Особенности биологических систем управления

В 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.

Системы биологического регулирования содержат прогнозирующий элемент.

Принцип прогнозирования состоит в том, что корректирующий сигнал подается на вход системы еще до появления возмущающего сигнала, как только возникнет ситуация, приводящая к его появлению.

Системы регулирования живого организма являются:

ü адаптивными,

ü самообучающимися,

ü самоорганизующимися.

Адаптивность - свойство системы самооптимизировать свое поведение и структуру в условиях воздействия случайных факторов различного происхождения.

Самоорганизующимися называют системы, которые способны устойчиво сохранять характер взаимодействия с внешней средой, несмотря на изменения внутренних и внешних факторов.

Биологические системы управления также отличаются высокой

-надежностью,

-функциональной устойчивостью,

-помехозащищенностью.

Фундаментальными принципами, обеспечивающими высокую надежность управляющих систем организма, являются:

а) избыточность в организации контуров регулирования,

б) функциональная гибкость,

в) иерархичность строения управляющих систем, сочетание автономности функционирования отдельных подсистем с централизацией управления,

г) широкое использование принципов обратной связи,

д) самовосстановление и самовоспроизведение.

Представления биологической системы в виде двух взаимодействующих компонент (энергетической и управляющей) представляет собой основу системного подхода к анализу структуры биологической системы.

Энергетическая компонента биологической системы обеспечивается метаболической системой (МС), а управляющая компонента представлена в виде блока регуляторных механизмов (Р) (генетическое и физиологическое управление) и блока эффекторов (Э)

Метаболизм - совокупность химических реакций, протекающих в живых клетках и обеспечивающих организм веществами и энергией для его жизнедеятельности, роста и размножения.

Метаболиты - это продукты внутриклеточного обмена, подлежащие окончательному распад и удалению из организма.

Механизм генетического управления:

Генетическая система, получая от остальных систем энергию и информацию в виде метаболитов (продуктов обмена веществ) или в виде гормонов роста в период становления организма, управляет процессами синтеза необходимых веществ и поддерживает жизнедеятельность остальных систем организма.

Система физиологического управления:

Поведенческие реакции организма осуществляются системой физиологического управления. Функционирование эффекторных и других систем, потребляющих энергию: мышцы, органы обоняния, органы осязания, работающие ткани внутренних органов, приводит к увеличению расхода вещества и энергии, который должен компенсироваться увеличением темпов синтеза вещества и энергии в метаболической системе.

На этом уровне физиологическое управление обеспечивает адекватное управление и снабжение всех подсистем в соответствии с возникающими потребностями: генетическая система образует структуру биологической системы, а физиологические процессы в системах осуществляют ее функцию (устойчивости и подвижности).

При описании живых систем используются два типа величин характеризующих функционирование или состояния той или иной системы. Один из них связан с количеством веществ. Эти величины, называются уровнями.

Пример: уровень сахара в крови, концентрация различных субстратов или ферментов в клетках, содержание гемоглобина в крови, температура тела, содержание биомассы в некотором объеме, количество животных данного вида на единице площади и т.д.

Другой тип переменных связан с изменением уровней, характеризующих динамику процессов. Эти величины, называются темпами.

Пример: темп синтеза ферментов, темп поступления кислорода в ткани, темпы роста популяции данного вида и т.д.

Уровни отражают достигнутое состояние системы, а темпы - ее активность, интенсивность протекания в ней процессов.

Сохранительные свойства биологических систем связаны с поддержанием гомеостаза, обеспечивающим постоянство существенных для жизнедеятельности системы переменных при наличии возмущений во внешней среде.

Гомеостаз организма является результатом одновременного действия многочисленных и сложно организованных регуляторных механизмов, что предполагает наличие в организме целого набора "биологических" приборов (термостатов» регуляторов давления и т. п.), что и составляет гомеостатический механизм.

Гомеостаз обеспечивает:

ü состояние равновесия в живых организме, относящееся к различным функциям и химическому составу жидкостей и тканей;

ü осуществляется процесс, посредством которого поддерживается это равновесие.

В живых системах имеет место иерархия трех уровней.

Если сигналы и рассматривать как постоянные возмущения, то на плоскости (v1, v2) можно выделить область W_S регуляторные механизмы биосистемы обеспечивают существование стационарных режимов и меньшую область W_h, в которой поддерживается гомеостаз. Наконец, условно можно выделить еще более узкую область W_q, для которой характерно наиболее высокое качество функционирования биосистемы.

По мере ухудшения условий в системе происходит "отказ" от иерархически менее важных целей, связанных с получением "оптимальных характеристик" (область W_q). Дальнейшее ухудшение условий приводит к потере гомеостатических свойств (выход изображающей точки за пределы области W_h), а затем и потере способности системы обеспечить стационарный режим при выходе за пределы области W_{S .}

В этом случае жизнедеятельность системы может поддерживаться лишь некоторое ограниченное время за счет запасов вещества и энергии, имеющихся в системе, и расход которых временно позволяет сохранять равенство темпов расходования веществ в местах их траты и скорости поступления веществ к этим местам из "депо" внутри системы (область W_p,).

Примеры.

Простой автоматический регулятор по отклонению с отрицательной ОС:

Общая схема механизма регулирования темпа поступления кислорода в ткани:

Орган (объект регулирования) потребует кислород с темпом u, а целью регулирования является обеспечение поступления кислорода с тем же темпом (выходная величина) у.

Сигнал рассогласования поступает на вход регулятора, который вырабатывает управляющий сигнал E =w-у, поступающий на вход объекта регулирования, подверженный внешнему возмущающему воздействию v=p0₂ (градиент напряжения кислорода между тканями и артериальной кровью).

Дата добавления: 2017-01-14