873

Общие принципы регуляции в живых организмах

Лекция

Биология и генетика

Упорядоченная совокупность объектов (элементов системы), взаимодействующих и взаимосвязанных между собой. Сравнительная характеристика гуморального и нервного механизмов регуляции

Русский

2013-01-06

62 KB

35 чел.

Лекция

Общие принципы регуляции в живых организмах

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).

Теории управления и информации вместе составляют науку кибернетику. Поэтому для описания физиологических процессов регуляции разумно использовать язык кибернетики  [++502+:333].

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 управленияупорядоченная 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 управления: молекулярный, субклеточный, клеточный, органный, системный, организменный, надорганизменный (популяционный, экосистемный, биосферный) [++601+:98].

Ведущим свойством системы является организация.

Система управления – это управляющая подсистема  + управляемая подсистема. 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]. 

ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ

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.

Примером такого управления является стимуляция образования глюкозы при уменьшении её содержания в крови. 

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.

Например, уменьшение парциального давления О2 в атмосферном воздухе при подъеме на высоту является возмущающим воздействием для системы дыхания, обеспечивающей оптимальное для метаболизма содержание кислорода в крови.

СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ В ОРГАНИЗМЕ

  1.  Запуск (инициация).
  2.  Коррекция.
  3.  Координация.

Запуск - инициация перехода органа или системы от состояния относительного покоя к деятельному состоянию или от активной деятельности к состоянию покоя.

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.

Координация - согласование работы нескольких органов или систем одновременно для получения полезного приспособительного результата для всего организма. 

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]. 

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

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

Гуморальный механизм управления - изменение физиологической активности органов и систем под влиянием химических веществ, доставляемых через жидкие среды организма (интерстициальная жидкость, лимфа, кровь, цереброспинальная жидкость и др.).

Нервный механизм управления - изменение физиологических функций под влиянием управляющих воздействий, передаваемых из центральной нервной системы по нервным волокнам к органам и системам организма.

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 веществапродукты 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.

ФОРМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Гуморальный механизм использует следующие формы управления:

  1.  аутокринную
  2.  паракринную
  3.   гуморальную

Аутокринная форма управления - изменение функции клетки химическими субстратами, выделяемыми в межклеточную среду самой клеткой.

Паракринная форма управления - изменение функции клетки химическими субстратами, выделяемыми в межклеточную среду другими клетками. Химические субстраты, распространяясь по межтканевым пространствам, могут управлять функцией клеток, расположенных на некотором удалении от источника управляющих воздействий.

Гуморальная форма - изменение функции клетки химическими субстратами, выделяемыми в кровь, лимфу другими клетками. С током крови эти вещества достигают всех органов и тканей.

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 обратная связь усиливает 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.

В чём физиологический смысл наличия прямой и обратной связей?

Положительная обратная связь позволяет управлять значительными потоками энергии, потребляя незначительные энергетические ресурсы.

Отрицательные обратные связи повышают устойчивость биологической системы — способность возвращаться к первоначальному состоянию после прекращения возмущающего воздействия.

В организме обратные связи построены по принципу иерархии (подчиненности) и дублирования. Например, саморегуляция работы сердечной мышцы предусматривает наличие обратных связей от рецепторов самой сердечной мышцы, рецепторных полей магистральных сосудов, рецепторов, контролирующих уровень тканевого дыхания, и др.

Сравнительная характеристика гуморального и нервного механизмов регуляции

Гуморальный механизм управления является древнейшим механизмом регуляции. Нервный механизм - более поздний продукт эволюции по сравнению с гуморальным.

Нервный механизм более сложен и более совершенен, чем гуморальный.

Для гуморального механизма управления характерны относительно медленное распространение информационного сигнала, для нервного - высокая скорость распространения.

Для гуморального механизма управления характерен диффузный характер управляющих воздействий, для нервного - точная передача объекту регулирования управляющих сигналов.

Большая надежность осуществления связи характерна для нервного механизма.

Ещё раз напомню, что в естественных условиях нервный и гуморальный механизмы работают как единый нейрогуморальный механизм управления.

ЛИТЕРАТУРА

++636+  Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика: Учебн. для мед. Спец. вузов.- 2-е изд. Испр.- М.: Высш. школа, 1996.- 608 с., ил.

++601+ Физиология человека: Учебник / В двух томах. Т.I / В.М.Покровский, Г.Ф.Коротько, В.И.Кобрин и др.; Под ред. В.М.Покровского, Г.Ф.Коротько.— М.:Медицина, 1998.— 448 с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

49104. Проектирование информационных систем 723.5 KB
  Информация об управляющей компании Цель компании ЛОИС помочь предприятиям в повышении эффективности бизнеса и качества предоставляемых услуг за счёт применения информационных систем разработанных компанией. Информация об управляющей компании Управляющая компания оказывает услуги доверительного управления клиентам. Компания совершает операции с собственными активами и также предоставляет оперативную отчётность о состоянии собственных активов компании акционерам и руководству компании.
49105. Прогнозирование результатов спортсменов 486 KB
  Работа над проектом Для решения поставленной задачи будем использовать персептрон основанный на нейронной сети с 14ю входами с 1 выходным и с одним скрытым слоем. Одна из наиболее привлекательных для пользователя сторон нейросетевой технологии обеспечившая ей нынешнюю всеобщую популярность отсутствие необходимости в детальном программировании процесса решения задачи; возможность решения даже тех задач для которых отсутствуют алгоритмы решения; возможность адаптации к условиям функционирования обучения и переобучения....
49107. Ревизия (аудит) расчетов с депонентами, по претензиям, по возмещению материального ущерба, с разными дебиторами и кредиторами 103.25 KB
  Дебиторская задолженность - сумма долгов, причитающихся объединению, предприятию, организации, учреждению от юридических или физических лиц в итоге хозяйственных взаимоотношений с ними. Кредиторская задолженность - денежные средства предприятия, организации или учреждения, подлежащие уплате соответствующим юридическим или физическим лицам.
49108. Дослідження соціалізації дітей дошкільного віку 361.5 KB
  Пошук основних особистісних та середовищних детермінант, що визначають ті проблеми, з якими стикаються діти дошкільного віку, а також основні підходи щодо процесу соціалізації та адаптації, є актуальним завданням в сучасних умовах трансформації освіти України.
49109. Архитектура и системы команд микропроцессора К580. Достоинства и недостатки ассемблера 119.5 KB
  Недостатки ассемблера ВВЕДЕНИЕ Достоинства ассемблера Обеспечение максимального использования специфических возможностей конкретной платформы что позволяет создавать более эффективные программы с меньшими затратами ресурсов. АНАЛИЗ ЗАДАЧИ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА В результате выполнения программы мы должны получить в регистре В значение равное 0. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ ПРОГРАММЫ Для реализации поставленной задачи нужно запомнить входные данные В программе осуществляется последовательное увеличение содержимого ячейки 6000h на 1 путем...
49110. Загрузить в ячейку памяти с адресом 6000h число 100 и уменьшать его на единицу, пока результат не станет равен нулю 146.5 KB
  Именно языки программирования высокого уровня и их наследники в основном используются в настоящее время в индустрии информационных технологий. Однако, языки ассемблера сохраняют свою нишу, обуславливаемую их уникальными преимуществами в части эффективности и возможности полного использования специфических средств конкретной платформы.
49111. Вычесть содержимое ячейки памяти с адресом 6001H из содержимого ячейки памяти с адресом 6000Н. Занести результат в ячейку памяти с адресом 6002H, если результат положительный, иначе — в ячейку 6003Н 433 KB
  Директивы ассемблера позволяют включать в программу блоки данных (описанные явно или считанные из файла); повторить определённый фрагмент указанное число раз; компилировать фрагмент по условию; задавать адрес исполнения фрагмента, менять значения меток в процессе компиляции; использовать макроопределения с параметрами и др.