Теория управления и биосистемы. Анализ сохранительных свойств - Новосельцев В.Н.
Скачать (прямая ссылка):
равления в компарт ментальных моделях физиологических систем.
Достижение и поддержание стационарного неравновесия системы формулируется в терминах теории управления как обычная задача обеспечения равенства задающих и управляемых сигналов в ее компартментальной модели, но в роли задающего сигнала теперь выступают темпы потоков вещества и энергии, необходимо расходуемых в процессах жизнедеятельности, а в роли управляемого сигнала — темпы потоков вещества и энергии, направленных на восстановление энергетических трат в системах и органах животного организма.
Концепция гомеостаза в терминах метода пространства состояний получает теперь адекватную трактовку как сохранение состояния системы при возмущающих воздействиях окружающей среды. Из качественной категории гомеостаз превращается в количественную: появляется возможность численно оценить различные аспекты гомеостатических свойств систем, их сохранительные ресурсы и приспособительные возможности.
Картина динамических процессов, протекающих в компартментальных моделях физиологических систем в изменяющихся условиях среды, по сравнению со свойствами классических моделей теории автоматического регулирования оказывается значительно богаче и более полно воспроизводит многочисленные аспекты процессов жизнедеятельности физиологических систем.
7.1. Замечания о моделировании сохранительных свойств
организма и его систем
Угроза животному организму связана со следующими тремя видами опасности: химическими или физическими воздействиями среды, нападением «микрохищников»— патогенных бактерий и вирусов, грибов и простейших организмов, и, наконец, нападением различного рода «макрохищников». Для защиты от них организм обладает соответствующими механизмами, начиная от вегетативных реакций физиологических систем, фагоцитоза, воспалительных реакций и процессов заживления, явлений иммунитета и кончая индивидуальными поведенческими реакциями и коллективными механизмами защиты [87]. Мы будем иметь дело только с первым видом опасностей — изменением условий среды — и с низшим уровнем ответных реакций организма и его систем — механизмами гомеостаза, осуществляемыми физиологическими регуляторными системами.
Целью физиологических механизмов управления является сохранение стационарного термодинамически неравновесного состояния организма. Если процессы управления на рассматриваемом уровне физиологических систем организованы достаточно хорошо, а условия среды не предъявляют чрезмерных требований к ресурсам системы управления, то кроме обеспечения стационарности возникает возможность поддерживать и гомеостаз — постоянство условий во внутренней среде. Соотношение между этими двумя целями в биосистеме было подробно рассмотрено в разд. 1.7.
Во всем дальнейшем изложении будет использоваться аппарат компартментального описания биосистем. Блок-схема компартментальной модели, в которой стационарное неравновесное состояние поддерживается при равенстве первичных и вторичных темпов потоков вещества и энергии, была приведена выше на рис. 6.3 и 6.4. Для систем организма эту схему можно представить в более подробном и удобном виде, воспользовавшись специфическими особенностями систем организменного уровня. Мы рассмотрим два таких аспекта физиологических систем —
наличие у них заданного темпа функционирования и существование специфических активных механизмов регуляции, играющих ведущую роль в процессах управления и самосохранения.
Заданная интенсивность функционирова» ни я. При моделировании физиологических систем обычно исследуется случай неизменности системы во времени, когда процессы онтогенетического развития оказываются за пределами рассмотрения. Тогда первичные темпы энерготрат определяются только высшими регулирующими центрами организма и не зависят от характеристик самой системы (например, от ее размера). Физиологические механизмы регуляции не могут изменить величин первичных темпов, установленных центральной регуляцией в организме.
Так, в условиях основного обмена темпы потребления кислорода, выделения СОг, темп теплопродукции и т. д. определяются только режимом функционирования организма. «Уровень основного обмена не является физиологически регулируемой величиной. Он установлен природой и необходим для поддержания целостности и возбудимости тканей», — пишет К- П. Иванов [79].
Изменение режима функционирования организма, его физическая активность при данных условиях среды однозначно определяет темп обмена веществ в организме и, следовательно, первичные темпы потоков веществ и энергии во всех компартментах модели.
Рассмотрим этот вопрос подробнее, вернувшись к принципиальной схеме регуляции в организме животного, изложенной
б разд. 1.2. Уровень физиологического управления, на котором обеспечивается гомеостаз и энергетическое снабжение систем и органов организма, отвечает рис. 1.2, б, где «энергетическая потребность» определяет должные темпы протекания процессов в системе.
Поскольку эти темпы являются для системы физиологического управления внешними, а их роль состоит в том, чтобы задать первичные темпы, рассмотренные в разд. 6.4 и 6.5, назовем их задающими, или независимыми темпами. В соответствии с обозначениями, принятыми в разд. 6.4, для вектора независимых темпов (размерности m) будем использовать обозначение w.
