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

36 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

11679. Ітераційні методи розвязання систем лінійних алгебраїчних рівнянь. Метод Зейделя. Метод релаксації 40.97 KB
  Лабораторна робота №2 Ітераційні методи розвязання систем лінійних алгебраїчних рівнянь. Метод Зейделя. Метод релаксації. Мета роботи: познайомитися з ітераційними методами розвязання систем алгебраїчних рівнянь реалізувати заданий за варіантом метод у серед...
11680. МОДЕРНИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЛЕНТОЧНОГО КОНВЕЙЕРА К-22 УГЛЕПОДГОТОВИТЕЛЬНОГО ЦЕХА №1 ЧерМК ОАО «Северсталь» 1.26 MB
  Развитие электропривода связывается с разработкой российским академиком Б. С. Якоби первого двигателя постоянного тока вращательного движения. Использование данного мотора на небольшом судне, которое в 1838 году произвело пробные поездки на Неве...
11681. Розвязання систем нелінійних рівнянь. Метод Ньютона 44.19 KB
  Лабораторна робота №4 Тема: Розвязання систем нелінійних рівнянь. Метод Ньютона. Мета роботи: познайомитися з методами розвязання систем нелінійних алгебраїчних рівнянь реалізувати заданий за варіантом метод у середовищі МatLAB. Завдання для виконання лаборат
11682. Автоматизація управління персоналом на базі програмного засобу Система:Кадры 117.73 KB
  Лабораторна робота №5 Тема: автоматизація управління персоналом на базі програмного засобу Система:Кадры. Мета роботи: набути практичних навичок роботи з автоматизованою системою кадрового обліку Кадры навчитися вести безперервний облік персоналу підприємства...
11683. Организация работы лесопилки с использованием инновационных программных продуктов 720 KB
  1. Минимизация отходов лесопилки Пилорама заготавливает оцилиндровывает и сушит 20футовые брёвна которые в дальнейшем используются для строительства бревенчатых домов бань и т.п. Поступил новый заказ для которого требуется 275 шт. 8футовых 100 шт. 10футовых и 250 шт. 12фу...
11684. Системи счислення в ЕОМ 64.5 KB
  ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 1 Тема: Системи счислення в ЕОМ. Ціль: Знайомство системами счислення в ЕОМ виконання арифметичних дій вивчення правил переведення із однієї системи счислення до іншої. Теоретичні відомо...
11685. Застосування спеціального програмного забезпечення для роботи з 8-ми розрядним мікропроцесором 309 KB
  Лабораторна робота №2 Застосування спеціального програмного забезпечення для роботи з 8ми розрядним мікропроцесором. ЗАВДАННЯ Відповідно до свого варіанта завдання за допомогою емулятору процесора К580ВМ80 записати та виконати прості арифметичнологічні операці
11686. Реалізація логічних та арифметичних операцій за допомогою восьми розрядного мікропроцесора 214.5 KB
  Лабораторна робота №3 Тема: Реалізація логічних та арифметичних операцій за допомогою восьми розрядного мікропроцесора. Мета: Перевірити на практиці правильність виконання різноманітних операцій. ЗАВДАННЯ Відповідно до свого варіанта використовуючи емулятор пр
11687. Застосування спеціального програмного забезпечення для реалізації умовних переходів при роботі з восьми розрядним мікропроцесором 269.5 KB
  Лабораторна робота №4 Застосування спеціального програмного забезпечення для реалізації умовних переходів при роботі з восьми розрядним мікропроцесором. ЗАВДАННЯ Відповідно до свого варіанта завдання за допомогою емулятору процесора К580ВМ80 написати програму щ...