Какова сущность процессов лежащих в основе управления в живых системах кратко

Обновлено: 02.07.2024

Метод острого эксперимента, изолированных органов и тканей. Проводят обычно на наркотизированном животном, у которого выполняется операция, вводятся канюли в сосуды, выделяется нерв или исследуемый орган и выполняются различные воздействия. При этом выясняют, как действует раздражение конкретного нерва или вещества на функцию органа или системы.

Синтетические методы исследования.

Метод хронического эксперимента.

И.П. Павлов предложил способ, позволяющий изучать деятельность какого-либо органа, не нарушая целость организма. На наркотизированном животном в условиях стерильности проводят операцию, позволяющую получить доступ к тому или иному внутреннему органу, вживляют в него электрод, фистульную трубку или выводят наружу и подшивают к коже проток железы. Сам опыт ставят много дней спустя, когда рана зажила, животное выздоровело и по характеру течения физиологических процессов практически ничем не отличается от нормального, здорового.

Способы оценки и регистрации физиологических функций. Методы раздражения.

Наблюдение как метод физиологического исследования позволяет установить лишь качественную сторону явлений и лишает возможности исследовать их количественно.

Графическая регистрация физиологических процессов позволяет осуществить объективную запись изучаемого процесса, сводящую к минимуму возможность субъективных ошибок.

Метод графической регистрации дает возможность записывать одновременно (синхронно) не один, а несколько физиологических процессов для изучения связи между ними.

Исследования биоэлектрических явлений.

Объективная графическая регистрация биоэлектрических потенциалов послужила основой важнейшего раздела - электрофизиологии. Это позволило проводить оценку функционального состояния органов и систем.

Методы электрического раздражения органов и тканей.

Управление в живых организмах.

Это совокупность процессов, обеспечивающих необходимые режимы функционирования, достижение определенных целей или полезных для организма приспособительных результатов. Управление возможно при наличии взаимосвязи органов и систем. Процессы регуляции охватывают все уровни организации: субклеточный, клеточный, органный, системный, организменный, надорганизменный (популяционный, экосистемный, биосферный).

Физиологическая кибернетика изучает процессы управления в живых организмах.

Управление осуществляется с использованием трех основных принципов:

1) по рассогласованию (отклонение);

2) по возмущению;

3) по прогнозированию.

Управление по рассогласованию предусматривает наличие механизмов, способных определить разность между задаваемым и фактическим значением регулируемой величины или функции. Эта разность используется для выработки регулирующего воздействия на объект регуляции, которое уменьшает величину отклонения.

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

Способы управления в живом организме предусматривают запуск (инициацию), коррекцию и координацию физиологических процессов.

Запуск представляет собой процесс управления, вызывающий переход функции органа из состояния относительного покоя к деятельному состоянию или от активной деятельности к состоянию покоя.

Коррекция позволяет управлять деятельностью органа, осуществляющего физиологическую функцию в автоматическом режиме или инициированную поступлением управляющих сигналов.

Координация предусматривает согласование работы нескольких органов или систем одновременно для получения полезного приспособительного результата.

Механизмы управления делятся на гуморальный и нервный. Гуморальный механизм предусматривает изменение физиологической активности органов и систем под влиянием химических веществ, доставляемых через жидкие среды организма.

Для гуморального механизма управления характерны относительно медленное распространение и диффузный характер управляющих воздействий.

Нейрогуморальный механизм управления - комбинированная форма, в которой одновременно используются гуморальный и нервный компоненты.

Средства управления.

Управление физиологическими функциями осуществляется посредством передачи информации. Она передается по афферентным (чувствительным) каналам связи. Информация, передаваемая по эфферентным (исполнительным) каналам связи, содержит информацию о том, какие функции и в каком направлении следует изменять.

Гуморальный механизм в качестве средств управления и передачи информации использует химические вещества - продукты обмена веществ.

Формы управления.

Гуморальный и нервный механизмы предусматривают использование нескольких форм управления. Аутокринная, паракринная и телекринная формы характерны для более древнего механизма.

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

Паракринная форма управления основана на выделении клетками химических средств управления в межтканевую жидкость. Химические субстраты, распространяясь по межтканевым пространствам, управляют функцией клеток, расположенных на некотором удалении от источника управляющих воздействий.

Телекринная форма управления реализуется при выделении биологически активных веществ в кровь. С током крови эти вещества достигают всех органов и тканей.

В основе нервного механизма управления лежит рефлекс - ответная реакция организма на изменения внутренней и внешней среды, осуществляемая при участии ЦНС.

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

Центральные рефлексы протекают с обязательным вовлечением различных уровней ЦНС (от спинного мозга до коры большого мозга).

Условные рефлексы вырабатываются в процессе развития и повседневной жизнедеятельности и служат основой для реализации управления по принципу прогнозирования.

1. ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Федеральное государственное образовательное учреждение высшего и профессионального образования С

Сущность процессов управления в живых системах
Управление в живых системах
- совокупность действий, производимых
над органами и системами, с целью
достижения
положительного
для
организма результата.
Процессы управления в живых системах
6

Сущность процессов управления в живых системах
Регуляция управление деятельностью органа
(системы),
работающего
в
автономном
режиме,
за
счет
процессов торможения или активации
(например, усиление или торможение
частоты сердечных сокращений).
Процессы управления в живых системах
7

Сущность процессов управления в живых системах
Инициация управление,
при
котором
происходит
запуск
деятельности
органа,
не
обладающего
автоматией
(например,
инициация деятельности скелетных мышц).
Процессы управления в живых системах
8

9. Координация -

Сущность процессов управления в живых системах
управление, при котором
деятельность
нескольких
систем, направленная на
положительного результата.
согласуется
органов
и
достижение
Процессы управления в живых системах
9

10. Уровни управления

Сущность процессов управления в живых системах
1. Местный
а) по типу нервной регуляции за счет наличия
в органах периферической рефлекторной дуги;
б) по типу гуморальной регуляции, когда
участниками процесса являются метаболиты;
в) за счет использования свойств
регулируемого объекта.
Процессы управления в живых системах
10

11. Уровни управления

Сущность процессов управления в живых системах
2. Нервный уровень – управление с помощью
структур ЦНС:
а)
соматической
нервной
системы
–
управление
деятельностью
скелетной
мускулатуры и анализаторов;
б) автономной (вегетативной) нервной
системы –управление деятельностью
внутренних органов.
Процессы управления в живых системах
11

Сущность процессов управления в живых системах
Уровни управления
3. Гуморальный – управление деятельностью
органа или системы через специфические
рецепторы различных гормонов и других
биологически
активных
веществ
(БАВ),
расположенные в соответствующем органемишени.
Процессы управления в живых системах
12

13. Структуры, обеспечивающие процессы управления

Сущность процессов управления в живых системах
центральная нервная система,
эндокринные железы,
БАВ-продуцирующие клетки,
управляемые органы и системы.
Процессы управления в живых системах
13

14. Особенности нервной и гуморальной регуляторных систем

Особенности нервной и гуморальной регуляции
Нервная система
Гуморальная система
нервный импульс
гормон, БАВ
адресная передача
импульса
быстрая передача
информации
малоинерционная
широкий диапазон мишеней
получает информацию из
внешней и внутренней
среды
получает информацию
только из внутренней среды
медленная передача
информации
инерционная
Процессы управления в живых системах
14

15. Принципы управления в живых системах

по рассогласованию
(по ошибке),
по возмущению,
по прогнозированию.
Процессы управления в живых системах
15

16. Функциональная система

Принципы управления в живых системах
- динамическая
структура,
представленная
совокупностью
различных органов и
систем организма,
формирующаяся для
достижения полезного
результата.
Процессы управления в живых системах
16

17. Принципиальная схема функциональной системы (по Анохину, 1968)

Принципы управления в живых системах
М – доминирующая мотивация; П- память;
ОА – обстановочная афферентация; ПА –пусковая афферентация;
ПР – принятие решения; ПД – программа действия;
АРД – акцептор результатов действия; ЭВ –эфферентное возбуждение;
Д –действие; Рез. – результат; Пар. рез. - параметры результата;
О. Афф. – обратная афферентация.
Процессы управления в живых системах
17

18. Двигательная система

Структура
Подкорковые и корковые
мотивационные зоны
Ассоциативные зоны коры
Базальные ганглии
Мозжечок
Таламус
Двигательная кора
Ствол мозга
Спинномозговые нейроны
Моторные единицы
Функция, выполняемая
Роль структуры в
изолированной структурой осуществлении движения
Побуждение к действию
План
Замысел действия
Схемы целенаправленных
движений (врожденные и
приобретенные)
План
Схемы целенаправленных
движений (врожденные и
приобретенные)
Регуляция позы
Моно- и
полисинаптические
рефлексы
Длина и напряжение
мышц
Программа
Программа и ее
выполнение
Выполнение
Выполнение
Выполнение
18

Лекция 1 7 .

Термодинамика живых систем. Жизнь как информационный процесс.

1. Термодинамика живых систем.

2. Управление и регуляция в живых системах.

2.1. Задачи управления и регулирования

2.2. Информационные связи внутри организма

2.3. Цели и специфика управления в живых системах

1. Термодинамика живых систем

Состояние живых систем в любой момент времени (динамическое состояние) характерно тем, что элементы системы постоянно разрушаются и строятся заново. Этот процесс носит название биологического обновления. Для обновления элементов в живых системах требуется постоянный приток извне веществ и энергии, а также вывод во внешнюю среду тепла и продуктов распада. Это означает, что живые системы обязательно должны быть открытыми системами. Благодаря этому в них создается и поддерживается химическое и физическое неравновесие. Именно на этом неравновесии основана работоспособность живой системы, направленная на поддержание высокой упорядоченности своей структуры (а. значит, на сохранение жизни) и осуществление различных жизненных функций. Кроме того, живая система, благодаря свойству открытости, достигает стационарности, т.е. постоянства своего неравновесного состояния.

В изолированной системе (такая система не обменивается с внешней средой веществом и энергией), находящейся в неравновесном состоянии происходят необратимые процессы, которые стремятся привести систему в равновесное состояние. Переход живо системы в такое состояние означает для нее смерть.

Таким образом, открытость – одно из важнейших свойств живых систем.

Весьма важным является вопрос о применимости законов термодинамики к живым системам.

I закон (начало) термодинамики. Первый закон термодинамики гласит: изменение энергии системы равно количеству тепла, полученному системой, плюс работа внешних сил, совершенная над системой

Для адиабатически изолированных ( Q = 0, то есть обмена теплом с внешней средой не происходит) и замкнутых (А = 0, то есть внешние силы отсутствуют) систем D E = 0. Последнее утверждение является законом сохранения энергии: при всех изменениях, происходящих в адиабатически изолированных и замкнутых системах полная энергия системы остается постоянной.

Если рассматривать термодинамическую систему, состоящую только из живой системы, то закон сохранения энергии неприменим, так как живая система является открытой. Для термодинамической системы, включающей в себя живую систему и среду, с которой система обменивается энергией и веществом, закон сохранения энергии выполняется. Действительно, как показали опыты, общее количество энергии, которое получает организм за некоторый промежуток времени, вновь обнаруживается впоследствии в виде:

а) выделяемого тепла;

б) в совершаемой внешней работе или выделяемых веществах;

в) в виде теплоты сгорания веществ, синтезированных за этот промежуток времени за счет энергии, поступившей извне.

II закон (начало) термодинамики. Второй закон термодинамики утверждает, что в изолированной термодинамической системе энтропия никогда не может уменьшаться. Она равна нулю при обратимых процессах и может только увеличиваться при необратимых процессах, то есть D S ³ 0 . Переход системы из неравновесного состояния в равновесное необратим, поэтому также D S ³ 0 .

Здесь есть также определенная связь с упорядоченностью системы, а также с информацией (большая упорядоченность соответствует большему количеству информации). Можно говорить при этом о единстве природы информации и энтропии. Действительно, увеличение энтропии соответствует переходу системы из более упорядоченного в менее упорядоченное состояние. Такой переход сопровождается уменьшением информации, содержащейся в структуре системы. Беспорядок, неопределенность можно трактовать как недостаток информации. В свою очередь возрастание количества информации уменьшает неопределенность.

Вспомним физический смысл энтропии. Все процессы, самопроизвольно протекающие в природе, необратимы и способствуют переходу системы в равновесное состояние, которое всегда характеризуется тем, что:

а) в процессе этого перехода всегда безвозвратно выделяется некоторая энергия и для совершения полезной работы она использована быть не может;

б) равновесном состоянии элементы системы характеризуются наименьшей упорядоченностью.

Отсюда следует, что энтропия является как мерой рассеяния энергии, так и, что сейчас для нас главное, мерой неупорядоченности системы.

Применение второго закона термодинамики к живым системам без учета того, что это открытые системы, приводит к противоречию. Действительно, энтропия должна всегда возрастать, то есть должна расти неупорядоченность живой системы. В то же время мы хорошо знаем, что все живые системы постоянно создают из беспорядка упорядоченность. В них создается и поддерживается физическое и химическое неравновесие, на котором основана работоспособность живых систем. В процессе развития каждого организма (ортогенеза), так же как и в процессе эволюционного развития (филогенеза) все время образуются новые структуры, и достигается состояние с более высокой упорядоченностью. А это означает, что энтропия (неупорядоченность) живой системы не должна возрастать. Таким образом, второй закон термодинамики, справедливый для изолированных систем, для живых систем, являющихся открытыми, неприменим.

Для открытых термодинамических систем изменение энтропии состоит из суммы

D S = D S_i + D S _е

где D S_i – изменение энтропии в ходе процессов, происходящих в самой живой системе, D S_e – изменение энтропии при обмене веществом и энергией с окружающей средой.

Согласно второму закону термодинамики величина D S_i может быть только положительной или в предельном случае (обратимые процессы) равна нулю. Величина dS_e может быть положительной ( D S_e > 0, система получает энтропию) и отрицательной ( D S_e D S_e D S_e | > | D S_i | :

D S = D S_i + D S_e

что означает увеличение упорядоченности в случае, когда систему покидает больше энтропии, чем возникает внутри ее в ходе необратимых процессов.

Рассмотрим производную энтропии по времени , которую называют скоростью изменения или производством энтропии. Из выражения для D S следует, что производство энтропии открытой системы:

Для стационарного состояния, когда неравновесность во времени не изменяется, производство энтропии должно быть равно нулю (производная от постоянной величины):

Это означает, что

т.е. энтропия, возникающая в ходе процессов, происходящих внутри системы (dS_i), должна полностью переходить во внешнюю среду.

Теорема Пригожина. Согласно теореме Пригожина, если открытую термодинамическую систему при неизменных во времени условиях предоставить самой себе, то прирост энтропии будет уменьшаться до тех пор, пока система не достигнет стационарного состояния динамического равновесия; в этом состоянии прирост энтропии будет минимальным, то есть .

Таким образом, мы можем сказать, что для открытой системы в стационарном состоянии производство энтропии минимально.

Для живых систем это означает следующее:

В течение времени жизни живой системы ее элементы постоянно подвергаются распаду. Энтропия этих процессов положительна (возникает неупорядоченность).

Для компенсации распада (компенсации неупорядоченности) должна совершаться внутренняя работа в форме процессов синтеза элементов взамен распавшихся. А это означает, что эта внутренняя работа является процессом с отрицательной энтропией (такие процессы называют негэнтропийными, а отрицательную энтропию – негэнтропией).

Негэйнтропийный процесс противодействует увеличению энтропии системы, которое связано с процессом распада и создает упорядоченность.

Источником энергии для совершения негэнтропийной внутренней работы являются:

Для организмов - гетеротрофов (питающихся только органической пищей) – энергия в виде химических связей и низкая энтропия поглощаемых высокоструктурированых органических веществ. В этом случае поглощаемые пищевые вещества обладают больше упорядоченностью (меньшей энтропией), чем выделяемые продукты обмена. Организмы гетеротрофы переносят упорядоченность (негэнтропию) из питательных веществ в самих себя.

Для организмов - автотрофов (самостоятельно синтезирующих для себя питательные вещества из неорганических соединений с участием солнечного излучения) – энергия солнечного света, представляющего электромагнитное излучение с низкой энтропией.

Таким образом, обмен веществ с точки зрения термодинамики необходим для противодействия увеличению энтропии, обусловленному необратимыми процессами в живой системе.

Итак, живая система является открытой системой, и ее энтропия не возрастает, как это имеет место в изолированной системе. Это означает, что живая система постоянно совершает работу, направленную на поддержание своей упорядоченности, и находится в неравновесном стационарном состоянии. Производство энтропии при этом (как следует из теоремы Пригожина) минимально.

Таким образом, с позиций термодинамики можно утверждать, что живым системам присущи процессы, уменьшающие энтропию систем и, следовательно, поддерживающие их организованность.

Прежде всего, рассмотрим две важнейшие функции организованных и управляющих систем – управление и регулирование.

2.Управление и регулирование в живых системах

2.1 Задачи управления и регулирования

Управление и регулирование – близкие понятия, однако, между ними есть определенная разница. Управление – функция организованных систем, обеспечивающая выполнение следующих задач:

· сохранение определенной структуры системы;

· поддержание режима деятельности системы;

· реализацию цели деятельности системы по определенному правилу (алгоритму).

Эти задачи решаются с помощью регулирования.

Регулирование – функция управляющих систем, обеспечивающая выполнение таких задач, как:

· поддержание постоянства регулируемой величины на некотором определенном уровне;

· изменение регулируемой величины по заданному закону (программное регулирование);

· изменение регулируемой величины в соответствии с ходом некоторого внешнего процесса (следящее регулирование).

Гомеостазис. В целом регулирование направлено на поддержание гомеостазиса – относительно динамического постоянства характеристик внутренней среды организма.

Гомеостазис обусловлен способностью живых систем вырабатывать реакции в ответ на изменение параметров внешней среды, которые исключают или сводят к минимуму последствия этих изменений (ср. с рассмотренным ранее принципом Ле-Шателье).

Задачи управления в живой системе, таким образом, состоят в том, чтобы как можно эффективнее отвечать на изменения, происходящие во внешней и внутренней ее среде, то есть нейтрализовать возмущающие воздействия на систему. Живая система решает задачу управления путем своевременной перестройки своей структуры в соответствии с изменившимися условиями. Иными словами, процесс управления является процессом упорядочения системы в соответствии с изменениями во внешней и внутренней среде с целью противодействия факторам дезорганизации. Этот процесс осуществляется с помощью элементов, входящих в состав самой системы.

В живых системах управляющие факторы воздействуют на систему не извне, а возникают в ней самой. Поэтому управление в живых системах является самоуправлением, процессы регулирования – процессами саморегулирования, а сами живые системы являются самоорганизующимися системами. Здесь уместно дать еще одно определение самоорганизации.

Самоорганизация – процесс, в ходе которого создается, поддерживается или совершенствуется организация сложной системы. Свойства самоорганизации присущи всем живым системам: клеткам, организмам, популяциям, биогеоценозам. Процессы самоорганизации происходят за счет перестройки существующих и образования новых связей между элементами системы. В самоорганизующихся системах приспособление к изменяющимся условиям или улучшение процесса управления достигается изменением структуры системы управления: включением или отключением элементов системы, изменением связей между элементами и их подчиненностью, изменением алгоритмов управления.

Уровни управления. В организме существует несколько уровней управления. Внутриклеточный механизм регуляции осуществляет биохимическую регуляцию в соответствии с генетической информацией, которая содержится на молекулярном уровне. Механизм тканевой регуляции– более высокий уровень регуляции, чем клеточный. Ткани взаимодействуют в рамках организма путем обмена определенными химическими веществами. Регулирует это взаимодействие еще один, более высокий уровень – железы внутренней секреции. Они вырабатывают гормоны, циркулирующие в крови, которые управляют организмом как целым.

Высший уровень регуляции – центральная нервная система , которая присутствует у всех много клеточных организмов. Она воздействует на все другие уровни регуляции.

Основой для процессов управления и регуляции является обмен информацией благодаря наличию информационных связей. Рассмотрим подробнее информационные связи внутри организма.

2.2 Информационные связи внутри организма

Гормональная связь. Гормон, то есть химический сигнал, по кровотоку посылает во все части организма, но только в определенные органы, способные принять данный сигнал, реагируют на него как приемники.

Нервные связи (только у многоклеточных организмов). Информационным параметром нервных связей служит частота следования импульсов. Частота импульсов увеличивается при росте интенсивности стимула.

Таким образом, процесс управления в информационном смысле носит антиэнтропийный характер: получая информацию об окружающей среде, живая система уменьшает информационную энтропию внутри себя, использует получаемую информацию для поддержания своей организованности.

2.3 Цели и специфика управления в живых системах

Цели управления в живых системах чрезвычайно разнообразны. В любой системе цель управления в общем виде заключается в достижении системой множества полезных для нее свойств при разнообразных внешних воздействиях. Здесь мы рассматриваем живые, биологические системы. Биологической системой, которой присущи все свойства живого и все задачи управления, является организм, в том числе одноклеточный. Клетка, хотя и самоуправляемая, не является автономной системой, так как регуляция в клетке подчинена организму.

Обратные связи. Важной стороной управления в живых системах является наличие обратных связей. Принцип обратных связей является одним из основных принципов самоуправления, саморегуляции и самоорганизации. Без наличия обратных связей процесс самоуправления невозможен. С помощью обратных связей сами отклонения объекта от заданного состояния формируют управляющие воздействия, которые приводят состояние объекта в заданное. Иными словами, обратная связь – это обратное воздействие результатов процесса на его протекание (см. рис. 1). Обратная связь может быть положительной и отрицательной.

Положительная обратная связь – такая обратная связь, когда результаты процесса усиливают его. Если же результаты процесса ослабляют его действие, говорят об отрицательной обратной связи.

Физиологическая кибернетика изучает процессы управления в живых организмах.

Управление осуществляется с использованием трех основных принципов:

1) по рассогласованию (отклонение);

2) по возмущению;

3) по прогнозированию.

Читайте также: