Лекция 1. Текст

Тема 1. Введение: идея и смысл процесса регуляции в живых системах.
1. Регуляция – важнейшее свойство живой системы. Уровни регуляции функций
живой системы.
2. Регуляция с позиции медицинской кибернетики: принципы и способы управления.
3. Регуляция с позиции общей теории информации. Основные элементы
регуляторной системы.
4. Природа информационных посредников в регуляторных процессах.
1. Организм как единое целое может существовать только при условии, когда
составляющие его органы и ткани функционируют с такой интенсивностью и в таком
объеме, которые обеспечивают адекватное уравновешивание со средой обитания. По
словам И. П. Павлова, живой организм — сложная обособленная система, внутренние
силы которой постоянно уравновешиваются с внешними силами окружающей среды. В
основе уравновешивания лежат процессы регуляции, управления физиологическими
функциями.
Регуляция, или управление, в живых организмах представляет собой совокупность
процессов, обеспечивающих необходимые режимы функционирования, достижение
определенных целей или полезных для организма приспособительных результатов.
Управление возможно при наличии взаимосвязи элементов живой системы друг с другом
и с окружающей средой, независимо от сложности организации живой системы: от
вирусов и прокариот до биосферы.
Процессы регуляции охватывают все уровни организации системы: молекулярный,
субклеточный, клеточный, органный, системный, организменный, надорганизменный
(популяционный, экосистемный, биосферный). Соответственно, можно выделить
несколько уровней функционирования регуляторных систем: субклеточный, клеточный,
суборганизменный, организменный и надорганизменный. Один способ регуляции не
исключает другой, регуляторные системы образуют сложную сеть иерархически
связанных процессов.
Законы управления в сложных системах изучает кибернетика — наука об общих
принципах управления в машинах, живых системах и обществе. Медицинская,
физиологическая кибернетика изучает процессы управления в живых организмах.
2. С позиций медицинской кибернетики, управление в живых организмах
осуществляется управляющей системой. Она включает в себя датчики, воспринимающие
информацию на входе (сенсорные рецепторы) и выходе (рецепторы исполнительных
структур) системы, входные и выходные каналы связи (жидкие среды организма, нервные
проводники), 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.
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. Эта разность используется для выработки регулирующего
воздействия на объект регуляции, которое уменьшает величину отклонения. Примером
такого управления является стимуляция образования глюкозы при уменьшении ее
содержания в крови. Это уменьшение определяется клетками гипоталамуса, которые
стимулируют выработку адренокортикотропного гормона в гипофизе. Последний
усиливает образование глюкокортикоидов (кортизола) в надпочечниках. Кортизол
стимулирует в печени образование глюкозы из аминокислот (глюконеогенез), что
приводит к восстановлению нормального содержания глюкозы в плазме крови.
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. Увеличение частоты и глубины дыхания, скорости
кровотока, количества эритроцитов в крови отражает процессы регуляции по
возмущению, направленные на восстановление исходных показателей содержания
кислорода.
Способы управления в организме.
Основные способы управления в живом организме предусматривают запуск
(инициацию), коррекцию и координацию физиологических процессов.
Запуск представляет собой процесс управления, вызывающий переход функции
органа от состояния относительного покоя к деятельному состоянию или от активной
деятельности к состоянию покоя. Например, при определенных условиях центральная
нервная система инициирует работу пищеварительных желез, фазные сокращения
скелетной мускулатуры, процессы мочевыведения, дефекации и др.
Коррекция позволяет управлять деятельностью органа, осуществляющего
физиологическую функцию в автоматическом режиме или инициированную
поступлением управляющих сигналов. Примером может служить коррекция работы
сердца центральной нервной системой посредством влияний, передаваемых по
блуждающим и симпатическим нервам.
Координация предусматривает согласование работы нескольких органов или систем
одновременно для получения полезного приспособительного результата. 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.
3. Регуляция возможна при условии переноса информации о состоянии внутренней
или внешней среды от одних элементов (частей) живой системы к другим. Проблемы
информационного обмена между элементами системы, интересовали и представителей
точных и технических дисциплин. В 1947-49 годах зародилась и кибернетика (Н.Винер, У.
Росс Эшби), и теория информации (К.Шеннон, Г.Кастлер). Для них характерны общие
подходы, как к живым, так и к техническим и языковым системам. Теория информации
дает возможность охарактеризовать системы передачи информации в некотором
сообщении и измерить ее количество. Любая система, участвующая в информационном
обмене, состоит из следующих обязательных компонентов:
Источник
информации
Передатчик
(кодирование)
Канал
передачи
Приемник
(декодер)
Адресат
Эта схема весьма удобна для понимания принципов регуляции на разных уровнях
организации живых систем.
4. Источник информации посылает адресату информацию посредством
информационного агента. Информационными агентами могут выступать потоки энергии
(свет, др. виды э/м излучения, давление, температура), потоки вещества (химические
соединения специфического или неспецифического действия) и потоки информации
(напр., генетическая информация – для живых материальных систем).