Координация и регуляция

Разбор темы

Нейрон и нервный импульс

Нервная ткань состоит из нейронов и клеток нейроглии (питание, опора, защита).

По функции нейроны бывают чувствительными (афферентными), вставочными и двигательными (эфферентными).

Миелиновая оболочка на аксоне ускоряет импульс: по миелинизированным волокнам он идёт до 120 м/с, по безмиелиновым — около 1 м/с.

Скопления тел нейронов образуют серое вещество (кора, ядра, ганглии), отростков — белое вещество (проводящие пути, нервы).

Синапс

Импульс приходит к окончанию аксона, из пузырьков выделяется медиатор в синаптическую щель.

Медиатор связывается с рецепторами мембраны следующей клетки и вызывает её возбуждение (или торможение).

Поэтому в синапсе сигнал идёт только в одну сторону и с небольшой задержкой. На синапсы действуют многие яды и лекарства.

Рефлекс и рефлекторная дуга

Рефлекторная дуга: рецептор → чувствительный нейрон → вставочный нейрон в ЦНС → двигательный нейрон → рабочий орган (мышца или железа). Коленный рефлекс — двухнейронная дуга без вставочного нейрона.

Безусловные рефлексы — врождённые, видовые, постоянные (сосательный, слюноотделение на пищу, отдёргивание руки от горячего).

Условные рефлексы — приобретённые, индивидуальные, вырабатываются при сочетании безразличного сигнала с безусловным раздражителем (опыты Павлова со звонком и собакой) и угасают без подкрепления. Замыкаются в коре больших полушарий.

Торможение: внешнее (при новом сильном раздражителе) и внутреннее (угасание без подкрепления). И. М. Сеченов открыл центральное торможение.

Отделы нервной системы

Центральная нервная система — головной и спинной мозг; периферическая — нервы и нервные узлы.

Соматическая система управляет скелетными мышцами (произвольно), вегетативная (автономная) — внутренними органами. Симпатический отдел мобилизует организм (учащает пульс, расширяет зрачки, тормозит пищеварение), парасимпатический — восстанавливает (замедляет сердце, усиливает пищеварение).

Спинной мозг: 31 пара спинномозговых нервов; серое вещество внутри в виде бабочки, белое снаружи; функции рефлекторная и проводниковая.

Головной мозг: продолговатый (дыхание, сердце, кашель, чихание, глотание), мост, мозжечок (координация движений и равновесие), средний мозг (ориентировочные рефлексы на свет и звук), промежуточный (таламус — переключение чувствительных сигналов; гипоталамус — терморегуляция, голод, жажда, связь с гипофизом), большие полушария.

Кора: лобная доля — мышление, речь, произвольные движения; теменная — кожная чувствительность; височная — слух; затылочная — зрение. Левое полушарие у большинства отвечает за речь и логику.

Анализаторы

Зрение: роговица → водянистая влага → зрачок → хрусталик → стекловидное тело → сетчатка. Палочки (≈ 130 млн) отвечают за сумеречное зрение, колбочки (≈ 7 млн) — за цветное. Слепое пятно — место выхода зрительного нерва, там нет рецепторов. Зрительная зона — затылочная доля.

Слух: наружное ухо (ушная раковина, слуховой проход) → барабанная перепонка → среднее ухо (молоточек, наковальня, стремечко; евстахиева труба выравнивает давление) → внутреннее ухо (улитка с рецепторами кортиева органа). Вестибулярный аппарат (полукружные каналы и мешочки) — орган равновесия. Слуховая зона — височная доля.

Также анализаторы обоняния, вкуса, осязания, мышечного чувства.

Эндокринная система

Гипофиз: гормон роста (избыток в детстве — гигантизм, у взрослых — акромегалия; недостаток — карликовость), тропные гормоны, управляющие щитовидной железой, надпочечниками и половыми железами; АДГ и окситоцин (из гипоталамуса).

Щитовидная железа: тироксин (содержит йод), усиливает обмен веществ. Недостаток в детстве — кретинизм, у взрослых — микседема; избыток — базедова болезнь; нехватка йода — эндемический зоб.

Поджелудочная железа (смешанная): островки Лангерганса выделяют инсулин (снижает глюкозу, превращает её в гликоген) и глюкагон (повышает). Недостаток инсулина — сахарный диабет.

Надпочечники: мозговой слой — адреналин (стресс: учащение пульса, повышение давления и сахара); корковый — кортизол, альдостерон.

Половые железы — смешанные: тестостерон, эстрогены. Вилочковая железа (тимус) — созревание T-лимфоцитов.

Регуляция по принципу обратной связи: избыток гормона тормозит выработку тропного гормона гипофиза.

Нервная и гуморальная регуляция

Нервная: быстрая, точная, кратковременная, по нервам. Гуморальная: медленная, длительная, широкая, через кровь гормонами и другими веществами (например, CO₂ стимулирует дыхательный центр).

Обе системы связаны: гипоталамус — нервная ткань, вырабатывающая гормоны (нейросекреция), а надпочечники выделяют адреналин по команде симпатических нервов.

Регуляция у растений

Ауксины — рост клеток растяжением, тропизмы, образование корней (используют при черенковании).

Гиббереллины — рост стебля, прорастание семян, цветение.

Цитокинины — деление клеток, задерживают старение листьев.

Абсцизовая кислота — гормон стресса и покоя: закрывает устьица при засухе, вызывает покой семян и почек.

Этилен — созревание плодов, листопад.

Нервные системы животных 7 класс

Диффузная (сетчатая) — у гидры; узловая (цепочка ганглиев) — у червей, моллюсков, членистоногих; трубчатая (головной и спинной мозг) — у позвоночных.

Отделы головного мозга 7–8 класс

Продолговатый — дыхание, сердцебиение, глотание, кашель. Мост — связь отделов. Мозжечок — координация и равновесие. Средний — ориентировочные рефлексы на свет и звук. Промежуточный (таламус, гипоталамус) — «ворота» чувствительности, голод, жажда, температура, связь с гипофизом. Кора больших полушарий — мышление, речь, память, произвольные движения.

Потенциал покоя и действия 10 класс

Потенциал покоя (~−70 мВ) поддерживает натрий-калиевый насос (3 Na⁺ наружу, 2 K⁺ внутрь). Потенциал действия: деполяризация (вход Na⁺) → реполяризация (выход K⁺).

Рефрактерный период — время, когда нейрон не отвечает на новый стимул; благодаря ему импульс идёт только в одну сторону. Закон «всё или ничего»: импульс либо возникает полностью, либо не возникает.

Сон, стресс и вредные привычки 7 класс

Сон: медленный (восстановление) и быстрый (сновидения, обработка памяти); школьнику нужно 8–10 часов. Стресс — реакция на сильный раздражитель (адреналин, кортизол); помогают режим, спорт, сон.

Алкоголь и наркотики нарушают работу синапсов и разрушают нервные клетки; никотин сужает сосуды, вызывает зависимость.

Как гормоны действуют на клетки 11 класс

Гормон действует только на клетки-мишени, у которых есть рецепторы к нему. Белковые гормоны (инсулин) связываются с рецептором на мембране и запускают «вторичного посредника» (цАМФ); стероидные (половые, кортизол) проходят через мембрану и действуют на гены в ядре.

Обратная связь: избыток гормона тормозит его выработку (как термостат).

Зрение, слух и кожа: опыты 8 класс

Слепое пятно — место выхода зрительного нерва, где нет рецепторов (опыт с крестиком и точкой). Близорукость исправляют рассеивающими линзами, дальнозоркость — собирающими.

Кожа содержит рецепторы прикосновения, давления, тепла, холода и боли; на кончиках пальцев их больше всего. Механорецепторы преобразуют давление и растяжение в нервные импульсы.

Интерфейс «мозг — компьютер» считывает электрическую активность мозга и управляет протезами и курсором.

Сальтаторное проведение импульса 10 класс

Миелиновую оболочку аксона образуют шванновские клетки, многократно обёрнутые вокруг него; миелин — хороший электрический изолятор. Через каждые 1–2 мм оболочка прерывается короткими открытыми участками — перехватами Ранвье. Только в перехватах в мембране много натриевых каналов, и только там может возникнуть потенциал действия.

Поэтому импульс «перепрыгивает» от перехвата к перехвату — это сальтаторное проведение. Оно быстрее (до 120 м/с против 0,5–2 м/с в безмиелиновых волокнах) и экономнее: натрий-калиевый насос тратит АТФ только в перехватах. Скорость растёт и с увеличением диаметра аксона: у кальмара безмиелиновые гигантские аксоны толщиной до 1 мм.

При разрушении миелина (рассеянный склероз) импульс замедляется или блокируется — нарушаются движения и чувствительность. Рефрактерный период не даёт импульсу пойти назад: участок, который только что возбудился, временно невозбудим.

Механорецепторы: тельце Пачини 10 класс

Рецептор превращает энергию раздражителя в электрический сигнал. Тельце Пачини — механорецептор глубоких слоёв кожи, суставов и связок, реагирующий на давление и вибрацию. Оно похоже на луковицу: окончание чувствительного нейрона окружено многими слоями соединительнотканных пластинок с жидкостью между ними.

Давление деформирует пластинки и мембрану нервного окончания, в ней открываются механочувствительные натриевые каналы. Na⁺ входит в окончание — возникает рецепторный (генераторный) потенциал. Чем сильнее давление, тем он больше; когда он достигает порога, в первом перехвате Ранвье возникает потенциал действия.

Сила раздражителя кодируется частотой импульсов, а не их величиной (каждый импульс подчиняется закону «всё или ничего»). При постоянном давлении тельце быстро адаптируется и перестаёт посылать импульсы — поэтому мы не ощущаем надетую одежду. Другие механорецепторы кожи: тельца Мейснера (лёгкое прикосновение), диски Меркеля (длительное давление).

Электрорецепторы и электрические органы 9 класс

Электрические процессы идут в каждой живой клетке: на мембране есть разность потенциалов, а работающие мышцы, сердце и мозг создают токи, которые регистрируют на ЭКГ и ЭЭГ. Некоторые животные используют электричество особым образом.

Электрические органы — видоизменённые мышечные клетки (электроциты), уложенные столбиками, как батарейки, соединённые последовательно. Электрический угорь создаёт разряд до 500–600 В, электрический скат — до 50–200 В: им они оглушают добычу и защищаются. Слабоэлектрические рыбы Африки и Южной Америки создают вокруг себя поле и ориентируются по нему в мутной воде.

Электрорецепторы улавливают слабые электрические поля. У акул и скатов это ампулы Лоренцини на голове — они чувствуют поле работающих мышц добычи, зарытой в песок. Утконос находит раков электрорецепторами клюва.

Фототропизм и опыты с ауксином 9, 11 класс

Ч. Дарвин с сыном (1880) заметили, что проросток злака (колеоптиль) изгибается к свету, только если освещена его верхушка: если верхушку закрыть колпачком или отрезать, изгиба нет. Значит, сигнал образуется в верхушке и передаётся вниз. Ф. Вент (1928) собрал это вещество в агаровый блок: блок, положенный сбоку на срез, вызывал изгиб даже в темноте. Вещество назвали ауксином.

Механизм фототропизма: при одностороннем освещении ауксин перемещается на затенённую сторону. Там клетки сильнее растягиваются, затенённая сторона растёт быстрее, и стебель изгибается к свету (положительный фототропизм). В корне высокая концентрация ауксина тормозит рост, поэтому корень растёт от света и вниз (положительный геотропизм).

Ауксин подкисляет клеточную стенку и размягчает её, вода входит в вакуоль — клетка растягивается. Гиббереллин удлиняет междоузлия и запускает прорастание семян: карликовый горох под действием гиббереллина вырастает до нормальной высоты. Практика: ауксин — укоренение черенков; синтетические ауксины в больших дозах — гербициды против двудольных сорняков; гиббереллин — крупный бессемянный виноград.

Обратная связь: гипоталамус — гипофиз — железа 9, 11 класс

Гомеостаз поддерживается по общей схеме системы управления: рецептор замечает отклонение → координатор (центр в мозге или железа) сравнивает его с нормой → эффектор (мышца, железа) исправляет. Чаще всего действует отрицательная обратная связь: результат ослабляет вызвавший его сигнал.

Пример — щитовидная железа. Гипоталамус выделяет рилизинг-гормон → гипофиз выделяет тиреотропный гормон (ТТГ) → щитовидная железа выделяет тироксин. Когда тироксина много, он тормозит гипоталамус и гипофиз, ТТГ становится меньше. При нехватке йода тироксина мало, торможения нет, ТТГ много — железа разрастается (эндемический зоб). Поэтому в Казахстане используют йодированную соль.

Глюкоза крови: после еды её больше нормы (натощак ≈ 3,3–5,5 ммоль/л) → β-клетки островков Лангерганса выделяют инсулин → печень и мышцы запасают гликоген → уровень падает. При голодании α-клетки выделяют глюкагон → гликоген расщепляется. Положительная обратная связь редка: при родах окситоцин усиливает схватки, а схватки — выделение окситоцина.