Принцип автоматической регуляции в живых системах - Лекция, раздел Физика, РАЗДЕЛ I. БИОФИЗИКА МЕМБРАН Управление (Регулирование) - Процесс Изменения Состояния Или Режима Фу...
Управление (регулирование) - процесс изменения состояния или режима функционирования системы в соответствии с поставленной перед ней задачей.
Всякая система содержит управляющую часть и исполнительную часть (рис. 10.2).
Рис. . Простейшая схема системы управления.
По линии прямой связи управляющая часть посылает в соответствии с заданием в исполнительную часть команды. По линии обратной связи в управляющую часть поступают сведения из исполнительной части о выполнении команд. Например, головной мозг (управляющая часть) посылает команды мышцам, а по каналам обратной связи в головной мозг поступают сведения о выполнении команды (например, о соответствующем двигательном акте).
Биологические объекты относятся к саморегулируемым системам. Саморегулируемые системы такие, которые обладают способностью поддерживать свое состояние или режим функционирования на определенном заданном уровне при непредвиденных внешних воздействиях.
Рис. 10.3.Система регулирования по возмущению
Теория автоматического регулирования выделяет два ocновных способа регулирования: регулирование по возмущению и регулирование по отклонению. Система регулирования (рис.10.3) по возмущению позволяет устранить результаты непредвиденного внешнего воздействия на систему с целью coxранить заданный режим функционирования. Для этого система должна содержать в своей памяти информацию о возможных последствиях возмущения.
Примером регулирования по возмущению является система терморегуляции организма, основанная на сигналах кожных терморецепторов об изменении температуры окружающего воздуха.
Другим распространенным видом регулирования является регулирование по отклонению.
Рис. 10.4.Система регулирования по отклонению
В случае регулирования по отклонению управляющая часть вырабатывает команды, вызывающие изменения в системе, компенсирующие отклонения от заданного функционирования в системе.
Датчик передает по каналу обратной связи сведения о режиме функционирования системы в аппарат сравнения, в котором они сравниваются с заданными параметрами, в случае отклонения от задания (рассогласования) управляющая часть вырабатывает команды, устраняющие отклонения. Обратные связя - необходимое условие процессов саморегуляции. Обратная связь передает информацию о результате функционирования системы в управляющую часть. Различают положительные и отрицательные обратные связи.
Положительные обратные связи приводят к выработке команд, ведущих к увеличению отклонения системы от первоначального состояния. Например, всасывание желудком продуктов переваривания белков приводит к увеличению сокоотделения («аппетит приходит во время еды»). В то же время некоторые патологии развиваются с участием положительных обратных связей. Например, ослабление сердечной деятельности может приводить к закупорке сосудов, что в свою очередь вызывает еще большее ослабление сердечной деятельности.
Отрицательные обратные связи вызывают команды, стремящиеся уменьшить отклонения в системе. Регулирование по отклонению осуществляется с использованием отрицательных обратных связей. Например, при перегреве организма усиливается потоотделение, учащается дыхание, что приводит к увеличению теплоотдачи в окружающую среду и понижению температуры организма.
Биологические системы обладают способностью менять задание, программу, определяющую результат их функционирования, в целях улучшения результата деятельности или приспособления к резким изменениям условий внешней среды.
Механизм приспособления организма к меняющимся условиям называется гомеостазом. Гомеостаз обеспечивает поддержание в организме условий постоянного функционирования процессов метаболизма: постоянство температуры, рН, давления и т.д. Более строго, параметры во внутренней среде организма непостоянны. Они совершают колебания около средних значений: сезонные, суточные, за цикл дыхания, сердечного сокращения и т.д. Поддержание колебаний параметров системы на постоянном уровне (по амплитуде и частоте) называется гомеокинезом.
Рассмотрим в качестве примера упрощенную схему терморегуляции теплокровных организмов (рис. 10.5).
Рис.10.5. Схема терморегуляции теплокровных организмов
Информация о температуре тела организма поступает в центр терморегуляции головного мозга вместе с омывающего кровью. При отклонении от заданной температуры вырабатываются команды в исполняющую часть для компенсации отклонения. Это регуляция по отклонению при помощи отрицательной обратной связи. Кроме того, осуществляется регуляция по возмущению на основе сведений об изменении температуры окружающего воздуха, поступающих от кожных терморецепторов. Команды из центра терморегуляции поступают в аппарат теплопродукции (в основном тепло вырабавает печень, мышцы) и в аппарат тепловыделения (кожа, сосуды, потовые железы, легкие). Так, при перегреве организма уменьшается теплообразование и усиливаются процессы тепловыделения в основном посредством испарения воды с пoверхности кожи и легких.
Все темы данного раздела:
Основные функции биологических мембран
Элементарная живая система, способная к самостоятельному существованию, развитию и воспроизведению - это живая клетка - основа строения всех животных и растений. Важнейшими условиями существования
Структура биологических мембран
Первая модель строения биологических мембран была предложена в 1902 г. Было замечено, что через мембраны лучше всего проникают вещества, хорошо растворимые в липидах, и на основании этого было сдел
Фазовые переходы липидов в мембранах
Вещество при разных температуре, давлении, концентрациях химических компонентов может находиться в различных физических состояниях, например газообразном, жидком, твердом, плазменном. Кристаллическ
Тема: ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ
При всем многообразии строения и физико-химических свойств молекул проникающих веществ можно выделить два механизма перемещения веществ через мембрану;
1) посредством простой диффузии, т.е
Пассивный перенос веществ через мембрану
Пассивный транспорт - это перенос вещества из мест с большим значением электрохимического потенциала к местам с его меньшим значением.
Пассивный транспорт идет с уменьшением энергии Гиббса
Активный транспорт веществ. Опыт Уссинга
Активный транспорт - это перенос вещества из мест с меньшим значением электрохимического потенциала в места с его большим значением.
Активный транспорт
Электрогенные ионные насосы
Согласно современным представлениям, в биологических мембранах имеются ионные насосы,работающие за счет свободной энергии гидролиза АТФ, - специальные системы интег
Вторичный (сопряжённый) активный транспорт.
Унипорт
Антипорт
Симпорт
(пасс
Липидные поры: стабильность и проницаемость мембран
Бимолекулярный слой фосфолипидов составляет основу любой клеточной мембраны. Непрерывность его определяет барьерные и механические свойства клетки. В процессе жизнедеятельности непр
Типы управляемых каналов.
1) Потенциалоуправляемые каналы.
«Ворота» канала системой «рычагов» соединены с диполе
Структура ионного канала.
Ион-селективный канал состоит из следующих частей : погруженной в бислой белковой части, имеющей субъединичное строение; селективного фильтра, образованного отрицательно заряженными атомами кислоро
Механизм генерации потенциала действия кардиомиоцита
Потенциал действия мышечной клетки сердца отличается от потенциала действия нервного волокна и клетки скелетной мышцы прежде всего длительностью возбуждения - деполяризации (рис).
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ОРГАНОВ
Функционирование живых клеток сопровождается возникновением трансмембранных электрических потенциалов. Клетки, образуя целостный орган, формируют сложную картину его электрической а
Внешние электрические поля органов. Принцип эквивалентного генератора
При переходе от клеточного уровня на органный, возникает задача описания распределения электрических потенциалов на поверхности этого органа в результате последовательного возбуждения отдельных его
Физические основы электрокардиографии
Наибольшее распространение в медицинской практике в стоящее время получило изучение электрической активности сердца - электрокардиография.
Экспериментальные данные пока
Метод исследования электрической активности головного мозга — электроэнцефалография
Регистрация и анализ временных зависимостей разностей потенциалов, созданных мозгом на поверхности головы, используется для диагностики различных видов патологии нервной системы: травм, эпилепсии,
Автоколебания и автоволны в органах и тканях
Процессы, которые повторяется во времени, называют колебаниями. В биологических объектах наблюдаются колебания различных видов на всех уровнях их организации. Так, в клетках
Основные свойства автоволн в АС.
1. Автоволна распространяется без затухания.
2. Автоволны не интерферируют и не отражаются от препятствий.
3. Направление распространения автоволны определяется зонами рефрактерно
Ревербератор в среде с отверстием
На основе методов математического моделирования была показана возможность существования принципиально иного механизма циркуляции автоволн в активных средах.
Рассмотрим процесс в плоской од
Контакты между клетками.
БИОФИЗИКА МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ
Мышечная активность - это одно из общих свойств высокоорганизованных живых организмов. Вся жизнедеятельность человека связана с мышечной активностью. Независимо от назначения, особе
Структура поперечно-полосатой мышцы. Модель скользящих нитей
Мышечная ткань представляет собой совокупность мышечных клеток (волокон), внеклеточного вещества (коллаген, эластин и др.) и густой сети нервных волокон и кровеносных cocyдов. Мышцы по строению дел
Биомеханика мышцы
Мышцы можно представить как сплошную среду, то есть среду, состоящую из большого числа элементов, взаимодействующих между собой без соударений и находящихся в поле внешних сил. Мышца одновременно о
Уравнение Хилла. Мощность одиночного сокращения
Зависимость скорости укорочения от нагрузки Р является важнейшей при изучении работы мышцы, так как позволяет выявить закономерности мышечного сокращения и его энергетики. Она была подробно изучена
Электромеханическое сопряжение в мышцах
Электромеханическое сопряжение - это цикл последовательных процессов, начинающийся с возникновения потенциала действия ПД на сарколемме (клеточной мембране) и заканчивающийся сократительным ответом
Реологические свойства крови
Реология (от греч. rheos - течение, поток, logos - учение) -это наука о деформациях и текучести вещества. Под реологией крови (гемореологией) будем понимать изучение биофизических осо
Основные законы гемодинамики
Гемодинамика - один из разделов биомеханики, изучающий законы движения крови по кровеносным сосудам. Задача гемодинамики - установить взаимосвязь между основными гемодинамическими показателями, а т
Биофизические функции элементов сердечно-сосудистой системы
В 1628 г. английский врач В. Гарвей предложил модель сосудистой системы, где сердце служило насосом, прокачивающим кровь по сосудам. Он подсчитал, что масса крови, выбрасываемой сердцем в артерии в
Кинетика кровотока в эластичных сосудах. Пульсовая волна. Модель Франка
Одним из важных гемодинамических процессов является распространение пульсовой волны.
Если регистрировать деформации стенки артерии в двух разноудаленных от сердца точках, то окажется, что
Фильтрация и реабсорбция жидкости в капилляре.
При филътрационно-реабсорбционных процессах вода и растворенные в ней соли проходят через стенку капилляра благодаря неоднородности ее структуры. Направление и скорость движения воды через различны
ИНФОРМАЦИЯ И ПРИНЦИПЫ РЕГУЛЯЦИИ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
Биологическая кибернетика является составной частью биофизики сложных систем. Биологическая кибернетика имеет большое значение для развития современной биологии, медицины и экологии
Информация. Информационные потоки в живых системах
Информация (от лат. informatio – разъяснение, осведомление) - это один из широко используемых на сегодня терминов, которые употребляет человек в процессе деятельности. Создаются информационн
Биофизика рецепций
РЕЦЕПЦИЯ (от лат. receptio - принятие): в физиологии - осуществляемое рецепторами восприятие энергии раздражителей и преобразование ее в нервное возбуждение (Большой энциклопедический словарь).
Обоняние.
[рисунок обонятельного центра]
Фоторецепторы.
С помощью глаз мы получаем до 90% информации об окружающем мире. Глаз способен различать свет, цвет, движение, способен оцениать скорость передвижения. Максимальная концентрация светочувствительных
Биофизика отклика.
Генерация рецепторного потенциала. Свет поглощается белком родопсином, бесцветным белком, который, по сути, является комплексом белка опсина и ретиналя (имеющего розовую окраску). Ретиналь может на
БИОСФЕРА И ФИЗИЧЕСКИЕ ПОЛЯ
Биосфера Земли, в том числе и человек, развивались и существуют под постоянным действием потоков электромагнитных волн и ионизирующих излучений. Естественный радиоактивный фон и фон электромагнитны
ЧЕЛОВЕК И ФИЗИЧЕСКИЕ ПОЛЯ ОКРУЖАЮЩЕГО МИРА
Понятие «физические поля окружающего мира», является широким и может включать в себя многие явления зависимости от целей и контекста рассмотрения. Если рассматривать его в строго фи
Взаимодействие электромагнитных излучений с веществом
При прохождении ЭМ волны через слой вещества толщиной х интенсивность волны I уменьшается вследствие взаимодействия ЭМ поля с атомами и молекулами вещества. Эффекты взаимодействия могут быть различ
Дозиметрия ионизирующих излучений
К ионизирующим излучениям относятся рентгеновское и γ-излучение, потоки α-частиц, электронов, позитронов, а также потоки нейтронов и протонов.
Действие ионизирующих излучений на
Естественный радиоактивный фон Земли
На биосферу Земли непрерывно действует космическое излучение, а также потоки α- и β-частиц, γ-квантов в результате излучения различных радионуклидов, рассеянных в зем
Нарушения естественного радиоактивного фона
Нарушения радиоактивного фона в локальных условиях и тем более глобальные опасны для существования биосферы и могут привести к непоправимым последствиям. Причиной увеличения радиоактивного фона явл
Электромагнитные и радиоактивные излучения в медицине
Электромагнитные волны и радиоактивные излучения сегодня широко используются в медицинской практике для диагностики и терапии.
Радиоволны применяются в аппаратах УВЧ и СВЧ-физиотерапии. Де
Электромагнитные поля.
Диапазон собственного электромагнитного излучения ограничен со стороны коротких волн оптическим излучением, более коротковолновое излучение - включая рентгеновское и γ-кванты - не зарегистриро
Акустические поля.
Диапазон собственного акустического излучения ограничен со стороны длинных волн механическими колебаниями поверхности тела человека ( 0,01 Гц), со стороны коротких волн ультразвуковым излучением, в
Низкочастотные электрические и магнитные поля
Электрическое поле человека существует на поверхности тела и снаружи, вне его.
Электрическое поле вне тела человека обусловлено главным образом трибозарядами, то есть зарядами, возникающим
Электромагнитные волны СВЧ-диапазона
Интенсивность излучения волн СВЧ-диапазона за счет теплового движения ничтожна. Эти волны в теле человека затухают слабее, чем инфракрасное излучение. Поэтому с помощью приборов для измерения слабы
Применение СВЧ-радиометрии в медицине.
Основными сферами практического применения СВЧ-радиометрии в настоящее время представляются диагностика злокачественных опухолей различных органов: молочной железы, мозга, легких, метастазов, а так
Оптическое излучение тела человека
Оптическое излучение тела человека надежно регистрируется с помощью современной техники счета фотонов. В этих устройствах используют высокочувствительные фотоэлектронные умножители (ФЭУ), способные
Акустические поля человека
Поверхность человеческого тела непрерывно колеблется. Эти колебания несут информацию о многих процессах внутри организма: дыхательных движениях, биениях сердца и температуре внутренних органов.
Новости и инфо для студентов