?

Регуляция не исключает и даже предполагает вариацию регулируемого фактора. Но она не должна выходить за безопасные для организма пределы. Если же это происходит, включается механизм регуляции, стремящийся вернуть регулируемый фактор в пределы нормы.

Надёжная устойчивая работа всякой живой системы осуществляется благодаря механизмам саморегуляции. Они одновременно действуют во всём организме и в каждой его клетке, ткани, органе и в экосистеме, в которой он живёт. Именно способность к саморегуляции производит впечатление разумного, целесообразного поведения всего живого. Проявляется это в стремлении живой системы не только противостоять вредоносному воздействию, но и активно исправлять его негативные последствия, возвращаясь к полноценной жизнедеятельности.

Функции организма как пример саморегуляции

Физиологические функции организма, по сути, сводятся к восстановительным процессам. Они направлены на поддержание постоянства внутренней среды и восстанавливают её оптимальное состояние при любом отклонении (если только нарушение не слишком велико). Простейший пример — функция насыщения. Почувствовав голод, человек понимает, что ему пора поесть. На физиологическом языке голод — это сигнал о

том, что состояние внутренней среды отклонилось от оптимума. Он запускает функцию насыщения, которая состоит из нескольких фаз:

- 1-я фаза — беспокойство: что-то неблагополучно;

- 2-я фаза — понимание: я голоден;

- 3-я фаза — поиск или приготовление пищи;

- 4-я фаза — еда;

- 5-я фаза — восстановление состояния внутренней среды.

• Объясните, как изображается функция насыщения на графике. Какой параметр состава крови мог бы использоваться рецепторами организма в качестве сигнала?

1.8. Поддержание внутренней среды.

Постоянство внутренней среды — условие благополучного существования в изменчивой внешней среде. Только насытившись (восстановив свою внутреннюю среду), человек может осуществлять другие функции своей свободной и независимой жизни:

- 1-я фаза — опять беспокойство;

- 2-я фаза — понимание: мне скучно.

• Продолжите последующие фазы осуществления этой функции... Объясните, как функция заполнения своего досуга может быть изображена на графике.

Функции достигают своего совершенства не сразу, а по мере развития организма - в процессе онтогенеза. Вначале внутренняя среда поддерживается материнским организмом или оболочками, окружающими зародыш в яйце, споре, семени. В худшем случае (например, в икринке трески или споре гриба) внутренняя среда мало отличается от внешней. Однако в ходе развития зародыша она изменяется, потому что формируются органы, функции которых способны приблизить состояние внутренней среды к оптимальному.

Необходимое качество и наибольшее постоянство внутренней среды соответствует периоду зрелости. В этом возрасте, когда функционирование организма достигает совершенства, физиологическое развитие завершается, и на первый план выступают функции, способствующие продолжению рода. Именно в этом оптимальном состоянии организм может позаботиться не только о себе, но и о своих потомках.

Однако ничто не вечно: начинается старение. На физиологическом языке это означает прежде всего ухудшение регуляторных функций организма. Некоторые нарушения, раньше легко исправимые, теперь восстанавливаются с трудом, не полностью, не до оптимального состояния. В конце концов организм теряет способность сопротивляться даже слабым нарушениям.

Всё или ничего

Живая система реагирует на нарушения, поступающие из внешней среды, по принципу “всё или ничего”. Независимо от того, на какую величину и в какую сторону отклонилось состояние системы от оптимального, после окончания воздействия контролирующие механизмы возвращают систему к одной и той же исходной норме. Это происходит, однако, лишь до тех пор, пока нарушение свойств системы не превышает известного предела. Если возмущающий фактор вывел систему за эти рамки, она разрушается: организм погибает, клетка уничтожается, экосистема сменяется другой экосистемой. Таким образом, система либо восстанавливает все свойства до нормы, либо не восстанавливает никакие.

Обобщение новых знаний

Живые системы отличаются высокой сложностью строения. Они являются открытыми: их свойства поддерживаются за счёт переработки веществ и энергии, поступающих извне. Такие системы обладают динамической устойчивостью, в основе которой лежит явление регуляции. Функции биологических систем направлены на поддержание их устойчивого существования.

Регуляция. Статическая и динамическая устойчивость

Применение знаний

1. Чем отличается устойчивость камня от устойчивости живого организма?

2. Что такое управление и саморегуляция?

3. Какое отношение имеет физиологическое понятие “функция” к регуляции?

4. Может ли изолированная система расти?

5. Что мешает камню обеспечить самовосстановление и что позволяет это делать организму?

6. Сравните устойчивость биологической системы с ездой на двухколёсном велосипеде. Что в них общего и в чём различия?

7. Какой механизм поддерживает постоянный уровень воды в сливном бачке? Что будет, если этот механизм выйдет из строя? (См. схему.)