Реферат. Управление в биосистемах. Внешние и внутренние управляющие воздействия
 Скачать 38.14 Kb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ ИВАНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра Промышленной экологии РЕФЕРАТ по дисциплине: «Моделирование энерго- и ресурсосберегающих процессов в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии» на тему: «Управление в биосистемах. Внешние и внутренние управляющие воздействия»
Иваново,2021 СодержаниеВведение 3 1.Основные особенности управления в биосистемах 4 2.Структурно-функциональный анализ биологических систем управления 6 Рецепторы, эффекторы и устройство управления 6 Прямая и обратная связь 8 Пассивное и активное управление 9 Регулирование темпов и уровней 10 3.Основные цели управления в биосистемах 12 Удовлетворение метаболических потребностей. 12 Гомеостаз 12 Адаптация 13 Высшие уровни управления в биосистемах 15 Заключение 16 Список литературы 17 ВведениеВ живых организмах преобладает регулирование по отклонению или комбинированные системы регуляции. Управляющее воздействие может влиять как на одну, так и на несколько выходных параметров. Биологическим системам, в отличие от систем технических, присущи различные виды нелинейности и инерционности (запаздывания) за счет дифференцирующих и интегрирующих звеньев. Они увеличивают помехоустойчивость системы. Кроме того, они позволяют системам биологического регулирования не реагировать на случайные воздействия. 1.Основные особенности управления в биосистемахУправление – это такое воздействие одних элементов системы на другие, которое приводит систему к заданному состоянию, позволяя достичь определенных целей или нужных результатов. Процессы управления – это динамические процессы, протекающие в системах, в которых потоки информации, а также решения и действия для достижения цели управления структурно реализуются в виде замкнутых контуров, т.е. систем с обратной связью. Однако, как мы увидим в дальнейшем, в отдельных случаях в биологических системах достаточно эффективен и механизм управления без обратной связи (в этом случае управление сводится только к воздействию на управляемый объект). Элементы, осуществляющие управление, относятся к управляющей (и/или задающей) части системы (это кибернетическая система организма), а элементы, испытывающие на себе управляющие воздействия,- к объектовой части системы (или, иначе говоря, к объекту управления). К управляемым процессам относится прежде всего процесс онтогенеза. В стадии сформировавшегося организма управление сводится к поддержанию жизнедеятельности особи. При этом управление в организменных биосистемах можно рассматривать на различных уровнях. На уровне химических процессов это авторегуляция; на субклеточном и клеточном - процессы внутриклеточной регуляции; на уровне тканей и органов, систем органов и организма в целом - механизмы физиологической регуляции (управление дыханием, кровообращением и т.д.). Часть этих механизмов имеет бихевиоральный (поведенческий) характер (к ним относятся оборонительные, пищевые, половые рефлексы у животных; ВНД и психическая деятельность у людей). Нетрудно, например, заметить, что на клеточном уровне "ставится" задача обеспечения клетки всеми необходимыми веществами, удаления продуктов обмена, выработкой необходимого числа квантов энергии внутри клетки (главным образом на митохондриях, с участием синтеза и распада АТФ) для поддержания процессов деления клетки и биосинтеза необходимых белков. На уровне тканей и органов, систем органов ставится задача согласования деятельности отдельных клеток и межклеточного пространства с целью реализации единой функции (например, функции пищеварения). Можно выделить две большие группы целей управления в биосистемах: сохранение вида, к которому принадлежит организм (с этим связаны способность клеток к делению, способность организмов к размножению, половые рефлексы, забота о потомстве); сохранение жизнедеятельности отдельной особи в течение биологически обусловленного периода. Говоря о процессах управления в биосистемах, обычно имеют в виду второй тип целей управления. Кибернетическая система далеко не у всех организмов представлена в виде отдельных органов. Так, у одноклеточных животных (например, амеб) в силу простоты организации нет специальных элементов, выполняющих функции управления. Но с усложнением структуры организма, когда появляются отдельные органы для снабжения метаболической системы (в функции которой входит обмен веществ и энергии) веществами и энергией, появляется и необходимость в специально организованной системе управления. В зависимости от степени участия специальных элементов кибернетической системы в управлении биопроцессами, различают два вида управления: внешнее (когда регулирующее воздействие вырабатывается специальным элементом) и встроенное (когда цель управления достигается взаимодействием самих управляемых элементов). Обычно в биосистемах сочетаются оба эти вида управления. Так, встроенные механизмы действуют в метаболической системе организма; кроме того, у низших животных они обеспечивают и большую часть транспортных процессов (например, транспорт веществ через клеточную мембрану). Любопытно, что при проектировании технических систем пассивные (встроенные) механизмы обычно как отдельные контуры управления не выделяются. Инженер всегда проектирует внешний по отношению к объекту управления регулятор, хотя при разработке такого регулятора обычно учитывается в наличие объекте пассивных механизмов управления (в этом случае говорят, что объект обладает свойством самовыравнивания). 2.Структурно-функциональный анализ биологических систем управленияРецепторы, эффекторы и устройство управленияХорошо известно, что в технических системах управления аппаратурно выделяются специальные средства, позволяющие получать входной сигнал из внешней среды, а также преобразовывать его в форму сигналов, циркулирующих в системе управления. Эти средства получили название датчиков и преобразователей (например, термодатчики, датчики теплового и радиационного излучения, фотодатчики – солнечные батареи, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи и т.д.). Их аналогом в сложных биологических системах являются специальные элементы - рецепторы. Рецепторы представляют собой группы клеток, воспринимающие действие раздражителей и преобразующие полученные сигналы в форму нервных импульсов определенной длительности и амплитуды, которые поступают в определенные отделы головного мозга (устройство управления). Выделяют пять основных входных каналов со стороны внешних раздражителей (у высших животных и человека): зрительный, кожно-мышечный (осязательный, тепловой), обонятельный, слуховой, вкусовой. Внутри организма также существует множество различных рецепторов, располагающихся на поверхностях органов, тканей и сосудов, например, барорецепторы (реагирующие на изменение кровяного давления в сосуде) и хеморецепторы (реагирующие на изменение концентрации отдельных биологически активных веществ). Известно также, что в биосистемах (организмов) существуют так называемые эффекторы, получающие управляющее воздействие от устройства управления и преобразующие его в новую форму (механическую, форму психических процессов и т.д.) одновременно с совершением определенного действия. Их аналогом в технических системах являются датчики выходных сигналов, обратные преобразователи, а также исполнительные механизмы. Устройство управления у высших животных представлено центральной нервной системой, располагающейся главным образом в головном и спинном мозге. Мозг, в свою очередь, представлен огромным числом нейронов, связанных между собой очень сложными и многочисленными связями. Биологическая природа связей состоит в наличии синапсов - мест контактов элементов нейросети (аксона и дендритов, аксона и оболочки нейрона и т.д.), а механизм их действия основан на изменении структуры оболочки пресинаптического элемента и ее ионной проницаемости в результате действия нервных электрических импульсов, происходящем при участии особого вещества – нейромедиатора. Как правило, "выходом" нейрона является начало аксона, где образуется выходной сигнал электрической природы, равный значению нелинейной (в общем случае) функции от суммы взвешенных входных (обычно поступающих по дендритам) воздействий ("взвешивание" производится на синапсах). Одной из важных особенностей восприятия и обработки как сенсорной, так и более сложной информации в биологических системах управления является параллелизм: информация сначала воспринимается, а затем (через незначительный промежуток времени) обрабатывается одновременно по всем подканалам нейросети на каждом из уровней. Сигналы управления поступают от рецепторов к ЦНС и от ЦНС к эффекторам по так называемой периферической нервной системе, по проводящим нервным волокнам, также представленным совокупностью нейронов, но объединенных сравнительно небольшим числом связей. Прямая и обратная связьВ зависимости от положения устройства управления по отношению к управляемому объекту в структурной цепи, в теории управления различают каналы прямой и обратной связи. В свою очередь, обратная связь может быть положительной и отрицательной. Главным отличием прямой связи от обратной является то, что прямая связь не учитывает степень изменения состояния объекта после получения им управляющего воздействия, следовательно, является гораздо менее гибкой и менее распространенной. В случае обратной связи часть выходного сигнала поступает на вход системы, ослабляя (отрицательная ОС) или усиливая (положительная ОС) его. В биологических системах зачастую связи настолько сложны, что в чистом виде нелегко выделить цепь прямой или обратной связи, так как они входят в более сложные комплексы. Исключением здесь главным образом являются рефлексы (условные и безусловные), подчиненные принципу управления с прямой связью. В литературе по теории управления, особенно популярной, часто можно прочитать, что отрицательная ОС всегда улучшает устойчивость системы, а наличие положительной обратной связи всегда лишает систему устойчивости. Вместе с тем это не всегда так. Возможны случаи, когда ООС нарушает устойчивость системы (напр., когда сигнал приходит по каналу ОС с большим запаздыванием). Напротив, при малых коэффициентах усиления в канале положительной ОС устойчивость может и не нарушаться, но выходной сигнал прямого канала становится более чувствительным к изменениям входного сигнала. Возможно, это свойство положительной ОС используется в рецепторных системах, когда необходимо получить сигнал, сильно реагирующий на какие-либо изменения во внутренней среде организма, хотя четких структурных доказательств этому пока нет. Пассивное и активное управлениеВ пассивных (встроенных) механизмах нет специальных регулирующих органов, а роль управляющих сигналов играют сами переменные состояния. Особенностью пассивных систем является то, что они при своем функционировании не требуют расхода метаболической энергии (запасенной в макроэргических связях АТФ) . Одним из воплощением встроенного управления стал известный принцип Ле Шателье, состоящий в том, что любая стационарная система, предоставленная самой себе, при воздействии внешнего возмущения стремится ослабить результат этого воздействия. Недостатком пассивных механизмов является то, что они "маломощны", то есть их возможностей хватает на обеспечение лишь самых малых объемов живой материи веществами или энергией – органелл клетки, отдельных клеток или одноклеточных организмов. Но, несмотря на отмеченные недостатки, именно пассивные механизмы обеспечивают баланс многих веществ в организме животных. Вместе с тем в ходе филогенеза, увеличения массы и объемов тела животного появляются и активные механизмы (напр., перенос кислорода движущимся потоком крови), т.к. одни лишь пассивные механизмы уже не в состоянии обеспечить возросшие потребности организма (напр., поверхность диффузии кислорода растет В случае действия активных механизмов специальные органы совершают полезную работу, при этом расходуя АТФ (аденозинтрифосфорную кислоту). Активные механизмы требуют для своего описания множества специфических физиологических переменных. Они очень разнообразны по своей природе: включают химические, физические, механические и электрические величины. Анализируя процессы активного и пассивного управления, можно сделать следующие выводы : при пассивном управлении регуляция скорости обмена осуществляется за счет изменения самих значений переменных состояния системы, а при активном такая регуляция осуществляется за счет изменения переменных; пассивная регуляция в случае сложных метаболических процессов имеет место лишь на последних этапах транспортной; все предыдущие этапы обеспечиваются активной регуляцией; пассивные механизмы являются своего рода "последним резервом" системы управления: даже если активные механизмы исчерпают свои ресурсы, градиент концентрации все же сможет поддерживаться на достаточно высоком уровне за счет уменьшения значения переменной состояния системы; наличие же активных механизмов позволяет сохранять относительное постоянство переменных состояния системы, что обеспечивает гомеостаз. Регулирование темпов и уровнейПроцессы управления в организме (биохимическая и физиологическая регуляция) должны поддерживать стационарное неравновесное состояние метаболической системы, т.е. постоянное уравновешивание скоростей притока и потребления необходимых веществ. При этом можно заметить, что одна часть управляющих звеньев (со множеством прямых и обратных связей) связана с регуляцией скоростей (темпов) протекания процессов, а другая - с регуляцией уровней (концентраций) веществ и энергии в отдельных подсистемах организма. В частности, можно заметить, что работа всех пассивных (встроенных) механизмов направлена на то, чтобы уравнять между собой темпы притока и оттока вещества: скорости зависимых потоков корректируются так, чтобы следовать за изменениями скоростей независимых (ведущих) потоков. Регулирование уровней также имеет важное значение, т.к., например, повышение температуры тела выше определенного значения сделало бы невозможной работу целого ряда структур организма; повышение уровня глюкозы в крови привело бы к нарушениям метаболизма. Отметим, что подобное разделение типов регулирования весьма условно, т.к. своей конечной целью регулирование уровня имеет обеспечение требуемой скорости протекания процессов. Кроме того, все различия этих типов регулирования сводится к различиям в физической природе задающего (входного) сигнала. В действительности во многих случаях сигналы типа уровень играют в организме двойственную роль: с одной стороны, они являются регуляторами темпов протекания процессов – в пассивных механизмах, с другой – сами могут быть регулируемым сигналом – в активных механизмах; цель активной регуляции здесь часто может быть сформулирована как поддержание постоянства уровня. Из всего рассмотренного ранее можно сделать вывод: целью управления всегда является регуляция темпов внутриклеточных жизненных процессов, т.е. удовлетворение метаболических потребностей организма. Эта цель может быть обеспечена простым путем, если будет обеспечиваться гомеостаз, т.е постоянство внутренней среды. 3.Основные цели управления в биосистемахУдовлетворение метаболических потребностей.Под метаболическими потребностями организма понимаются, в первую очередь, потребности в веществах и энергии, которые необходимы организму для многих жизненно важных процессов, таких как биосинтез белка, липидов, генерация нервных импульсов и т.д. Метаболическая система организма последовательно переходит из одного неравновесного стационарного состояния в другое. Неравновесным это состояние является потому, что любое изменение потребностей организма вызывает нарушение равновесия, что активизирует пассивные и особенно активные механизмы так, что ведомые физиологические и биохимические источники изменяют свои скорости в нужную сторону, уравновешивая изменения в потреблении. ГомеостазГомеостаз – это способность внутренней среды организма поддерживать постоянство своих параметров. Большое значение постоянству внутренней среды как необходимому условию протекания обменных процессов придавали такие известные физиологи, как Клод Бернар, И.М.Сеченов (1860 г.). Сам термин "гомеостазис" появился впервые в трудах американского физиолога Уолтера Кеннона (в книге "Мудрость тела") в 1932 г. Гомеостаз определялся именно как относительное постоянство среды, т.е. то, что мы ранее называли неравновесным стационарным состоянием. Однако в 1960-70 гг., в связи с бурным развитием кибернетики, многие исследователи сильно преувеличивали степень постоянства при гомеостазе. Современная же биохимия полагает, что специальные механизмы существуют для поддержания многих (холестерин, глюкоза, липиды, мочевина и др.) веществ, но не для всех. Так, для веществ, которые в принципе не синтезируются в организме (десять "незаменимых" аминокислот, витамины и т.п.), существует только один способ "регуляции" - их регулярное поступление с пищей. Так как гомеостаз поддерживается не только за счет пассивных, но и (главным образом) за счет активных механизмов, на поддержание гомеостаза тратится немало энергии. Поэтому "гомеостатируется" лишь часть переменных состояния организма (обязательно гомеостатируются показатели обменных процессов в нервных клетках, в высокоспециализированных клетках внутренних органов и т.д.). Гомеостаз внутренней среды организма облегчает нагрузку на пассивные механизмы обмена для клеток, так как сужает диапазон условий, воздействующих со стороны внеклеточного пространства (внутреннего для организма, но внешнего по отношению к клетке) на клетку. Задачу гомеостаза можно свести к задаче демпфирования как внешних воздействий на биосистему, так и внутренних возмущений (например, воздействия продуктов отмирания собственных клеток). АдаптацияСвойство адаптации является одним из важнейших свойств, присущих живым организмам, так как оно позволяет им выживать и давать потомство в постоянно изменяющихся условиях существования. Анализ механизмов адаптации особенно важен при построении автоматических технических систем управления нового поколения - так называемых адаптивных систем. В физиологии под адаптацией понимается любое приспособление организмов к условиям их обитания, направленное на поддержание их функционального состояния и гомеостаза. Напомним, что предпосылкой способности к адаптации организмов является его генетический код. Происходивший в результате филогенеза естественный отбор позволяет говорить о том, что генетический код данного организма обеспечивает способность организма к адаптации при определенном диапазоне изменения воздействий окружающей среды. Различают процесс адаптации (своеобразный аналог переходного процесса в теории управления) и состояние адаптированности (аналог установившегося состояния в ТАУ). Признаком состояния адаптированности является сохранение гомеостаза на всех структурно-системных уровнях организма. Иными словами, в состоянии адаптированности (если, конечно, вызвавшее адаптацию воздействие не продолжает изменяться) независимые темпы w возвращаются почти к исходным (предадаптационным) значениям, а переменные состояния x практически остаются неизменными. При полной адаптации все системы организма сохраняют постоянство переменных состояния, а адаптационные возможности системы не уменьшаются. Помимо полной адаптации различают еще и неполную, когда в некоторых системах организма переменные состояния претерпевают изменения, а общие показатели жизнедеятельности сохраняются при неполных адаптационных возможностях. Во время процесса адаптации, как правило, происходит увеличение темпов метаболизма, т.е. потребления веществ и энергии. Этот факт можно объяснить тем ,что изменение переменных внешней среды влечет изменение темпов ведомых процессов. При прочих равных условиях это приводит к нарушению гомеостаза, что "включает" как активные, так и пассивные механизмы регуляции. Реагируют прежде всего наиболее мощные активные механизмы, которые в процессе работы вызывают дополнительный расход энергии. Начиная с некоторого момента, однако, в силу внутренних связей между переменными , происходит их более медленное по сравнению с работой активных механизмов изменение. Вследствие этого интенсивность работы активных механизмов понижается, а пассивных – растет. Уменьшается и величина дополнительных энерготрат, а текущие потребности постепенно уменьшаются до исходного значения. Высшие уровни управления в биосистемахРесурсы внешней среды распределены неравномерно, следовательно, для удовлетворения метаболических потребностей организму приходится проявлять активность, совершая определенные действия (такие, например, как перемещение в пространстве, совершение определенных движений, поведенческих актов). "Принять" животному или человеку то или иное решение "заставляет" его центральная нервная система, подобная деятельность которой и относится к высшим уровням управления. На данном этапе под воздействием ЦНС решаются многие задачи взаимодействия организма и окружающей среды, связанные с поддержанием жизни особи и вида, к которому данная особь относится: поиск источников питания и способов завладеть пищей, борьба с врагами, организация безопасного жилища, поиск брачного партнера и т.д. Все эти действия связаны с определенными поведенческими актами, обеспечивающими активное взаимодействие организма с окружающей средой. ЗаключениеВ ходе изучения темы были проанализированы основные особенности управления в биосистемах, структурно-функциональный анализ биологических систем управления, проблемы и особенности использования понятий прямой и обратной связи, целей управления. Рассмотрение биосистем проводилось на разных уровнях организации. Был сделан вывод, что в процессе адаптации участвуют как активные, так и пассивные механизмы регуляции, а в поддержании гомеостаза ведущая роль принадлежит активным механизмам. Список литературы1.Новосельцев В.Н. Организм в мире техники: кибернетический аспект. - М., Наука,1989. 2.Солодовников В.В., Плотников В.Н., Яковлев А.В. Теория автоматического управления техническими системами. М., издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана,1993. 3.Комиссаров А.В. Отчет по НИРС на тему "Нейронные сети и их моделирование". КФ МГТУ им. Н.Э.Баумана, кафедра П2-КФ. Калуга, 1997. 4.Гальперин С.И. Физиология человека и животных. М., Высшая школа, 1977. 5.Новосельцев В.Н. Теория управления и биосистемы. Анализ сохранительных свойств. М., издательство «Наука»,1978. |