что такое система управления в биологии

Что такое система управления в биологии

18.1. Системы управления в биологии

18.1.1. Введение в теорию управления

Строгое применение теории управления к биологическим процессам позволило глубже понять функциональные взаимоотношения между компонентами многих физиологических механизмов и прояснить многие вещи, которые ранее казались запутанными. Так, например, живые системы рассматриваются теперь как открытые системы, поскольку они нуждаются в постоянном обмене веществами с окружающей средой. В самом деле, живые системы находятся в динамическом равновесии со средой; нужен постоянный приток энергии, чтобы предотвратить полное уравновешивание с окружающим миром. Равновесие возможно только после смерти организма, когда он становится термодинамически стабильным по отношению к среде. Основные компоненты любой системы управления показаны на рис. 18.1.

Рис. 18.1. Основные компоненты системы управления

Мерой эффективности всякой управляющей системы является степень отклонения регулируемого параметра от должного (оптимального) уровня и скорость возвращения к этому уровню. Гомеостатические механизмы должны иметь свободу колебаний, так как именно колебания активируют систему управления и возвращают переменную к оптимальной величине. Подобные системы основаны на таком соединении их компонентов, при котором выход может регулироваться входом, т.е. они действуют по принципу обратной связи. В большинстве систем с обратной связью выход служит одновременно входом.

Отрицательная обратная связь повышает стабильность системы (рис. 18.2). При нарушении равновесия системы возникает ряд последствий, которые приводят к устранению этого нарушения и к возвращению системы в исходное состояние. Принцип отрицательной обратной связи можно рассмотреть на примере регулирования температуры в электрической печи. Система управления в электрической печи состоит из входа (электрический ток, проходящий через нагревательный элемент), выхода (температура печи) и термостата, который может быть установлен на нужную температуру. Термостат действует как модулятор. Если он настроен на температуру 150°С, электрический ток будет идти через нагревательный элемент до тех пор, пока температура в печи не достигнет 150°С, а затем термостат выключится, и нагревание прекратится. Когда температура упадет ниже 150°С, термостат вновь включится и электрический ток опять повысит температуру до заданного значения. В этой системе термостат играет роль детектора ошибки. Ошибкой является разница между фактическим выходом и его заданным значением, и она ликвидируется за счет увеличения входа. Это пример стабильной системы с замкнутой цепью, типичной для многих физиологических регуляторных механизмов.

Рис. 18.2. Гомеостатическая система управления. Стрелками показаны направления воздействий

В организме существуют и более сложные регуляторные устройства, чем упомянутые выше. Эти механизмы включают дополнительные детекторы (физиологические системы раннего предупреждения) или дополнительные эффекторы (на случай отказа основных), действующие на разных уровнях. Так, например, у гомойотермных животных детекторы температуры, находящиеся внутри тела и на его поверхности, обеспечивают почти постоянную температуру внутренних областей тела. Терморецепторы кожи, играющие роль детекторов окружающей температуры, посылают импульсы в гипоталамус, который выполняет функцию модулятора и вносит коррективы раньше, чем успевает измениться температура крови. В качестве других примеров подобной системы может служить регуляция дыхания при физической нагрузке, а также регуляция аппетита и жажды. Аналогичным образом множественные детекторы и эффекторы обеспечивают до-полнительную надежность регуляции таких жизненно важных параметров, как артериальное давление: рецепторы растяжения каротидного синуса и аорты и барорецепторы продолговатого мозга реагируют на изменения кровяного давления и вызывают ответы различных эффекторов, включая сердце, кровеносные сосуды и почки. Нарушение работы одного из этих органов может компенсироваться работой других.

На действительном портале казино франк сайт игроки выберут игровые автоматы от основных исполнителей. Все азартные игры позволят занимательно провести отдых, а также заколотить действительные денежные средства на выигрышных ставках. Выплаты осуществляются всем!

Источник

СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ В ОРГАНИЗМЕ

Лекция № 303130645

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РЕГУЛЯЦИИ В ЖИВЫХ ОРГАНИЗМАХ[НД1]

Ранее мы знакомились с вопросами функционирования отдельных клеток, органов, физиологических систем. В условиях целостного организма необходимо согласование работы разных систем, причем адекватное потребностям, определяемым условиями существования. В связи с этим вспоминаются слова Крылова: «Когда в товарищах согласья нет, на лад их дело не пойдёт».

ПОНЯТИЕ «СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ»

Для согласования работы различных систем организма необходимо управление. В физиологии часто вместо термина «управление» используют термин «регуляция»[++601+:98].

Управление возможно при наличии взаимосвязи органов и систем организма, поэтому вопросы регуляции (теорию управления) невозможно рассматривать без процессов физиологической коммуникации (теории информации).

Годом рождения современной кибернетики считается 1948 год, когда американский математик Н.Винер опубликовал труд «Кибернетика, или управление и связь в живых организмах и машинах». Кибернетика изучает общие свойства различных систем управления вне зависимости от их материальной основы. Эти свойства имеют место в живой природе,технике и в коллективах людей [++636+:51].

В развитие и создание кибернетики прямой или косвенный вклад внесли многие русские учёные. Среди них физиологи И.М.Сеченов (1829-1905), И.П.Павлов (1849-1936), П.К.Ано­хин (1898-1974), медик Н.М.Амосов (р.1913) [++636+:52].

Введем понятие система управления.

Система управления — упорядоченная совокупность объектов (элементов системы), взаимодействующих и взаимосвязанных между собой, которые способны воспринимать, запоминать и перерабатывать информацию, а также обмениваться информацией [++636+:52].

Синонимом термина «система управления» является термин «кибернетическая система».

Процессы регуляции охватывают все уровни организации систем [V.G.3] управления: молекулярный, субклеточный, клеточный, органный, сис­темный, организменный, надорганизменный (популяционный, экосистемный, биосферный) [++601+:98[Б4] ].

Ведущим свойством системы является организация.

Система управления – это управляющая подсистема [V.G.5] + управляемая подсистема[V.G.6] . Управляющая си­стема включает датчики, воспринимающие информа­цию на входе (сенсорные рецепторы) и выходе (рецепторы испол­нительных структур) системы, входные и выходные каналы связи (жидкие среды организма, нервы), управляющее ус­тройство (центральная нервная система), частью которого является запоминающее устройство (аппараты памяти). Информация, фик­сированная в аппаратах памяти, определяет «настройку» системы управления на переработку определенных сведений, поставляемых через каналы связи.

ПОНЯТИЕ «РЕГУЛЯЦИЯ»

Дадим определение понятию «регуляция».

Управление (регуляция) – это воздействие на объект (кибернетическую систему) в соответствии с имеющейся программой или целью её функционирования. Говоря кратко, управление — это воздействие на объект для достижения заданной цели [++636+:61].

Регуляция, в живых организмах пред­ставляет собой совокупность процессов, обеспечивающих необходи­мые режимы функционирования, достижение определенных целей или полезных для организма приспособительных ре­зультатов [++601+:98].

Управление осуществляется с использованием двух основных принципов: 1) по рассогласованию (отклонению); 2) по возмущению.

Управление по рассогласованию предусматривает на­личие механизмов, способных определить разность между задавае­мым и фактическим значением регулируемой величины или функции.

Практически все характеристики внутренней среды (константы) организма непрерывно колеблются относительно средних уровней, оптимальных для протекания устойчивого обмена веществ.

Допустимый диапазон колебаний для разных констант различен.

Незначительные отклонения одних констант могут приводить к существенным нарушениям обменных процес­сов — это так называемые жесткие константы. К ним относятся, например, осмотическое давление, величина водородного показателя (рН), содержание глюкозы, O₂, CO₂ в крови.

Другие константы могут варьировать в довольно широком диа­пазоне без существенных нарушений физиологических функций — это так называемые пластичные константы. К их числу относят количество и соотношение форменных элементов крови, объем цир­кулирующей крови, скорость оседания эритроцитов.

Управление по возмущению предусматривает исполь­зование самого возмущения для выработки, компенсирующего воз­действия, в результате которого регулируемый показатель возвра­щается к исходному состоянию.

СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ В ОРГАНИЗМЕ

Запуск (инициация).

2. Коррек­ция.

Координация.

Например, при виде пищи центральная нервная система инициирует работу пищеварительных желез.

Коррекция – приведение деятельности органа в соответствие с насущными потребностями организма.

При­мером может служить коррекция работы сердца центральной нервной системой у спортсмена перед стартом.

Например, для осуществления акта прямохождения необходима координация работы мышц и центров, обеспечивающих перемещение нижних конечностей в пространстве, смещение центра тяжести тела, изменение тонуса скелетных мышц [++601+:99[Б10] ].

Иногда этот способ управления «заставляет» ради «общих интересов» изменять состояние органа или системы даже казалось бы в ущерб какой-либо системе.

Например, повышение артериального давления в ответ на уменьшение по каким-либо причинам почечного кровотока.

Механизмы управления с дедактической целью удобно разделять на гумораль­ный и нервный.

В естественных условиях нервный и гуморальный механизмы едины и, образуя нейрогуморальный механизм, реализуются в раз­нообразных комбинациях.

Существует термин «интегративный механизм управления», по сути являющийся синонимом понятия нейрогуморальный механизм управления.

Средства управления

Гуморальный механизм в качестве средств управления и передачи информации использует химические вещества — продукты обмена веществ, простагландины, регуляторные пептиды, гормоны и др.

Например, накопление молочной кислоты в мышцах при физической нагрузке является источником информации о недостатке кислорода.

Нервный механизм в качестве средства управления, передачи информации использует потенциалы возбуждения (ПД, им­пульсы), которые объединяются в определенные паттерны («рисун­ки» возбуждения) по частоте, набору в «пачках», характеристикам межимпульсных интервалов и кодируют необходимую информацию.

Показано, что паттерны возбуждений гипоталамических нейронов при формировании мотивации голода специфичны и существенно отличаются от столь же специфичных паттернов возбуждений ней­ронов, ответственных за формирование мотивации жажды.

Гуморальный механизм использует следующие формы управления:

1. аутокринную

2. паракринную

3. гуморальную

Нервный механизм использует местные и центральные рефлексы как формы управления.

Местные рефлексы осуществляются через ганглии автономной нервной системы, которые рассматриваются как нервные центры, вынесенные на периферию.

Центральные рефлексы осуществляются через нейроны различных уровней центральной нервной системы (от спинного мозга до коры большого мозга).

СВЯЗИ В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ

Процессы регуляции основаны на использовании прямых и обратных связей.

Прямая связь— передача информации по цепи управления от регулятора к объекту.

Обратная связь— передача информации по цепи управления от объекта к регулятору.

Различают положительные и отрицательные обратные связи.

Положительная обратнаясвязьусиливает управляющее воздействие.

Например, увеличение скорости образования тромбина при появлении некоторого количества тромбина на начальных этапах коагуляционного гемостаза.

Отрицательная обратная связь ослабляет управляющее воз­действие.

Например, натяжение сухожилия скелетной мышцы ослабляет степень возбуждения центра.

Источник

19. ГОМЕОСТАЗ

Любой организм можно рассматривать как сложную физико-химическую систему, существующую в окружающей среде в стационарном состоянии. Именно эта способность живых систем сохранять стационарное состояние в условиях непрерывно меняющейся среды и обусловливает их выживание. Для того чтобы поддерживать такое состояние, у всех организмов, начиная от самых простейших и кончая самыми сложными, в ходе биологической эволюции появилось огромное разнообразие адаптивных механизмов — структурных, физиологических и поведенческих, — призванных обеспечить как можно более эффективное выполнение главной задачи, а именно сохранение постоянства внутренней среды организма, или его гомеостаза. Впервые эта «цель» живых систем была сформулирована французским физиологом Клодом Бернаром (Claude Bernard) в 1857 г. На протяжении всей его научной деятельности Клода Бернара поражала способность организмов регулировать и поддерживать в достаточно узких границах такие физиологические параметры, как температура тела или содержание воды. Это представление о саморегуляции как основе физиологической стабильности он резюмировал в виде ставшего классическим утверждения: «Постоянство внутренней среды является обязательным условием свободной жизни».

Бернар постоянно подчеркивал различие между внешней средой, в которой живут организмы, и внутренней средой, в которой находятся их отдельные клетки (у млекопитающих это тканевая, или интерстициальная, жидкость), и понимал, как важно, чтобы внутренняя среда оставалась неизменной. Например, млекопитающие поддерживают постоянную температуру тела, несмотря на колебания окружающей температуры. Если становится слишком холодно, то животное может переместиться в более теплое или более защищенное место (поведенческая реакция). Если же это невозможно, то вступают в действие внутренние механизмы саморегуляции, усиливающие выработку тепла и препятствующие теплоотдаче (физиологическая реакция). Все метаболические системы работают наиболее эффективно, если они находятся в узком интервале условий, близких к оптимальным. Следовательно, и организм как целое будет работать наиболее эффективно, если его клетки находятся в оптимальных условиях. Гомеостатические механизмы препятствуют существенным отклонениям от оптимума, вызываемым изменениями во внешней и внутренней средах.

В 1932 г. американский физиолог Уолтер Кеннон (Walter Cannon) ввел термин гомеостаз (от греч. hómoios — одинаковый, stasis — стояние, неподвижность), означающий «постоянство внутренней среды», о котором говорил Бернар. Поддерживая стабильность условий существования клеток, гомеостатические механизмы обеспечивают определенную независимость организма от окружающей среды. Чем эффективнее эти механизмы, тем выраженнее независимость. Степень независимости можно использовать как меру «успеха» той или иной формы живого. С этой точки зрения сложно устроенные организмы, например млекопитающие или цветковые растения, являются преуспевающими группами, поскольку они способны сохранять относительно постоянный уровень активности даже при резких колебаниях внешних условий. Такие организмы иногда называют регуляторами, поскольку они способны регулировать различные параметры внутренней среды. Как правило, ареалы их распространения гораздо шире, а занимаемые ими местообитания разнообразнее, чем у нерегуляторов, которые не способны эффективно регулировать свою внутреннюю среду и поэтому вынуждены жить в более стабильных внешних условиях, например в океанах или озерах. К нерегуляторам относятся, в частности, книдарии и водоросли, включая фитопланктон.

Для того чтобы обеспечить более или менее стабильную активность организма, необходима регуляция на всех уровнях — от молекулярного до популяционного. Это требует использования различных биохимических, физиологических и поведенческих механизмов, наиболее соответствующих уровню сложности и образу жизни данного вида. Во всех этих отношениях млекопитающие лучше вооружены, чем более просто организованные животные, например книдарии.

Механизмы регуляции, обнаруженные у живых организмов, во многом сходны с регулирующими устройствами в неживых системах, таких как машины. В обоих случаях стабильность достигается благодаря определенной форме управления. В 1948 г. Н. Винер ввел понятие кибернетика (от греч. kybernetikē — искусство управления). Кибернетика занимается, в частности, общими закономерностями регулирования в живых и неживых системах. За этой наукой также прочно укрепилось название теория управления. Физиологи, изучающие растения и животных, часто используют точные математические модели теории управления для объяснения механизмов действия биологических регуляторных систем; поэтому прежде чем перейти к изучению способов саморегуляции таких параметров, как, например, температура тела или уровень сахара в крови, следует получить хотя бы общее представление о некоторых положениях теории управления.

19.1. Системы управления в биологии

Приложение теории управления к биологическим процессам позволило глубже понять функциональные взаимодействия между компонентами многих физиологических механизмов. Так, например, живые системы рассматриваются теперь как открытые системы, поскольку они нуждаются в непрерывном обмене веществами с окружающей средой. В самом деле живые системы находятся в динамическом равновесии со средой, и нужен постоянный приток энергии извне, чтобы предотвратить полное уравновешивание с окружающим миром. В качестве примера приведем простейшую аналогию — фонтан. Его работа требует постоянного притока вещества (воды) и энергии, обеспечиваемой насосом. Только в этих условиях его работа стабильна, иными словами, он сохраняет стационарное состояние по отношению к среде. Основные компоненты любой системы управления приведены на рис. 19.1. Каждый из них можно называть различными терминами. Так, регулятором у млекопитающих является либо эндокринная железа, выделяющая гормоны, либо мозг (головной или спинной).

Рис. 19.1. Основные компоненты системы управления.

Об эффективности системы управления можно судить по:

1) степени отклонения регулируемого параметра от должного (оптимального) уровня;

2) скорости возвращения к этому уровню.

Любое отклонение от оптимального уровня активирует систему управления, а та обеспечивает возврат к нему. Когда состояние снова становится оптимальным, регулирующие процессы отключаются по механизму так называемой отрицательной обратной связи. Для осуществления обратной связи необходимо, чтобы результат работы данной системы сравнивался с заданным значением, являющимся оптимальным значением регулируемого параметра (переменной, как, скажем, уровень температуры, установленный на шкале термостата). В системах управления существуют две формы обратной связи — отрицательная и положительная. Первая распространена шире в гомеостатических системах живых организмов.

Отрицательная обратная связь

Отрицательная обратная связь повышает стабильность системы (рис. 19.2). При нарушении равновесия системы запускается последовательность событий, направленных на восстановление исходного состояния. Принцип действия отрицательной обратной связи можно проиллюстрировать на примере регулирования температуры в электропечи с помощью термостата. Система управления электропечи состоит из эффектора (нагревательный элемент, через который течет электрический ток — вход), выхода (температура печи) и термостата, который заранее установлен на нужную температуру (эталон). Термостат действует как детектор (или рецептор) и собственно регулятор. Если термостат настроен на эталонную температуру 150 °С, то электрический ток будет течь через нагревательный элемент до тех пор, пока температура в печи не достигнет 150 °С, а затем термостат выключится, и нагревание прекратится. Когда температура опустится ниже 150 °С, термостат снова включится и электрический ток опять повысит температуру до установленного значения. В этой системе термостат играет роль детектора ошибки. Ошибка представляет собой разницу между сигналом на выходе и эталонным значением, и она устраняется эффектором (нагревательным элементом), который включается при ее обнаружении. Принцип отрицательной обратной связи, поддерживающей стационарное состояние системы, типичен для многих физиологических процессов в организмах.

Рис. 19.2. Гомеостатическая система управления. Отрицательная обратная связь, необходимая для отключения процесса, показана штриховыми линиями.

Так регулируются, в частности:

1) уровни кислорода и диоксида углерода в крови путем изменения частоты и глубины дыхания (разд. 9.5.5);

2) частота сокращений сердца (разд. 14.7.4);

3) кровяное давление (разд. 14.7.7);

4) уровень гормонов в крови, например тироксина (разд. 17.6.4 и рис. 19.3) и половых гормонов (разд. 21.7.4 и 21.7.6);

5) уровни метаболитов, например глюкозы (разд. 17.6.6 и 19.2);

6) водно-электролитный баланс (разд. 20.3.5);

8) температура тела (разд. 19.5).

Рис. 19.3 иллюстрирует роль отрицательной обратной связи в регуляции высвобождения тироксина щитовидной железой. В этом примере детектором служит гипоталамус, регулятором — гипофиз, а эффектором — сама щитовидная железа.

Рис. 19.3. Пример простой биологической системы управления: регуляция секреции тироксина — одного из гормонов щитовидной железы. ТЛ — тиреолиберин (рилизинг-фактор тиреостимулирующего гормона); ТТГ — тиреотропный (тиреостимулирующий) гормон.

Положительная обратная связь

Положительная обратная связь редко встречается в биологических системах, поскольку она приводит к нестабильности системы и экстремальным состояниям. В этих ситуациях возникшее возмущение вызывает такие последствия, которые еще более его усиливают (рис. 19.2). Например, во время распространения нервного импульса деполяризация мембраны нейрона повышает ее проницаемость для ионов натрия. Проникая в аксон через мембрану, ионы натрия усиливают деполяризацию, а тем самым и собственное поступление в клетку. Скорость этого поступления стремительно возрастает, и в результате генерируется потенциал действия. В данном случае положительная обратная связь служит для усиления ответа системы (деполяризации). Величину этого ответа ограничивают другие механизмы, описанные в разд. 17.1.1. Положительная обратная связь функционирует также во время родов, когда гормон окситоцин стимулирует сокращения матки, а они в свою очередь инициируют выделение новых порций этого гормона (разд. 21.8.12).

Более сложные механизмы

В организме существуют и более сложные регуляторные механизмы. Говоря общими словами, они включают в себя дополнительные детекторы (физиологические системы раннего предупреждения) или дополнительные эффекторы (на случай отказа основных). Например, у гомойотермных (теплокровных) животных детекторы температуры, находящиеся внутри тела и на его поверхности, обеспечивают почти постоянную температуру внутренних областей тела. Терморецепторы кожи, служащие детекторами изменений окружающей температуры, посылают импульсы в гипоталамус, который действует как регулятор и вносит коррективы раньше, чем успевает измениться температура крови. В качестве других примеров подобной системы могут служить регуляция дыхания при физической нагрузке, а также регуляция чувств голода и жажды еще до возникновения в организме дефицита соответственно питательных веществ и воды. Сходным образом множественные детекторы и эффекторы обеспечивают дополнительную надежность регуляции таких жизненно важных параметров, как артериальное давление: рецепторы растяжения каротидного синуса и аорты и барорецепторы в продолговатом мозге регистрируют изменения этого параметра и вызывают реакции различных эффекторов, в том числе сердца, кровеносных сосудов и почек. Нарушение работы одного из этих органов может компенсироваться работой других.

Наш сайт не претендует на авторство размещенных материалов. Мы только конвертируем в удобный формат материалы, которые находятся в открытом доступе и присланные нашими посетителями.

Если вы являетесь обладателем авторского права на любой размещенный у нас материал и намерены удалить его или получить ссылки на место коммерческого размещения материалов, обратитесь для согласования к администратору сайта.

Разрешается копировать материалы с обязательной гипертекстовой ссылкой на сайт, будьте благодарными мы затратили много усилий чтобы привести информацию в удобный вид.

© 2018-2021 Все права на дизайн сайта принадлежат С.Є.А.

Источник