Теория управления и биосистемы. Анализ сохранительных свойств - Новосельцев В.Н.
Скачать (прямая ссылка):
1.2. Структура биосистемы
Для понимания процессов, протекающих в биосистеме, необходимо учитывать две стороны ее функционирования. Одна из них связана с тем, что система — открытая: это процессы получения, накопления, передачи и использования энергии. Эги процессы обеспечивают возможность сохранения структуры, рост и выполнение всех специфических функций биологической системы.
Другая сторона функционирования связана с управлением энергетическими процессами; она включает восприятие, хранение, переработку и использование информации. Информацион-но-управляющие механизмы в системе определяют, какие энергетические процессы и с какой скоростью происходят в ней. Наиболее общей задачей управляющих систем организма является сохранение его энергетической основы, создание благоприятных условий для постоянства ее функционирования при меняющихся условиях внешней среды. «Кибернетические механизмы для того и существуют, чтобы обеспечить стабилизацию и сохранение энергетической части организма» [216, стр. 8].
Представление биологической системы в виде двух взаимодействующих компонент — энергетической и управляющей — представляет собой основу системного подхода к анализу структуры биосистем.
На рис. 1.1 показана схема потоков энергии и информации в организме животного [216]. Энергетическая компонента организма обозначена как МС (метаболическая система), а управляющая часть представлена в виде блока регуляторных механизмов (генетическое и физиологическое управление) и блока эффекторов. Основным элементом схемы здесь является, безусловно, метаболическая система — совокупность процессов обмена веществ, происходящих в клетках животного организма.
Одной из главных функций метаболической системы является снабжение систем и органов организма энергией. Ниже (разд. 1.4) мы приведем обычно даваемое определение метаболизма, а еще ниже — в разд. 6.4 и 6.7 — коснемся ряда важных свойств метаболических процессов.
На этом рисунке, как и во всем дальнейшем изложении, мы используем широкие двойные стрелки для обозначения передачи одновременно не одного, а целой группы сигналов, веществ и т. д.
Субстраты, втфасы
Рис. 1.1. Схема потоков энергии и информации н организме животного. МС—метаболическая система, Р —регуляторные механизмы, включающие элементы генетического и физиологического управления. Все части организма потребляют метаболическую энергию, поставляемую МС. Целью управления является поддержание стационарного неравновесия в энергетической системе органлзма и сохранение ее структуры.
Поскольку эта схема содержит одновременно множество управляющих цепей, выделим в ней три главных контура связей. Структура организма поддерживается механизмами генетического управления. Получая от остальных систем энергию и информацию (в виде метаболитов — продуктов обмена веществ, а в период становления организма — в виде гормонов роста), генетическая система управляет процессами синтеза необходимых веществ и поддерживает жизнедеятельность остальных систем организма (рис. 1.2, а). Процессы в генетической части протекают достаточно медленно: характерными дЛя нее временами являются долгие интервалы времени, связанные с процессами роста, становления организма и его старения, процессы регенерации тканей и т. п.
Поведенческие реакции организма осуществляются системой физиологического управления (*рис. 1.2,6).
Функционирование эффекторов и других систем, потребляющих энергию (мышцы, органы обоняния, осязания, работающие
ткани внутренних органов), приводит к увеличению расхода вещества и энергии. Этот расход должен компенсироваться увеличением темпов синтеза веществ и энергии в метаболической системе. На этом уровне физиологическое управление обеспечивает адекватное снабжение всех подсистем в соответствии с возникающими потребностями (рис. 1.2,в).
Ионы, молекулы,
(синтез, поШержание жизнеИеятетшстф Стимулы РвафференгпйЦиЯ
а) Ф
Рис. 1.2. Главные контуры управления в организме животного, а) Генетическая система, управляющая синтезом веществ и поддерживающая структуру остальных подсистем организма; б) система физиологического управления, определяющая поведенческие реакции организма; в) система физиологического управления, обеспечивающая снабжение всех подсистем в соответствии с их метаболическими потребностями.
Процессы в физиологических системах управления организма протекают значительно быстрее, чем в генетической. Характерное время процессов восстановления после физической нагрузки, например, составляет 15—20 мин. Поэтому генетическая система на рис. 1.2, а образует структуру рассматриваемой биосистемы, в то время как быстрые поведенческие и физиологические процессы в системах рис. 1.2, б, в определяют ее функцию. Организация живого есть единство структуры и функции — устойчивости и подвижности. «То, что называют структурой, является медленным процессом большой продолжительности; то, что называют функцией, является быстрыми процессами короткой продолжительности» [191].
