Системы управления в биологии. Природа и регуляция внутренней среды

Организм можно определить как физико-химическую систему, существующую в окружающей среде в стационарном состоянии. Именно эта способность живых систем сохранять стационарное состояние в условиях непрерывно меняющейся среды и обусловливает их выживание. Для обеспечения стационарного состояния у всех организмов от морфологически самых простых до наиболее сложных – выработались разнообразные анатомические, физиологические и поведенческие приспособление, служащие одной цели – сохранению постоянства внутренней среды.

Клод Бернар постоянно подчеркивал различие между внешней средой, в которой живут организмы, и внутренней средой, в которой находятся их отдельные клетки, и понимал, как важно, что бы внутренняя среда оставалась неизменной. Млекопитающие способны поддерживать температуру тела, не смотря на колебания окружающей температуры, вступают в действие механизмы саморегуляции, которые повышают температуру тела и препятствуют теплоотдачи. Системы саморегуляции действуют не только на уровне организма, но и на уровне клеток.

В 1932 г. Американский физиолог Уолтер Кэннон ввел термин гомеостаз (от греч. Homoios – тот же; statis – стояние) для определения механизмов, поддерживающих и постоянство внутренней среды. Функции гомеостатических механизмов состоит в том, что они поддерживают стабильность клеточного окружения и тем самым обеспечивают независимость организма от внешней среды – в той мере, в какой эти механизмы эффективны.

Стабильность достигается благодаря определенной форме управления. Винер в 1948г. Дал науке об управлении название кибернетики (от греч. Cubernos – рулевой) Кибернетика занимается, в частности, общими закономерностями регулирования в живых и не живых системах.

Живые системы рассматриваются как открытые системы поскольку они нуждаются в постоянном обмене веществами с окружающей средой. Основные компоненты любой системы управления показаны на рисунке

Регулятор

Вход > Детектор > Заданная величина (установка) > эффектор > Выход

Модулятор

Основные компоненты системы управления.

Меры эффективности всякой управляющей системы является степень отклонения регулируемого параметра от оптимального уровня и скорость возвращения к этому уровню. Системы управления основаны на таком соединении их компонентов, при котором выход может регулироваться входом, т.е. они действуют по принципу обратной связи. В большинстве систем с обратной связью выход служит одновременно входом. Существует два вида обратной связи – отрицательная и положительная. Первая более распространена в гомеостатических системах живых организмов. Отрицательная обратная связь повышает стабильность системы. При нарушении равновесия системы возникает ряд последствий, которые приводят к устранению этого нарушения и к возвращению системы в исходное состояние.

Примером биологических механизмов с отрицательной обратной связью может служить регуляция напряжения дыхательных газов в крови, частоты сердечных сокращений, артериального кровяного давления, уровней гормонов и метаболитов в крови, водного и электролитного баланса, регуляция РН и температуры тела.

Роль отрицательной обратной связи в регулировании секреции тироксина щитовидной железой можно показать схемой:

Модулятор

Отрицательная обратная связь

Детектор (гипоталамус) ← Вход (тироксин)

↓ ↑

Регулятор (гипофиз) Тироксин в крови

↓ ↑

Эффектор (щитовидная железа) → Выход (тироксин)

Пример простой биологической системы управления: регуляция секреции тироксина.

В этом случаи модулятор состоит из трех компонентов – детектора, регулятора, эффектора.

Положительная обратная связь редко встречается в биологических системах, так как она приводит к не стабильности системы и экстремальным состояниям. Например, во время распространения нервного импульса деполяризация мембраны нейрона повышается ее проницаемость для Na+.

Ионы Na+ входят в аксон через мембрану и вызывают дальнейшую деполяризацию, которая приводит к возникновению потенциала действия. В этом случаи положительная обратная связь действует как усилитель ответа, величину которого ограничивают другие механизмы.

В организме существуют и более сложные регуляторные устройства. Эти механизмы включают дополнительные детекторы (физиологические системы раннего предупреждения) или дополнительные эффекторы (на случаи отказа основных), действующие на разных уровнях. Например, терморецепторы кожи, играющие роль детекторов окружающей температуры, посылают импульсы в гипоталамус, который выполняет функцию модулятора и вносит коррективы раньше, чем успевает измениться температура крови.

Внутреннюю среду организма и ее регуляцию можно рассматривать на двух уровнях – уровне клеток и уровне ткани.

Клетка содержит цитоплазму, состав которой модулируется избирательной проницаемости клеточной мембраны и активностью ферментов, зависящей от синтеза белков. Плазматическая мембрана позволяет проникать в клетки и выходить из них лишь определенным молекулам, и скорость обмена ими через мембрану строго регулируется возможностями диффузии, осмотическими градиентами.

В случае одноклеточных организмов не посредственным окружением является внешняя среда, которую они не как не могут контролировать. Если они обладают, какими то локомоторными механизмы, они могут перемещаться в более благоприятные условия. На сколько это возможно, они приспосабливаются к условиям существования и приобретают толерантность к ним.

Непосредственным окружением для клеток многоклеточных растений и животных служит межклеточная жидкость. У млекопитающих для всех живых клеток ближайшее окружение тканевая жидкость. Птицы и млекопитающие обладают наиболее совершенной регуляцией параметров тканевой жидкости – содержания в ней воды, газов, ионов, питательных веществ, гормонов, отходов метаболизма, РН и температуры. Эти параметры регулируются при участии одной или нескольких тканей, органов или систем органов.

У большинства животных механизм регуляции включает реакции со стороны желез внутренней секреции или нервной системы, которые координируются регуляторными центрами головного и спинного мозга.

Все метаболические системы работают наиболее эффективно лишь в узких пределах по обе стороны от оптимальных условий.