Регуляция биологических процессов

Подробности

Категория: Биология

Документальные учебные фильмы. Серия «Биология».

 Проблема изучения тех свойств биосистем, которые позволяют им в изменяющихся условиях окружения сохранять свою жизнедеятельность, поддерживая стационарное неравновесное состояние и обеспечивая постоянство внутренней среды. Причины интереса к сохранительным свойствам объектов живой природы различны для разных уровней организации жизни. На уровне организма и его систем интенсивное внимание к анализу сохранительных механизмов объясняется прежде всего освоением человеком новых сфер обитания — космоса, подводной среды, поскольку способность организма к самосохранению непосредственным образом связана с процессами его приспособления, адаптации к условиям обитания. Не меньшее значение имеет и прогресс медицинской науки — разработка и применение новых интенсивных методов лечения и протезирования все настойчивее требует точных количественных представлений о ресурсах и возможностях организма и его систем. Современные методы анестезиологии и реанимации, клинические методы интенсивной терапии, все большее освоение способов управляемого жизнеобеспечения призывают к анализу целостных свойств организма во всей сложности составляющих его систем. Целостность организма, его способность к самосохранению, обеспечивается механизмами регуляции, поддерживающими равновесие между отдельными системами организма и обеспечивающими его стационарное функционирование.
 Аналогичная картина наблюдается и на уровне сообществ организмов. Сохранительные механизмы экологических систем в последние годы все чаще оказываются недостаточно мощными перед давлением неблагоприятных факторов среды, все возрастающих по мере развития человеческой цивилизации. Сохранение живой природы становится насущной задачей развивающегося общества. Возникающие при этом проблемы оценки допустимых пределов вмешательства человека требуют внимательного изучения сохранительных свойств различных биосистем надорганизменного уровня — популяций, экосистем, ландшафтов.
 В перспективе возникает уже и вопрос о сохранительных свойствах и ресурсах биологических и социальных систем в масштабах планеты. «Биосферный мониторинг... должен обеспечивать наблюдения, контроль и прогноз возможных изменений уже не в региональном (экосистемном), а в глобальном масштабе, т. е. в отношении биосферы в целом как среды жизни всего человечества и ее изменений, вызванных деятельностью общества», — пишет И. П. Герасимов.
 Разными путями решаются задачи анализа сохранительных способностей биологических систем на различных уровнях организации жизни, но по мере развития биохимии, физиологии, экологии, разработки все более и более мощных и совершенных методов исследования постепенно проявляется определенная общность механизмов самосохранения объектов живой природы от клеточного и субклеточного до популяционного и экологического уровня. Все большую роль при анализе процессов самосохранения начинают играть количественные методы исследования, в том числе и методы теории управления.
 Самосохранение объектов живой природы является одним из основных свойств, лежащих в основе жизненных явлений. «Сохраняются только такие составляющие живой природы, в которых стремление к самосохранению выражено достаточно ярко», — писал А. А. Ляпунов.
 Понятие самосохранения имеет в применении к биологическим системам два аспекта. Прежде всего самосохранение биосистемы означает ее способность поддерживать в изменяющихся условиях функционирования и окружающей среды стационарное неравновесное состояние, т. е. обеспечивать энтропийный баланс в системе и баланс вещества и энергии. Другой, не менее важный аспект сохранительных свойств биосистем связан с поддержанием гомеостаза — постоянства существенных для жизнедеятельности системы переменных при наличии возмущений во внешней среде.
 Живые системы — это необычайно сложные формы, возникшие в результате долгого эволюционного процесса, с сильно выраженными способностями к адаптации, приспособлению и эволюции, обладающие иерархической структурой и представляющие собой интеграцию многих гетерогенных элементов и подсистем.
 Процессы управления в живых системах в своей основе имеют много общего с управлением в технических системах, сами конкретные методы классической теории управления должны применяться для анализа биосистем с большой осторожностью. Так, использование простой следящей системы в качестве модели гомеостаза в физиологических системах не позволяет дать сколько-нибудь полной картины процессов адаптации и приспособления. Применение такой простой модели для моделирования процессов в нервной системе может дать описание только самой элементарной ее функции — функции слежения у человека-оператора, и непригодно для описания других ее свойств. Можно ожидать, что новые методы, разработанные в теории управления, в ряде случаев будут более адекватным аппаратом исследования биосистем. В частности, применение метода пространства состояний, разработанного в теории управления в последние годы, позволяет по-новому осветить вопросы гомеостаза в физиологических системах.
 Метод пространства состояний требует использования матричного способа описания и исследования систем.
 Анализ сохранительных свойств живых систем проводится с применением метода пространства состояний, который, по-видимому, наиболее приспособлен для исследования целостных характеристик биосистем. Эффективность применения этого метода для анализа живых систем определяется двумя обстоятельствами. Именно введение в рассмотрение понятия состояния — описания «внутреннего» поведения системы при данных входах и выходах — и позволяет расширить биологические применения методов теории управления.
 Обстоятельство, позволяющее более широко применять метод пространства состояний для анализа многокомпонентных биологических систем, состоит в том, что используемые в нем матричные методы описания систем в равной степени применимы к линейным системам как малой, так и большой размерности.
 На организменном уровне анализ тех или иных систем и структур открывает перед исследователем практически неограниченное поле деятельности. Так, в отдельную ветвь давно выделилось исследование принципов и механизмов управления движениями. Другую не менее мощную ветвь составляет изучение моделей нервной системы — нейронов, нейронных систем и структур. Это — низший этаж процессов самосохранения, связанный со снабжением организма, его систем и органов веществами и энергией и с поддержанием постоянства условий жизнедеятельности во внутренней среде организмов — гомеостаза.
 Конечно, и механизмы высшего уровня (в частности, поведенческие реакции животного организма) участвуют в поддержании гомеостатического режима организма, накладываясь на механизмы вегетативного уровня. По словам К. Вилли, мотивированное поведение служит ответом на то или иное нарушение гомеостаза. Изучение взаимодействия вегетативных механизмов управления и механизмов, связанных с процессами в коре головного мозга животного организма.