Кибернетические основы гомеостаза кратко

Обновлено: 05.07.2024

Кибернетика –наука, устанавливающая общие принципы управления саморегулирующимися системами. Живые организмы также являются саморегулирующимися системами, и поэтому к ним применимы все кибернетические понятия и принципы регуляции.

Обратная связь

Блок-схема кибернетической системы.

В основе работы кибернетической системы лежит процесс передачи и обработки информации. В работу системы постоянно вносятся коррективы, характер которых зависит от тех отклонений, которые наблюдаются на входе. Для живых организмов входными сигналами служат пища, вода, свет, звук, температура. Выходные сигналы – реакция органа или ткани, выделение секрета и т.д. Важным элементом кибернетической системы является обратная связь – влияние выходного сигнала на блок управления. Различают отрицательную и положительную обратную связь.

Отрицательная обратная связь – направлена на восстановление исходного состояния кибернетической системы, в случае ее отклонения от нормы.

Пример: работа термостата.

Положительная обратная связь – направлена на усиление возникшего отклонения кибернетической системы от исходного состояния.

Пример: кровотечение из крупного сосуда, рост организма в онтогенезе.

Отличительные особенности нервной и гуморальной регуляции гомеостаза

Нервная регуляция:

– высокая скорость наступления ответной реакции;

– реакция носит локальный характер.

Гуморальная регуляция

(обеспечивается выделением в кровь гормонов):

– реакция наступает медленно;

– реакция носит разлитой характер.

Таким образом, обе системы в целостном организме дополняют друг друга.

В основе функционирования нервной и эндокринной систем лежит принцип действия отрицательной обратной связи.

Рассмотрим работу нервной системы на примере регуляции рН крови:

межреберные мышцы (учащение дыхания)

В качестве сигнала для внесения изменения в работу организма как кибернетической системы служит содержание гормона в крови. Одни железы эндокринной секреции (поджелудочная железа, паращитовидные железы, эпифиз) сами реагируют на содержание гормона, а другие (щитовидная, половые, кора надпочечников) – через переднюю долю гипофиза, которая вырабатывает четыре гормона: соматотропный, тиреотропный, адренокортикотропный, гонадотропный.

Рассмотрим примеры работы эндокринной системы.

Регуляция содержания тироксина в крови:

Снижение тироксина в крови

усиление выработки тиреотропного гормона

усиление функции щитовидной железы

увеличение содержания тироксина

Регуляция осмотического давления плазмы крови:

Повышение потребления воды

снижение осмотического давления плазмы

задняя доля гипофиза

снижение секреции антидиуретического гормона (АДГ)

уменьшение проницаемости дистального извитого канальца

выделение разведенной (обильной) мочи

повышение осмотического давления плазмы

В целостном организме обе регуляторные системы работают слаженно. Интеграция их действия осуществляется в гипоталамусе. Он богат центрами вегетативной нервной системы: терморегуляции, голода, жажды, водно-солевого обмена, половой активности. Здесь же имеются клетки, вырабатывающие нейрогормоны (релизинг-факторы): либерины и статины.

Взаимодействие нервной и эндокринной систем можно рассмотреть на примере стрессовой реакции организма (реакции на сильный или длительный по времени действия раздражитель):

Раздражитель

повышение сопротивляемости организма

Биологические ритмы

Все живые организмы наряду с пространственной организацией имеют временную характеристику. Деятельность всех систем организма представлена в виде отдельных замкнутых циклов, например, дыхание: вдох – выдох, 12-14 раз в минуту; сердечный цикл: систола – диастола, 0,8 секунд; перистальтика желудка: одно сокращение длится от нескольких десятков минут до 1-1,5 часов. Установлено, что ритмичность протекания многих функций организма находится в тесной связи с колебаниями во внешней среде: смена дня и ночи, времена года, изменение солнечной активности, вращение луны и т.д.

Экономическая сущность инвестиций - Экономическая сущность инвестиций – долгосрочные вложения экономических ресурсов сроком более 1 года для получения прибыли путем.
Тема: Федеральный закон от 26.07.2006 N 135-ФЗ - На основании изучения ФЗ № 135, дайте максимально короткое определение следующих понятий с указанием статей и пунктов закона.
Сущность, функции и виды управления в телекоммуникациях - Цели достигаются с помощью различных принципов, функций и методов социально-экономического менеджмента.
Схема построения базисных индексов - Индекс (лат. INDEX – указатель, показатель) - относительная величина, показывающая, во сколько раз уровень изучаемого явления.
Тема 11. Международное космическое право - Правовой режим космического пространства и небесных тел. Принципы деятельности государств по исследованию.

Гомеостаз в живом организме проявляется в относительном постоянстве таких показателей, как рН, осмотическое давление, химический состав крови, артериальное давление, температура, постоянстве биологических структур.

Гомеостаз на уровне целостного организма может быть функциональным (постоянство функций) и структурным (постоянство структур).

Постоянство показателей внутренней среды организма носит относительный характер, т.к. всегда имеются небольшие отклонения от нормы. Эти колебания необходимы для того, чтобы служить сигналами для включения регуляторных механизмов.

Механизмы регуляции гомеостаза имеют место на всех уровнях биологической организации: от молекулярно-генетического до организменного. Они многообразны, однако работают слаженно, т.к. контролируются регуляторными системами: нервной, эндокринной, иммунной. Таким образом, механизмы регуляции гомеостаза носят системный характер.

В основе любого заболевания лежит нарушение гомеостаза, а лечение – его восстановление.

Кибернетические основы регуляции гомеостаза

Кибернетика – наука, устанавливающая общие принципы управления саморегулирующимися системами. Живые организмы также являются саморегулирующимися системами, и поэтому к ним применимы все кибернетические понятия и принципы регуляции.

Обратная связь Блок-схема кибернетической системы.

В основе работы кибернетической системы лежит процесс передачи и обработки информации. В работу системы постоянно вносятся коррективы, характер которых зависит от тех отклонений, которые наблюдаются на входе. Для живых организмов входными сигналами служат пища, вода, свет, звук, температура. Выходные сигналы – реакция органа или ткани, выделение секрета и т.д. Важным элементом кибернетической системы является обратная связь–влияние выходного сигнала на блок управления.Различают отрицательную и положительную обратную связь.

Отрицательная обратная связь– направлена на восстановление исходного состояния кибернетической системы, в случае ее отклонения от нормы.

Пример: работа термостата.

Положительная обратная связь– направлена на усиление возникшего отклонения кибернетической системы от исходного состояния.

Пример: кровотечение из крупного сосуда, рост организма в онтогенезе.

Отличительные особенности нервной и гуморальной регуляции гомеостаза Нервная регуляция:

высокая скорость наступления ответной реакции;

реакция носит локальный характер.

Гуморальная регуляция

(обеспечивается выделением в кровь гормонов):

реакция наступает медленно;

реакция носит разлитой характер.

Таким образом, обе системы в целостном организме дополняют друг друга.

Рассмотрим работу нервной системы на примере регуляции рН крови:

межреберные мышцы (учащение дыхания)

Под кибернетикой понимают науку о целенаправленном и оптимальном управлении сложными процессами, происходящими в живой природе, в человеческом обществе или промышленности (А. И. Берг, 1963).

Биологические ритмы и их значение в медицине.

Биологические ритмы — колебания смены и интенсивности процессов и физиологических реакций. В их основе лежат изменения метаболизма биологических систем, обусловленные влиянием внешних и внутренних Факторов. Факторы, которые влияют на ритмичность процессов, происходящих в живом организме, получили определение "синхронизаторы", или "датчики времени".

К внешним факторам относятся: изменение освещенности (фотопериодизм), температуры (термопериодизм), магнитного поля, интенсивности космических излучений, приливы и отливы, сезонные и солнечно-лунные влияния; социальные влияния, характерные для человека.

К внутренним факторам относятся нейрогуморальные процессы, протекающие в определенном, наследственно закрепленном темпе и ритме.

Ритмы, независимые от внешних синхронизаторов, называются эндогенными. Ритмы, формирующиеся под влиянием внешних синхронизаторов, т.е. факторов внешней среды, идентифицированы как экзогенные. Для большинства биоритмов характерна эндогенность генерирования, малая изменчивость установившейся длительности циклов на протяжении онтогенеза.

Ритмы формируют внешние синхронизаторы. Ярким примером формирования эндогенных ритмов под влиянием синхронизаторов внешней среды является влияние на новорожденного ребенка с его эндогенными ритмами таких синхронизаторов, как свет, звук, пища и др., а по мере развития ребенка усиливается роль социальных факторов. Сравнительно быстро у ребенка формируется суточный 24-часовой ритм физиологических процессов.

Диапазон периодов биоритмов широкий: от миллисекунд до нескольких лет. Их можно наблюдать, в отдельных клетках, в целых организмах или популяциях. Для большинства ритмов, которые можно наблюдать в ЦНС или системах кровообращения и дыхания, характерна большая индивидуальная изменчивость. Другие эндогенные ритмы, например овариальный цикл, проявляют малую индивидуальную, но значительную межвидовую изменчивость. Существуют также четыре циркаритма, периоды которых в естественных условиях не меняются, т.е. они синхронизированы с такими циклами внешней среды, как приливы, день и ночь, фазы Луны и время года. С ними связаны приливные, суточные, лунные и сезонные ритмы биологических систем. Каждый из указанных ритмов может поддерживаться в изоляции от соответствующего внешнего цикла. В этих условиях ритм протекает "свободно", со своим собственным, естественным периодом.

Современные концепции биосферы. Учение В.И Вернадского о биосфере.

В. И. Вернадский придал концепции биосферы биогеохимический смысл, понимая под биосферой не только живые организмы, но и среду.

Он выделил в биосфере 7 разных, но геологически взаимосвязанных типов веществ:

1) живое вещество (совокупность организмов);

2) биогенное вещество (результат деятельности живых организмов - горючие ископаемые, известняки и т.п.); 3) косное вещество (образуемое процессами, в которых живые организмы не участвуют, например, изверженные горные породы); 4) биокосное вещество (создаётся одновременно живыми организмами и абиогенными процессами неживой природы, например, почва); 5) радиоактивное вещество; 6) рассеянные атомы; 7) вещество космического происхождения (метеориты, космическая пыль).

Исходя из того, что биосфера организована по системному принципу, а также того, что в основе её функционирования лежат круговороты веществ и энергии, сформулированы несколько современных концепций биосферы: биохимическая, биогеоценотическая, кибернетическая, термодинамическая. Биогеоценотическая концепция, например, рассматривает биосферу как сложноорганизованную систему биогеоценозов (динамическую целостную систему организмов разных видов, тесно связанных со средой их обитания), биохимическая концепция - как систему моделей геохимических циклов биогенных элементов.

Биосфера охватывает часть атмосферы до озонового слоя (20-25 км) и часть литосферы, особенно кору выветривания и всю гидросферу. В литосфере область распространения жизни во многом определяется уровнем проникновения воды в жидком состоянии: живые организмы обнаружены до глубины 7,5 км.

Многоклеточный организм человека возникает при слиянии сперматозоида и яйца в единственную клетку – зиготу, содержащую 46 хромосом. Затем из зиготы, путем митотического деления, вырастает полноценный организм из огромного числа разнообразных клеток. В ядре каждой их этих десятков триллионов клеток есть все те же 46 хромосом (46 молекул нуклеопротеидов). При этом последовательность нуклеотидов в ДНК ядра зиготы и ДНК ядра любой клетки (печени, кожи, мозга) одинаковы. Но тогда возникает вопрос, почему клетки нашего организма не похожи друг на друга и почему они выполняют разные функции.

Серьезный шаг по решению этой проблемы был сделан Жакобом и Моно. Они выдвинули гипотезу о том, что у бактерий гены (участки молекулы ДНК, несущие элементарную функционально значимую информацию) работают в клетке не одновременно. Большую часть времени большая часть генов выключена "отдыхает", небольшая часть генов включена "работает". Главный механизм включения и выключения генов Жакоб и Моно связали с понятием о генах-операторах, белках репрессорах и индукторах.

По гипотезе Жакоба-Моно, перед обычным структурным геном находится ген-оператор, обеспечивающий фиксацию фермента РНК-полимеразы (участок для непосредственного присоединения РНК полимеразы называется промотор) и начало транскрипции. Обычно, с геном-оператором связан белок-репрессор и в таком состоянии фермент РНК-полимераза не может связаться с геном оператором и начать считывать информацию структурных генов ДНК (рис. 1).

Рисунок 1. Выключенное (исходное) состояние структурных генов.

Ген-оператор структурные гены

└───────────┘ - белок-репрессор

╚════════╩═╝ - РНК-полимераза

Чтобы начать процесс считывания информации (транскрипцию), надо освободить ген-оператор от белка-репрессора. Роль "освободителя" берет на себя молекула-индуктор (дерепрессор). Индуктор связывается с белком-репрессором и отрывает его от гена-оператора (рис. 2 а и 2 б).

Рисунок 2 а. Связывание индуктора с белком-репрессором.

Ген-оператор структурные гены

╞═══════════╡ - белок-репрессор

└───────────┘ - индуктор

╚════════╩═╝ - РНК-полимераза

Рисунок 2 б. Освобождение гена-оператора от белка-репрессора (дерепрессия).

Ген-оператор структурные гены

┌───────────┐ - белок-репрессор

└───────────┘ - индуктор

╚════════╩═╝ - РНК-полимераза

Теперь ген-оператор свободен и к нему прикрепляется фермент РНК-полимераза, начиная транскрипцию – синтез м-РНК. Структурные гены включаются, и начинается транскрипция и трансляция (рис. 3).

Рисунок 3. Структурные гены включены, идет биосинтез белка.

Ген-оператор структурные гены

РНК-полимераза

┬┬┬┬┬┬┬┬┬┬┬┬┬┬┬┬┐ - белок-продукт

При накоплении достаточного количества белка-продукта происходит реакция его взаимодействия с комплексом индуктор – белок-репрессор. При этом молекулы индуктора разрушаются. Белок-репрессор освобождается (рис. 4).

Рисунок 4. Разрушение молекулы индуктора и освобождение белка-репрессора.

Белок-репрессор

Индуктор

Белок-репрессор

└───────────┘ ┬┬┬┬┬┬┬┬┬┬┬┬┬┬┬┬┐ - белок-продукт-терминатор индуктора

└──┘└───────┘ -распад индуктора

В заключении освобожденный белок-репрессор вытесняет РНК-полимеразу со своего "законного" места и закрывает подход к структурным генам. Тем самым, процесс биосинтеза белка прекращается – структурные гены выключаются – переходят в исходное состояние (рис. 5).

Рисунок 5. Выключенное (исходное) состояние структурных генов

Ген-оператор структурные гены

└───────────┘ - белок-репрессор

╚════════╩═╝ - РНК-полимераза

Гипотеза Жакоба-Моно была обоснована результатами исследования культуры кишечной палочки, жившей на питательной среде с глюкозой. При пересадке ее на питательную среду с лактозой скорость роста колонии снижалась, но затем восстанавливалась после включения гена, ответственного за синтез ферментов расщепляющих лактозу. В этом случае, индуктором была сама лактоза, а реактиватором белка-репрессора был белок-продукт (фермент для расщепления лактозы).

У более сложных эукариотов и многоклеточных организмов включение и выключение генов может опосредоваться несколькими промежуточными веществами и медиаторами нервной системы. Тем не менее, общая схема регуляции активности генов остается подобной той, что описана у Жакоба и Моно.

Дальнейшие исследования по клонированию лягушки (Гёрдон) и млекопитающих, доказали определяющее значение белков-репрессоров и индукторов в индивидуальном развитии особей.

Открытие системы белков-репрессоров, контролирующих большую часть структурных генов, и принципиальная возможность их дерепрессии открывает перед медицинской генетикой фантастические перспективы. Если научиться избирательно включать и выключать определенные гены, то можно, например, восстанавливать у больных людей любые органы и даже ампутированные конечности.

Понятие о гомеостазе. Кибернетические основы поддержания гомеостаза.

Живые организмы подчиняются общим закономерностям кибернетики (науки об управлении), открытым Норбертом Винером (1948).

Стационарное состояние любой живой системы создает оптимальные условия для выживания в изменяющихся условиях среды обитания.

Гомеостаз – это постоянство внутренней среды организма.

Адаптация (приспособление) – это система механизмов, поддерживающих гомеостаз.

Классическая схема кибернетической регуляции живой системы состоит из 4 главных элементов (рис. 6): 1-входа, 2-модулятора, 3-выхода 4-обратной связи (отрицательной или положительной).

Рисунок 6. Элементы кибернетической системы.

МОДУЛЯТОР

ВХОД ──│ детектор + регулятор + эффектор │── ВЫХОД

ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ │

Модулятор – центральное звено кибернетической системы состоит из 3 частей.

Детектор - устройство контроля состояния системы (осморецепторы раздражаются ионами Na + ).

Регулятор- устройство для анализа информации и выработки ответа на сигнал от детектора (гипоталамус раздражается и выделяет антидиуретический гормон – АДГ).

Эффектор – устройство обеспечения ответной реакции (почки под воздействием АДГ увеличивают обратную реабсорбцию воды).

Выход – это результат реагирования модулятора системы на отклонении ее параметра от стационарного состояния (появление чувства жажды и утоление его водой).

Обратная связь – влияние выхода на вход (увеличение воды в организме снижает влияет на концентрацию соли в крови).

Обратная связь может быть отрицательной (не значит, что плохой) и положительной (не значит, что хорошей).

Отрицательная обратная связь препятствует отклонению системы от стационарного состояния, уменьшая ("-") отклонение по модулю. Ее результат: восстановлен исходный уровень параметра.

Так, для нормальной работы организма необходимо поддерживать концентрацию глюкозы в крови на уровне около 4 мМоль/л (3,6 - 5,5) - это исходный уровень – стационарное состояние. Повышение или снижение концентрации глюкозы называют отклонением от исходного уровня параметра гомеостаза. После этого, в живом организме включаются механизмы, которые могут вернуть концентрацию глюкозы к исходному значению.

Например, если человек съел сладкое или мучное, то уровень глюкозы в крови повышается. Включается парасимпатическая нервная система и вырабатывается гормон инсулин, который переводит глюкозу из крови в клетки (снижение концентрации глюкозы в крови).

Наоборот, когда при физической нагрузке (затрата энергии и уменьшение концентрации глюкозы в крови) включается симпатическая нервная система, в ответ вырабатывается адреналин и переводит глюкозу из депо (гликоген в печени) в кровь (концентрация глюкозы в крови повышается).

В обоих случаях система возвращается в исходное стационарное состояние.

Например, при больном сердце уменьшается кровоток во всех органах, в том числе, через почки. Снижение почечного кровотока раздражает юкста-гломерулярные клетки почек, которые вырабатывают гормон ренин. Ренин запускает систему, которая задерживает в организме воду и суживает артерии. При этом нагрузка на сердце возрастает, и оно еще хуже выбрасывает кровь. Но, чем слабее работает сердце, тем меньше кровоток через почки и они выбрасывают еще больше ренина, а чем больше ренина, тем труднее сердцу. Формируется порочный круг болезни. В результате, при отсутствии лечения больной умирает от сердечнососудистой недостаточности.

Однако возникновение положительной обратной связи не всегда приводит к плохим последствиям. Считается, что потенциал действия в нервных и мышечных клетках является нормальным процессом, который запускается по механизму положительной обратной связи. Небольшая частичная деполяризация мембраны может включить механизм перезарядки мембраны – основу нормальных электрофизиологических процессов организма.

Фармакологические принципы регуляции больных организмов основаны на знании кибернетических механизмов их физиологической регуляции. Эти принципы включают применение средств действующих на рецепторы (адреномиметики, холиномиметики, адреноблокаторы, холинолитики), транспорт ионов через мембраны (блокаторы кальциевых каналов), концентрацию гормонов (глюкокортикоиды) и т. п.

Важным примером нарушения гомеостаза является изменение рН - водородного показателя – главного показателя кислотно-щелочного равновесия в клетках организма. Нормальное функционирование клеток и всего организма возможно только при строго определенных значениях рН. Так в клетках границы нормы для водородного показателя укладываются в промежуток от 7,2 до 7,4. Сдвиг рН в кислую сторону (рН 7,4) называют алкалоз. В обоих случаях происходит изменение концентрации ионов водорода и нарушение работоспособных структур белковых молекул. Органические молекулы перестают выполнять свои функции, что приводит к тяжелым нарушениям здоровья и гибели организмов.

Поддержание гомеостаза рН обеспечивают буферные системы организма (гемоглобиновая, гидрокарбонатная, фосфатная, белково-аминокислотная) и некоторые органы (почки, легкие). Эти системы и органы препятствуют изменению рН, связывая ионы водорода (Н + ) или гидроксил-ионы (ОН - ). Так, например, при активной физической работе в клетках сердца возникает недостаток кислорода и накапливается молочная кислота. Она диссоциирует с образованием ионов водорода. Возникает угроза ацидоза и инфаркта миокарда. Но молочная кислота действует и на артерии сердца - они расширяются. Это приводит к улучшении доставки кислорода, а в его присутствии молочная кислота окисляется до углекислого газа и воды. Концентрация ионов водорода возвращается к норме. Углекислый газ и вода удаляются легкими и почками. В этом случае гомеостаз не нарушается.

Нарушение правильной последовательности отдельных нуклеотидов в молекуле ДНК или РНК называют точковыми мутациями. Они возникают при действии мутагенных факторов: физических (ионизирующая радиация), химических (лекарства), биологических (вирусы).

Возможны 4 типа точковых мутаций.

1. Замещение. Место одного нуклеотида заменяет другой.

…ААА ТТТ ЦАЦ ЦГА ГГГ . - норма

…ААТ ТТТ ЦАЦ ЦГА ГГГ . - мутация

Последствия замещения (для собираемой белковой молекулы):

а - возникновение стоп-кодона и прекращение сборки белка

б - замена одной аминокислоты (ААЦ-Асн ААА-Лиз)

в - сборка нормального белка, если замещение попало на вырожденный код (ААА-Лиз ААГ-Лиз)

2. Инверсия (вращение). Соседние нуклеотиды меняются местами

…ААА ТТТ ЦАЦ ЦГА ГГГ . - норма

…ААТ АТТ ЦАЦ ЦГА ГГГ . - мутация

Последствия инверсии (для собираемой белковой молекулы):

а - возникновение стоп-кодона и прекращение сборки белка

(УАЦ ААА-Тир Лиз УАА ЦАА-стоп Глн)

б - замена двух аминокислот (ААА ЦЦЦ-Лиз Про ААЦ АЦЦ-Асн Тре)

в - замена одной аминокислоты, если инверсия между соседними триплетами у одного из них попала на вырожденный код

(ААА ГГГ-Лиз Гли ААГ АГГ-Лиз Арг)

г - сборка нормального белка, если инверсия между соседними триплетами обоих нуклеотидов попала на вырожденный код

(ЦЦЦ АГГ-Про Арг ЦЦА ЦГГ-Про Арг)

3. Вставка. В последовательность нуклеотидов вставляется новый лишний нуклеотид

…ААА ТТТ ЦАЦ ЦГА ГГГ. - норма

…ААА ЦТТ ТЦА ЦЦГ АГГ Г. - мутация

Последствия вставки (для собираемой белковой молекулы):

а - возникновение стоп-кодона и прекращение сборки белка (УАЦ ААА-Тир Лиз УАА ЦАА А стоп-Глн)

б - сдвиг рамки триплетного кода и сборка бессмысленного белка

. ААА УУУ ЦАЦ ЦГА ГГГ. - Лиз Фен Гис Арг Гли…

. ААА ЦУУ УЦА ЦЦГ АГГ Г. - Лиз Лей Сер Про Арг…

4. Выпадение (делеция). Из последовательности нуклеотидов теряется нормальный нуклеотид

Последствия вставки (для собираемой белковой молекулы):

а - возникновение стоп-кодона и прекращение сборки белка (УАЦ ААА-Тир Лиз УАА АА- стоп-)

б - сдвиг рамки триплетного кода и сборка бессмысленного

. ААА УУУ ЦАЦ ЦГА ГГГ. - Лиз Фен Гис Арг Гли…

. ААА УУЦ АЦЦ ГАГ ГГ. - Лиз Фен Тре Глу…

Редким видом последствий (для собираемой белковой молекулы) любого вида точковой мутации может быть исчезновение стоп-кодона.

Для реального организма любая мутация, ведущая к нарушению последовательности нуклеотидов, может иметь 3 физиологических последствия:

2 - болезнь, но возможно она проявится через несколько поколений;

3 - нет заметных изменений здоровья, если изменилась часть белка, не имеющая важного функционального значения.

Читайте также: