Теория управления и биосистемы. Анализ сохранительных свойств - Новосельцев В.Н.
Скачать (прямая ссылка):
На рис. 1.3 показана простая схема такой открытой системы. На ее входе — поток поступающих веществ — субстратов у\, на
выходе — поток продуктов катаболизма
& г/г- Внутри системы вещества А в ходе
'¦В |=::?> обратимых реакций преобразуются в вещества В. Разумеется, в любой биологи-Рис. 1.3. простая схема от- ческой системе пути метаболических ре-
крытой системы. Входной « „ 1
поток веществ обозначен че- ЗКЦИИ ГОрЗЗДО СЛОЖН661 ОНИ Идут ПЗрЗЛ-
рез уи выходной —через уг. лвЛЬНО ДРУГ Другу, раСХОДЯТСЯ ИЛИ СХОДЯТСЯ. Сама система метаболических реакций обладает в значительной степени ауторегуляторными свойствами, которые возникают из-за наличия в ней цепей обратных и прямых связей [72, 98].
Пример такой более сложной биохимической системы приведен на рис. 1.4 [189]. Обратная связь состоит в угнетении
Рис. 1.4' Система метаболических реакций, обладающая ауторегуляторными свойствами. В системе имеется обратная (/) и прямая (2) связи. Прямая связь представляет собой активацию предшественником субстрата, которая приводит к увеличению скорости потребления продукта Sn в «побочных» реакциях, катализируемых ферментом Е^. Обратная связь — угнетение фермента Еi конечным продуктом Sn, Изменение скорости yQ образования исходного субстрата 59 является возмущением в системе.
ключевого фермента Еi конечным продуктом Sn, образующимся из исходного субстрата So через ряд промежуточных форм Si, ..., Sn-1. Ферменты, катализирующие промежуточные реакции, обозначены через Еи Е2, Еп\ Mi — вещества, способные активировать или угнетать фермент Ей Mk — такие же вещества для фермента Ek.
Прямая связь представлена механизмом активации фермента веществом — предшественником субстрата. Соединение S„
служит субстратом для фермента Ек, чувствительного к активирующему действию исходного субстрата So. Изменение скорости уо образования исходного субстрата So действует как внешнее возмущение на Sn — при увеличении скорости уо возрастает и концентрация Sn. Однако активация фермента Ек субстратом So компенсирует 'возмущающее действие уо за счет увеличения скорости потребления вещества S„ в реакциях, катализируемых Ек-
В биохимических системах эти механизмы дублируются, «за-параллеливаются» более инерционными механизмами. Таковы, например, репрессия синтеза ферментов Ей ..., Еп конечными продуктами (обратная связь) и индукция синтеза этих ферментов исходным субстратом So.
1.5. Пассивное и активное управление
в живых системах
Совместное действие большого числа механизмов прямых и обратных связей, регулирующих активность и скорость синтеза ферментов, позволяет поддерживать концентрации конечных продуктов почти на неизменном уровне при изменении внешних возмущений в довольно широких пределах. Механизмы рассмотренного типа как бы «встроены» в регулируемую систему, поэтому для них используется термин «внутреннее управление».
Внутреннее управление является пассивным. Это означает, что в реально существующей системе поддержание стационарного равновесного состояния или возникновение характерных ответов системы на внешнее возмущение не требует какой-либо метаболической работы. Пассивные механизмы регуляции свойственны не только биохимическому уровню организации биосистем. Поддержание нормальной пространственной ориентации у рыб обеспечивается пассивным механизмом регуляции — центр плавучести и центр тяжести не совпадают, так что при отклонении осевой плоскости рыбы от вертикальной возникает крутящий момент, возвращающий тело в нормальное положение.
Пассивное управление в системе возникает как результат взаимодействия элементов', составляющих «саму систему». Л. фон Берталанфи предложил для такого типа управления термин «динамическое взаимодействие» или «первичная регуляция». Типичным примером пассивного управления в системах является взаимодействие между веществами, находящимися в системе, и потоками этих веществ, циркулирующими внутри системы и пересекающими границы системы со средой.
Пассивные механизмы управления лежат на грани, отделяющей управляемые системы от неуправляемых.
В теории управления решение о том, относить или не отно-.-сить данную систему к классу управляемых систем, выносится на основании наличия в описании этой системы обратных связей. Если обратная связь существует, система считается управляемой. Пассивные системы в теории управления обычно относятся к неуправляемым. Рассмотрим, например, такую техническую систему, как мост. При действии на него нагрузки мост прогибается, и в результате деформации возникают силы, уравновешивающие действие нагрузки. Можно сказать, что мост обладает механизмами сохранения своей формы. Поскольку, однако, механизмы упругой деформации работают пассивно, только за счет энергии, поступающей извне, подобные объекты в теории управления не представляются в виде систем с обратной связью и считаются поэтому неуправляемыми. Простое и подробное освещение этого вопроса имеется во вводных разделах книги [235].
