Жив ли Христос?
Воскрес ли Христос из мертвых?
Исследователи изучают факты

Иисус Христос объявил:
Я есмь Путь, и Истина, и Жизнь.
Кто же Он на самом деле ?

Важные Материалы о Жизни и Смерти.

Общие принципы регуляции живой системы

Живой организм

text_fields
text_fields
arrow_upward

О, бездна богатства и премудрости и ведения Божия!

Живой организм представляет собой, с одной стороны, сложней­шую многоэлементную систему, и с другой стороны, совокупность иерархически свя­занных систем. Под системой вообще понимают комплекс взаимозависимых, но в то же время относительно самостоятельных элементов или процессов, объединяемых выполнением определенной функции. Так, организм в целом во всем многообразии его взаи­мосвязей с внешней средой и выполняемых функций как самосто­ятельное образование является живой системой. В то же время организм представляет собой сложную иерархию (т.е. взаимосвязь и взаимоподчиненность) систем, составляющих уровни его организа­ции: молекулярный, субклеточный, клеточный, тканевой, органный, системный и организменный. Например, ядро клетки, сама клетка или такой орган как печень могут быть названы живыми или био­логическими системами.

Физиологическая регуляция

text_fields
text_fields
arrow_upward

Физиологической регуляцией называется активное управление функ­циями организма и его поведением для обеспечения требуемого обмена веществ, гомеостазиса и оптимального уровня жизнедеятель­ности с целью приспособления к меняющимся условиям внешней среды.

Функцией биологических систем, в том числе и организма в це­лом, называют их деятельность, направленную на сохранение целостности и свойств системы. Эта деятельность (функция) имеет определенные количественные и качественные характеристики (пара­метры), меняющиеся для приспособления к условиям среды.

При­способительные изменения параметров функции ограничены опреде­ленными границами гомеостазиса, за пределами которых происходит нарушение свойств системы или даже ее распад и гибель. Изменение параметров функций при поддержании их в границах гомеостазиса происходит на каждом уровне организации или в любой иерархической системе за счет саморегуляции, т.е. внутренних для системы механизмов управления жизнедеятельностью. Так, напри­мер, гладкая мышца кровеносных сосудов при растяжении повышает свой тонус, т.е. напряжение, противодействующее растяжению; рас­тяжение сердца притекающей в него по венам кровью вызывает усиление   его   сокращения   и   изгнание   большего   объема   крови   в артерии; уменьшение кровоснабжения ткани ведет к образованию в ней химических веществ, расширяющих артерии и восстанавлива­ющих тем самым приток крови. Такие механизмы саморегуляции получили  название  местных. Для осуществления функций организма в целом необходима вза­имосвязь и взаимозависимость функций составляющих его систем. Поэтому, наряду с внутренними механизмами саморегуляции систем в организме должны существовать и внешние для каждой из них механизмы регуляции, соподчиняющие и координирующие их де­ятельность. Например, для реализации функции перемещения в пространстве необходимо изменение деятельности не только скелет­ных мышц, но и кровообращения, дыхания, обмена веществ и т.п. Эти механизмы реализуются сформировавшейся в процессе эволю­ции  специализированной  системой  регуляции.

Организм является самоорганизующейся системой. Организм сам выбирает и поддерживает значения огромного числа параметров, меняет их в зависимости от потребностей, что позволяет ему обес­печивать наиболее оптимальный характер функционирования. Так например, при низких температурах внешней среды организм сни­жает температуру поверхности тела (чтобы уменьшить теплоотдачу), повышает скорость окислительных процессов во внутренних органах и мышечную активность (чтобы увеличить теплообразование). Чело­век утепляет жилище, меняет одежду (для увеличения теплоизоли­рующих свойств), причем делает это даже заранее, опережающе реагируя  на  изменения  внешней среды.

Основой физиологической регуляции является передача и перера­ботка информации. Под термином «информация» следует понимать все, что несет в себе отражение фактов или событий, которые произошли, происходят или могут произойти. Информация содержит количественные характеристики определенных параметров, поэтому для организма особую важность имеет ее объем. Одним из способов количественного выражения информации, принятых в информатике как науке и используемых в организме, является двоичная система. Единицей количества информации в таком случае является бит, характеризующий информацию, получаемую при выборе одного из двух вероятных состояний, например, «да — нет», «все — ничего», «быть — не быть» и т.п. Материальным носителем информации является сигнал, в форме которого и переносится информация. Это могут быть как физические, так и химические сигналы, например, элект­рические импульсы, форма молекулы, концентрация молекул и т.д.

Наглядным примером двоичной системы выражения информации в организме является процесс возбуждения клетки под влиянием раз­дражителя; передача возбуждения по нервам в виде серии электри­ческих потенциалов (импульсов) с различиями лишь в числе им­пульсов в серии (пачке) и продолжительностью межимпульсных (межпачечных) интервалов. Таков один из способов кодирования информации в нервной системе. Могут быть и другие способы кодирования, например, генетический код структуры ДНК, струк­турное  кодирование  чужеродности  белковых  молекул.

Переработка информации осуществляется управляющей системой или системой регуляции. Она состоит из отдельных элементов, связанных информационными каналами (рис.3.1).

Блок-схема системы регуляции
Рис.3.1. Блок-схема системы регуляции.
Двойные рамки и стрелки — основные элементы,
одинарные рамки и стрелки — звенья регуляции по возмущению и отклонению.

Среди элементов выделяются:

  • управляющее устройство (центральная нервная система);
  • входные и выходные каналы связи (нервы, жидкости внутренней среды с инфор­мационными молекулами веществ);
  • датчики, воспринимающие инфор­мацию на входе системы (сенсорные рецепторы);
  • образования, распо­лагающиеся на исполнительных органах (клетках);
  • воспринимающие информацию выходных каналов (клеточные рецепторы).

Часть управля­ющего устройства, служащая для хранения информации, называется запоминающим устройством или аппаратом памяти. Характер перера­ботки поступающих сигналов зависит от той информации, которая записана в аппарате памяти системы регуляции.

Иерархическая структура регуляции физиологических функций

text_fields
text_fields
arrow_upward

Вся система регуляции физиологических функций организма пред­ставляет  собой иерархическую структуру трех  уровней.

Первый или низший уровень системы регуляции состоит из отно­сительно автономных локальных систем, поддерживающих физиоло­гические константы, задаваемые собственными метаболическими потребностями или более высокими уровнями регуляции. Так под­держивается, например, осмотическое давление крови, вентиляцион-но-перфузионные отношения в легких, тканевой кровоток. Для реализации механизмов этого уровня не обязательны сигналы из управляющего устройства центральной нервной системы, они обес­печиваются местными реакциями и носят поэтому название «мест­ная  саморегуляция».

Второй уровень системы регуляции осуществляет приспособитель­ные реакции в связи с изменениями внутренней среды. На этом уровне задается величина физиологических параметров, которые в дальнейшем могут поддерживаться системами первого уровня. Здесь подбирается оптимальный режим работы физиологических систем для адаптации организма к внешней среде. Например, выполнение фи­зической работы или даже подготовка к ней требует увеличенного снабжения мышц кислородом, что обеспечивается усилением внеш­него дыхания, поступлением в кровь депонированных эритроцитов и повышением артериального давления.

Третий или высший уровень системы регуляции обеспечивает вы­работку критериев оценки состояния внутренней и внешней среды, настройку режимов работы первого и второго уровней, гарантиру­ющих в итоге изменение вегетативных функций и поведения орга­низма  с  целью  оптимизации  его  жизнедеятельности.

Регуляции по возмущению и по отклонению

text_fields
text_fields
arrow_upward

На всех трех уровнях структурной организации системы регуляции возможны два типа регуляции: по возмущению и по отклонению.

Регуляция по возмущению

Регуляция по возмущению (саморегуляция по входу) системы (рис.3.1) возможна только для открытых систем, имеющих связи с внешней средой. Этот тип регуляции включается в тех случаях, когда на живую систему оказывает воздействие внешний для нее фактор, меняющий условия  ее  существования.

Например, регуляция дыхания обычно обеспечивает оптимальную для метаболизма клеток взаимосвязь процессов газообмена в легких, транспорта газов кровью и газообмена крови с клетками в тканях. Физическая же нагрузка, не являющаяся частью структуры приве­денной системы (внешняя для нее), представляет собой возмуща­ющее воздействие и, поскольку физическая нагрузка ставит новые условия в виде повышенной потребности мышц в кислороде, реали­зуется регуляция по возмущению, меняющая интенсивность состав­ляющих дыхание  процессов.
В том же примере регуляция дыхания по возмущению возникает при изменении состава атмосферного воздуха или его давления. Она отличается опережающим характером реагирования, т.е. эф­фект возмущающего воздействия прогнозируется и организм зара­нее к нему готовится. Так, активация системы дыхания при фи­зической нагрузке  происходит до  того,  как  усиленно  работающие мышечные клетки начинают испытывать недостаток кислородного обеспечения и для того, чтобы не допустить их кислородного го­лодания .

Регуляция по отклонению

Регуляция по отклонению (саморегуляция по выходу системы) обеспечивается сравнением имеющихся параметров реакции физио­логических систем с требующимися в конкретных условиях, опреде­лением степени рассогласования между ними и включением испол­нительных устройств для устранения этого рассогласования. Част­ным примером регуляции по отклонению является поддержание фи­зиологических констант внутренней среды. Стоит только отклонить­ся от заданного уровня и повыситься в крови напряжению углекис­лого газа из-за недостаточного его удаления через легкие или по­вышенного образования в тканях, как начнут реализовываться регуляторные механизмы. Речь идет о комплексе реакций первого, второго и третьего уровней, необходимых для устранения этого сдвига: образование углекислоты и бикарбоната натрия, связывание водородных ионов буферными системами, повышение выведения протонов через почки, активация дыхания для выведения углекис­лого газа во внешнюю среду.

Регуляция по отклонению требует наличия канала связи между выходом системы регуляции и ее центральным аппаратом управле­ния (рисЗ.1) и даже между выходом и входом системы регуляции. Этот канал получил название обратной связи.

По сути, обратная связь есть процесс влияния результата действия на причину и механизм этого действия.

Именно обратная связь позволяет регуляции по отклонению работать в двух режимах: компенсационном и слеже­ния.

Компенсационный режим обеспечивает быструю корректировку рассогласования реального и оптимального состояния физиологических систем при внезапных влияниях среды, т.е. оптимизирует ре­акции организма.
При режиме слежения регуляция осуществляется по заранее заданным программам, а обратная связь контролирует соответствие параметров деятельности физиологической системы за­данной программе. Если возникает отклонение — реализуется компенсационный режим.

Эффект обратной связи всегда запаздывает, т.к. она включает компенсационный режим уже после того как произошло рассогла­сование. Поэтому в центральном аппарате управления системы ре­гуляции обычно заложен еще один механизм контроля, позволяю­щий получать информацию не об уже полученных параметрах де­ятельности, а осуществляющий сравнение сигналов, посылаемых к исполнительным устройствам, с сигналами, требуемыми для задан­ной программы. Этот механизм контроля свойственен третьему уров­ню системы регуляции и осуществляется центральной нервной сис­темой.

По конечному эффекту регуляции обратная связь может быть положительной и  отрицательной.

Положительная обратная связь

Положительная обратная связь означает, что выходной сигнал системы регуляции усиливает входной, активация какой-либо функ­ции вызывает усиление механизмов регуляции еще больше  ее активирующих. Такая обратная связь усиливает процессы жизнеде­ятельности. Например, прием пищи и поступление ее в желудок усиливают отделение желудочного сока, необходимого для гидро­лиза веществ. Появляющиеся в желудке и частично всасывающиеся в кровь продукты гидролиза в свою очередь стимулируют сокоот­деление, что ускоряет и усиливает дальнейшее переваривание пищи. Однако положительная обратная связь часто приводит систему в неустойчивое состояние, способствует формированию «порочных кругов», лежащих в основе многих патологических процессов в организме.

Отрицательная обратная связь

Отрицательная обратная связь означает, что выходной сигнал уменьшает входной, активация какой-либо функции подавляет ме­ханизмы регуляции, усиливающие эту функцию. Отрицательные об­ратные связи способствуют сохранению устойчивого, стационарного состояния системы. Благодаря им, возникающее отклонение регули­руемого параметра уменьшается и система возвращается к первона­чальному состоянию. Например, под влиянием паратирина (гормона околощитовидных желез) в крови возрастает содержание ионизиро­ванного кальция. Повышенный уровень катиона тормозит секрецию паратирина, усиливает поступление в кровь кальцитонина (гормона щитовидной железы), под влиянием которого уровень кальция сни­жается  и  его  содержание  в  крови  нормализуется.

Отрицательные обратные связи способствуют сохранению стабиль­ности физиологических параметров внутренней среды при возмуща­ющих воздействиях внешней среды, т.е. поддерживают гомеостазис. Они работают и в обратном направлении, т.е. при уменьшении параметров включают системы регуляции повышающие их и тем самым  обеспечивающие  восстановление  гомеостазиса.

Описанные особенности регуляции жизнедеятельности способству­ют надежности живых  систем.

Иисус Христос объявил: Я есмь Путь, и Истина, и Жизнь. Кто же Он на самом деле ?

Жив ли Христос? Воскрес ли Христос из мертвых? Исследователи изучают факты