Принципы управления в организме

Принципы управления в живых системах. Роль информации. Кодирование. Пути передачи информации. Отбор информации. Общие структура управляющих систем. Принципы управления: а) по рассогласованию, б) по возмущению, в) с прогнозированием. Роль обратной связи. Управление параметрами внутренней среды.

В процессе длительной эволюции животного организма создалось относительное постоянство физиологических функций, основное назначение которых состоит в адекватной адаптации к возможным изменениям внешней среды. В основе адаптации находится сложная деятельность регуляторных механизмов.

Физиологической регуляцией является активное управление функциями организма и его поведением, чтобы обеспечить приведение функционального состояния организма в соответствие с изменившимися условиями внешней среды.

Очень важно, чтобы организм обладал необходимым потенциалом адекватно реагировать на меняющиеся условия. Например, при беге организм затрачивает больше энергии, чем при спокойной ходьбе. Чтобы обеспечить дополнительной энергией работающие при беге органы, включаются механизмы мобилизации, которые заставляют сердце сокращаться чаще и сильнее; дыхание быть более глубоким и частым.

В основе регуляторных влияний должна находиться способность, как к усилению, так и к ослаблению функций, обеспечивающая переход от активного состояния к покою.

Рассматривая основные принципы деятельности регуляторных механизмов, И. М. Сеченов (1891г) пришел к выводу, что регуляторы функций в организме могут быть только автоматическими. И. М. Сеченов сравнивал такие регуляторы с предохранительными клапанами в паровом котле. При нарастающем напряжении пара в котле срабатывает клапан для выхода пара. По сути, это пример саморегуляции. В организме саморегуляция физиологических функций широко распространена.

Живой организм представляет собой сложную, иерархическую систему, состоящую из совокупности множества функциональных систем: крови, дыхания, пищеварения, кровообращения, выделения и др. Каждая функциональная система располагает собственными механизмами регуляции. Для организма важно сохранение процессов жизнедеятельности в любых условиях. Например, при любых состояниях организма в тканях должен быть постоянный уровень кислорода, в поддержании которого участвуют системы: крови (кислород связывается гемоглобином в эритроцитах); дыхания (обеспечивает насыщение крови кислородом); кровообращения (транспортирует кислород, проталкивая кровь по сосудам). В подобном случае важны механизмы согласования функций многих систем, такие механизмы управления выполняют роль диспетчеров.

В организме различают три основных вида регуляции:

1. Местную,

2. Гуморальную,

3. Нервную.

Местная регуляция обеспечивается в интересах отдельных органов или тканей и проявляется в трех вариантах:

1) По типу нервной регуляции— за счет наличия в органах местных или периферических нервных сплетений или метасимпатической нервной системы. Так, в желудочно-кишечном тракте есть подслизистое и межмышечное сплетения, в которых имеются афферентные, вставочные и эфферентные нейроны, которые являются элементами местных рефлекторных дуг. В сердце так же имеется собственная нервная система. Задача местных рефлекторных дуг – обеспечить согласование деятельности отделов органа. Например, если растягивается какой-либо отдел кишечника, то в ответ усиливается перистальтика в нижерасположенном отделе кишечника и тормозится — в вышерасположенном отделе.

2) По типу гуморальной регуляции– за счет тканевых биологически активных веществ или метаболитов. Например, в скелетных мышцах во время активной деятельности накапливаются продукты метаболизма – молочная кислота, адинозиндифасфат, ионы калия, они оказывают на сосуды расширяющее действие. В результате приток крови к работающим мышцам увеличивается и приводится в соответствие уровень активности мышц и их метаболизм, т. е. обеспеченность кислородом и глюкозой.

3) Регуляция за счет использования физических или физиологических свойств тканей.Например, гладкие мышцы кровеносных сосудов в ответ на растяжение увеличивают свой тонус, препятствуя, таким образом перерастяжению. В сердечной мышце выявлен закон сердца: чем сильнее растянута мышца сердца, тем больше сила ее сокращения. А на практике это означает, чем больше крови поступает в полости сердца, тем с большей силой будет сокращаться сердечная мышца, обеспечивая выталкивание большего объема крови.

Гуморальная регуляция. Регуляция деятельности органов может осуществляться с участием гормонов (вазопрессина, адреналина и др.) или биологически активных веществ (гистамина, серотонина и др.).

Гормоны и биологически активные вещества выделяются секреторными клетками в кровь. Они действуют на ткани-мишени, т. е. там, где имеются специфические для этих веществ рецепторы. Например, при стрессе из надпочечников в кровь поступает адреналин, который стимулирует работу сердца.

Нервная регуляция. Это регуляция процессов жизнедеятельности с участием определенных структур центральной нервной системы. В основе этого типа регуляции лежит деятельность: соматической нервной системы, управляющей состоянием скелетных мышц; и вегетативной нервной системы, управляющей состоянием внутренних органов.

Известно, что для поддержания жизнедеятельности, организм нуждается не только в энергии и пластических веществах, но и в информации. Эти три потребности – условия жизни.

Любой тип регуляции в организме строится на основе информации. В живой природе произошло специальное выделение информационных функций, которые в процессе взаимодействия с окружающей средой оценивают основные ее свойства и атрибуты. Этой функцией наделены сенсорные системы организма.

Информационные процессы лежат в основе всей приспособительной деятельности организма и определяют его поведение. Живой организм не в состоянии выжить в условиях информационного вакуума. Для него важно постоянно иметь информацию не только в какой среде он находится, но и что происходит в самом организме, – в каком состоянии находятся функции органов и показатели внутренней среды.

Эволюционный процесс живого организма прежде всего связан с совершенствованием структур, ответственных за поступление информации, ее хранение, преобразование и использование. Именно по этому пути шло развитие генетических структур нервных клеток, средств общения и средств передачи информации. Человек достиг в этом отношении высочайшего уровня, особенно в связи с развитием речи.

Живая клетка использует информацию, записанную в генетическом коде. Внутри клетки информация передается молекулами и ионами. Между тканями и органами взаимодействие уже достигается гуморальными или нервными путями.

Гуморальный путь – это передача информации молекулами гормонов, медиаторами и биологически активными веществами, которые с током жидкостей организма: крови, лимфы, межклеточной жидкости разносятся по организму. Такой путь передачи информации медленный.

По нервам информация передаются с большей скоростью в виде электрического сигнала – потенциалов действия. В данном случае информация о качестве раздражителя кодируется. Один из распространенных в организме принципов кодирования и передачи информации о силе раздражающего стимула является частотное кодирование, то есть, чем интенсивнее раздражитель действует на рецепторы, тем с большей частотой возникают и передаются далее потенциалы действия.

Органы чувств одновременно принимают огромный объем разнообразной информации. В нервной системе существуют механизмы отбора значимой и отсеивания малозначимой информации. Отбор информации начинается уже на уровне рецепторов и продолжается на всех последующих уровнях центральной нервной системы за счет вытормаживания той части афферентной импульсации, которая в данный момент оценивается как несущественная. Контроль и оценка почти всех афферентных потоков осуществляется ретикулярной формацией, которая использует для этого механизмы торможения.

Кора больших полушарий вместе с таламическими ядрами также обеспечивает отбор наиболее важной информации.

Общая структура управляющих систем организма.

Общие принципы управление в сложных системах описаны кибернетикой, а процессы управления в живых системах изучает биологическая кибернетика.

Выделяют следующие принципы или способы управления:

• По рассогласования

• По возмущению

• С прогнозированием

В любой системе управления выделяют:

1. управляющее устройство,

2. объект управления,

3. канал прямой связи, через который управляющее устройство оказывает влияние на объект управления,

4. результаты деятельности объекта управления; в организме — это регулируемые параметры или показатели деятельности объекта управления,

5. канал обратной связи от регулируемого параметра к управляющему устройству, который необходим для оценки эффективности процесса управления,

6. аппарат оценки эффективности управления, он включен в структуру управляющего устройства и обеспечивает сравнение управляющих воздействий с результатом деятельности системы, используя для этого канал обратной связи, П. К. Анохин называл этот аппарат акцептором результата действияв функциональной системе.

Принцип управления по рассогласованию (по ошибке)состоит в том, что сигнал об отклонении регулируемого параметра по каналам обратной связи попадает в управляющее устройство к аппарату оценки эффективности управления. Тот вносит поправку в деятельность объекта управления, в результате, регулируемый параметр принимает необходимое значение. Обратная связь в этом случае необходима для контроля за исполнением.

Принцип управления по возмущениюзаключается в том, что в системе управления прежде всего оценивается возмущающий сигнал — это какое-либо воздействие факторов внешней среды, например, температура, недостаток кислорода, физическая нагрузка, способное отклонить регулируемый параметр. Информация о возмущающем сигнале поступает в управляющее устройство, которое с учетом этой информации определяет степень своего влияния на объект управления. При регулировании по возмущению коррекция в процессы управления вносится еще до того, как изменяется регулируемый параметр.

Принцип управления с прогнозомявляется вариантом управления по возмущению. Заключается в том, что управляющее устройство вносит изменения в управляющее воздействие на объект управления еще до появления какого-либо возмущающего воздействия, а только лишь на основании сигналов о возможном действии возмущения, то есть на основании прогноза.

В организме функцию управляющего устройства выполняют нервные центры и железы внутренней секреции. Каналами связи – прямыми и обратными, являются нервные волокна и кровь. Объектами управления являются внутренние органы и ткани. К регулируемым параметрам относятся параметры внутренней среды или показатели деятельности органов.

Три принципа регулирования можно рассмотреть на примере системы терморегуляции в организме. Управляющим устройством этой системы является гипоталамус с его центрами теплопродукции и теплоотдачи. Целью этой системы является стабильная температура тела (36-37º).

Регулирование по рассогласованиювключается, если температура тела отклоняется от заданной величины. Обратная связь от терморецепторов сосудов и самого гипоталамуса информирует центры терморегуляции о возникшем отклонении, и те, в свою очередь, вносят коррективы в процессы теплопродукции и теплоотдачи.

Регулирование по возмущениювключается с момента, как только терморецепторы кожи зафиксируют понижение или повышение температуры среды. Центры терморегуляции внесут коррективы в процессы теплопродукции и теплоотдачи еще до отклонения температуры тела.

Регулирование по прогнозувключается, если организм получает информацию о предстоящем воздействии температуры среды (например, еще до выхода на холод). В этом случае на базе выработанных условных рефлексов кора больших полушарий заранее через центры терморегуляции гипоталамуса повысит теплопродукцию в организме, т. е. еще до непосредственного действия низкой температуры на организм.