РЕГУЛИРОВАНИЕ в биологических системах

РЕГУЛИРОВАНИЕ в биологических системах — совокупность процессов, направленных на поддержание определенной структуры биологической системы на обеспечение необходимых режимов ее функционирования и на достижение системой определенных целей. Принципы Р. распространяются также на социальные, технические и др. системы.

Часто термин «регулирование» отождествляется с термином «управление». В частности, при описании биологических систем термины «управление» и «регулирование» часто выступают как синонимы, причем предпочтительнее используется второй из них. В то же время в технической литературе Р. рассматривается, как правило, как частный случай управления, когда цель функционирования системы ограничивается стабилизацией регулируемого сигнала в объекте, т. е. поддержанием его равенства нек-рой заданной величине.

Рис. 1. Общая схема системы регулирования: система состоит из двух подсистем — регулирующей подсистемы (Р) и объекта управления (О). Управляющие воздействия вырабатываются в регулирующей подсистеме на основе информации о целях управления, возмущающих воздействиях (например, о состоянии среды) и о состоянии объекта управления, получаемой с помощью обратной связи (указано стрелкой от О к Р).

Система регулирования (рис. 1) в общем виде разделяется на две подсистемы — управляющую и управляемую. Управляемая подсистема обычно называется объектом управления, управляющая — регулирующей подсистемой, или регулятором. Получая информацию о целях управления, возмущающих воздействиях и о состоянии объекта, регулятор вырабатывает управляющие сигналы, к-рые поступают на объект управления и изменяют его состояние в нужном направлении. Под возмущающими воздействиями понимаются любые сигналы или помехи, нарушающие функциональную связь между сигналами, поступающими на управляющее устройство, и сигналами, информирующими о состоянии объекта управления.

Эта общая схема эффективно описывает управление в системах любой природы, однако при анализе биологических систем надо учитывать, что как объект, так и регулятор представляют собой весьма сложные, находящиеся во взаимодействии специфические комплексы.

Принципы построения систем управления и закономерности протекания в них процессов изучает теория автоматического управления (ТАУ). Первоначально она развивалась как чисто техническая наука — теория автоматического регулирования (ТАР), для к-рой характерна задача стабилизации в простых одноконтурных системах, т. е. задача автоматического регулирования. В ТАУ эта задача входит как составная часть проблемы обеспечения должного функционирования сложных многоконтурных систем в меняющихся условиях окружающей среды. После того как американский ученый — создатель кибернетики Винер (N. Wiener) высказал идею об общности процессов управления в технике, экономике и живых организмах, сфера применения методов ТАУ резко расширилась. В наиболее общем виде управление в сложных системах независимо от их природы изучается в кибернетике (см.).

В биосистемах (см. Биологическая система), жизнедеятельность к-рых основана на непрерывном обмене веществ, создании запаса и расходовании энергии, эффективное использование энергетических ресурсов возможно лишь при наличии достаточно совершенных систем регулирования. Р. в них осуществляется на всех уровнях организации — от клеточного до целостного организма и надорганизменных систем (экосистем, биосферы в целом). Для каждого из этих уровней характерны специфические механизмы Р., хотя они имеют и многие общие черты. По-видимому, наиболее эффективны и разнообразны механизмы Р. на уровне целостного организма, а также его отдельных физиологических систем и органов. Сложность и совершенство Р. на этом уровне определяется тем, что ведущую роль здесь приобретает нервная система (см.), на к-рую ложатся основные функции управления в организме. Сложные механизмы Р., координирующие процессы жизнедеятельности и поведение целостного организма, совмещаются и с простейшими механизмами ауторегуляции отдельных переменных, входящими в качестве элементов в единую систему Р. в организме (см. Биологическая система, ауторегуляция в биологических системах).

Рис. 2. Упрощенная блок-схема потоков веществ, энергии и информации в организме животного. Получая из окружающей среды стимулы и возмущения, организм отвечает на них соответствующими реакциями (обозначено стрелками). Все элементы организма (управляющие и исполнительные) получают энергию от энергетической системы (ЭС) в соответствии со своими потребностями, а управляющая система (УС) определяет, какие процессы и с какой скоростью должны идти в ЭС для того, чтобы поддерживать необходимый режим функционирования систем организма.

На рис. 2 приведена схема потоков движения веществ, энергии и информации в организме животного, в ней выделены два главных компонента: объект управления, к-рым является энергетическая система — совокупность метаболических процессов, протекающих в клетках организма, обеспечивающая потребности всех органов и тканей в веществах и энергии, и управляющая система, к-рая определяет, какие метаболические процессы и с какой скоростью должны протекать в организме.

Механизмы Р. в биосистемах разделяются на пассивные и активные. Пассивные механизмы кдк бы «встроены» в общую систему управления, их регулирующее действие определяется, по выражению Берталанффи (L. Bertalanffy), «взаимодействием элементов, составляющих саму систему». Пассивное Р. свойственно многим физиологическим системам. В частности, снижение температуры тела в холодовых условиях приводит к уменьшению разности температур между поверхностью тела и средой. А поскольку потери тепла за счет теплопроводности, конвекции и радиации в силу физических законов определяются именно этой разностью, то темпы теплопотерь автоматически снижаются. Пассивный характер «встроенных» механизмов такого рода означает, что при заданной организации живой системы их управляющее действие осуществляется «пассивно» за счет функционирующих систем без специального расхода метаболической энергии.

Практически во всех биосистемах на внутренние механизмы Р. накладываются внешние механизмы, состоящие из специальных элементов, структурно выделяемых из системы. Эти механизмы являются активными, поскольку осуществление ими управляющих функций требует от системы дополнительных метаболических затрат. В частности, механизмы ц. н. с., реагируя на снижение температуры тела, увеличивают темп теплопродукции и посредством сосудистых реакций снижают темпы теплоотдачи, что в целом приводит к сохранению теплового баланса и предотвращает понижение температуры тела. Характерный ответ системы на понижение температуры среды приводит к увеличению расхода метаболической энергии, которая идет на осуществление процесса активной терморегуляции (см.).

Основным средством достижения целей Р. является обратная связь (см.), заключающаяся в том, что выходной, регулируемый сигнал о состоянии объекта управления поступает обратно на вход системы — в управляющее устройство. Относительно меньшую роль в биосистемах играет так наз. прямая связь, при к-рой регулятор вырабатывает управляющие воздействия непосредственно на основании информации о возмущении (см. рис. 1).

С помощью управляющих механизмов в биосистемах могут регулироваться переменные двух типов — либо количества или концентрации (уровни) нек-рых веществ, либо скорости (темпы) протекания тех или иных процессов, в т. ч.— скорости биохим. реакций. Как темпы этих процессов, так и уровни поддержания веществ в организме регулируются целой системой механизмов через определенные исполнительные органы. Так, окислительные процессы в тканях управляются целенаправленными изменениями дыхательного объема, жизненной емкости легких, объема резервного воздуха, глубины вдоха, частоты дыхания, ударного объема сердца, частоты сердечных сокращений, объемной скорости кровотока, величины сопротивления сосудов, количества гемоглобина в крови, величины кислородной емкости крови, эритропоэза и т. д.

Р. в физиологических системах организма направлено на достижение целого ряда результатов (см. Функциональные системы). Р. здесь осуществляется путем мобилизации резервов и целесообразного изменения скорости регулируемых процессов, направленных на возмещение скорости расхода веществ в среднем за какой-то период времени. Поддержание постоянства уровней веществ означает сохранение внутренних условий, стабильность внутренней среды организма, т. е. гомеостаз (см.).

Впервые две указанные цели Р. в организме были сопоставлены И. М. Сеченовым, к-рый писал, что «Приход и расход минеральных веществ равны между собой, и это есть, конечно, ручательство за то, что содержание этих веществ в организме является постоянным».

Рис. 3. Графическое изображение типичной зависимости регулируемых переменных внутренней среды организма от внешних условий: 1 — область условий внешней среды, в которой механизмы управления обеспечивают как стационарное неравновесие в системе, так и гомеостаз (плато на кривой означает относительное постоянство внутренней среды). При выходе за пределы этой области (2) гомеостаз системы нарушается, т. к. переменные внутренней среды могут измениться при изменении внешних условий. При попадании в экстремальные условия (3) механизмы управления уже не в состоянии обеспечить стационарность, и жизнь возможна лишь в течение короткого интервала времени — вплоть до исчерпания накопленных в организме запасов веществ, необходимых для обеспечения жизнедеятельности (обозначено пунктиром).

Результаты деятельности регуляторных механизмов в организме иллюстрируются рис. 3, на к-ром приведена характерная зависимость переменных внутренней среды живого организма от внешних условий. Такая зависимость известна для изменения температуры, концентраций кислорода в крови и тканях, осмотической концентрации и других переменных внутренней среды организма (см.). Чем лучше организована система регулирования, тем шире область гомеостаза по каждой из взаимосвязанных переменных, тем лучше в пределах этой области поддерживается постоянство внутренней среды.

В качестве иерархически еще более высокой цели Р. можно назвать максимальное повышение эффективности и наилучшее качество функционирования. Часто при формализованном описании процессов Р. в биосистемах эта цель определяется как достижение оптимальности системы.

Новые перспективы в теоретическом и практическом применении теории Р. в биосистемах связано с возникновением нового типа биокибернетических управляемых систем — искусственных органов (см.) и активных систем индивидуального защитного снаряжения (см. Скафандр). Интенсивно развиваются методы Р. режима сахара крови (так наз. искусственная поджелудочная железа), гемосорбции (см), решается сложнейшая задача создания искусственного сердца. Начинается внедрение в практику теплового защитного снаряжения с активным охлаждением или подогревом. При управлении сложными системами такого рода и искусственными органами возникает новый тип биокибернетических систем, в к-рых вся совокупность физиологических механизмов Р. тесно взаимодействует с искусственными (техническими) средствами и устройствами управления.

См. также Система, Управление.




Библиография: Новосельцев В. Н. Теория управления и биосистемы, М., 1978; Сеченов И. М. Избранные произведения, с. 34, М., 1958; Теория систем и биология, пер. с англ., под ред. В. И. Кринского, с. 7, М., 1971; В е г-talanffy L. General system theory, N. Y., 1969; Milsum J. H. a. Outer-bridge J. S. Homeostasis, control theory and cybernetics, в кн.: Med. engineering, ed. by Ch. D. Ray, p. 90, Chicago, 1974.



Популярные статьи

Источник: Большая Медицинская Энциклопедия (БМЭ), под редакцией Петровского Б.В., 3-е издание

Поделиться: