Нумирация

Гомеостазис обусловлен способностью живых систем вырабатывать реакции в ответ на изменение  параметров внешней среды, которые исключают или сводят к минимуму последствия этих изменений (ср. с рассмотренным ранее принципом Ле-Шателье).

Задачи управления в  живой системе, таким образом, состоят  в том, чтобы как можно эффективнее  отвечать на изменения, происходящие во внешней и внутренней ее среде, то есть нейтрализовать возмущающие воздействия на систему. Живая система решает задачу управления путем своевременной перестройки своей структуры в соответствии с изменившимися условиями. Иными словами, процесс управления является процессом упорядочения системы в соответствии с изменениями во внешней и внутренней среде с целью противодействия факторам дезорганизации. Этот процесс осуществляется с помощью элементов, входящих в состав самой системы.

В живых системах управляющие факторы воздействуют на систему не извне, а возникают в ней самой. Поэтому управление в живых системах является самоуправлением, процессы регулирования – процессами саморегулирования, а сами живые системы являются самоорганизующимися системами. Здесь уместно дать еще одно определение самоорганизации.

Самоорганизация – процесс, в ходе которого создается, поддерживается или совершенствуется организация сложной системы. Свойства самоорганизации присущи всем живым системам: клеткам, организмам, популяциям, биогеоценозам. Процессы самоорганизации происходят за счет перестройки существующих и образования новых связей между элементами системы. В самоорганизующихся системах приспособление к изменяющимся условиям или улучшение процесса управления достигается изменением структуры системы управления: включением или отключением элементов системы, изменением связей между элементами и их подчиненностью, изменением алгоритмов управления.

Уровни управления. В организме существует несколько уровней управления. Внутриклеточный механизм регуляции осуществляет биохимическую регуляцию в соответствии с генетической информацией, которая содержится на молекулярном уровне. Механизм тканевой регуляции– более высокий уровень регуляции, чем клеточный. Ткани взаимодействуют в рамках организма путем обмена определенными химическими веществами. Регулирует это взаимодействие еще один, более высокий уровень – железы внутренней секреции. Они вырабатывают гормоны, циркулирующие в крови, которые управляют организмом как целым.

Высший уровень регуляции – центральная нервная система, которая присутствует у всех много клеточных организмов. Она воздействует на все другие уровни регуляции.

Управление организмом имеет многоуровневый «иерархический»  характер. На каждом уровне управление направлено на решение задач, присущих этому уровню. Чем выше уровень, тем более общие для системы задачи на нем решаются. Главная же цель, общая для живой системы в целом ставится и решается на высшем уровне управления. Цели и задачи нижележащих уровней носят вспомогательную роль по отношению к общей цели.

Основой для процессов  управления и регуляции является обмен информацией благодаря  наличию информационных связей. Рассмотрим подробнее информационные связи  внутри организма. 

 

Информационные  связи внутри организма 

 

Гормональная  связь. Гормон, то есть химический сигнал, по кровотоку посылает во все части организма, но только в определенные органы, способные принять данный сигнал, реагируют на него как приемники.

Нервные связи (только у многоклеточных организмов). Информационным параметром нервных связей служит частота следования импульсов. Частота импульсов увеличивается при росте интенсивности стимула.

Генетическая  связь. Источником сообщения в этом случае является молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Функционирование этой связи будет рассмотрено позже.

Таким образом, процесс  управления в информационном смысле носит антиэнтропийный характер: получая информацию об окружающей среде, живая система уменьшает информационную энтропию внутри себя, использует получаемую информацию для поддержания своей организованности. 

 

Цели и специфика  управления в живых системах 

 

Цели управления в  живых системах чрезвычайно разнообразны. В любой системе цель управления в общем виде заключается в  достижении системой множества полезных для нее свойств при разнообразных внешних воздействиях. Здесь мы рассматриваем живые, биологические системы. Биологической системой, которой присущи все свойства живого и все задачи управления, является организм, в том числе одноклеточный. Клетка, хотя и самоуправляемая, не является автономной системой, так как регуляция в клетке подчинена организму.

Обратные связи. Важной стороной управления в живых системах является наличие обратных связей. Принцип обратных связей является одним из основных принципов самоуправления, саморегуляции и самоорганизации. Без наличия обратных связей процесс самоуправления невозможен. С помощью обратных связей сами отклонения объекта от заданного состояния формируют управляющие воздействия, которые приводят состояние объекта в заданное. Иными словами, обратная связь – это обратное воздействие результатов процесса на его протекание . Обратная связь может быть положительной и отрицательной.

Положительная обратная связь – такая обратная связь, когда результаты процесса усиливают его. Если же результаты процесса ослабляют его действие, говорят об отрицательной обратной связи.

 
Действие обратных связей можно  рассмотреть на примере роста  численности популяции некоторых  видов, к примеру, мелких рыбёшек, в  зависимости от наличия пищи (планктона) и наличия рыб-хищников. Чем больше пищи, тем большее число потомков рыбёшек может прокормиться и затем дать новое потомство. При неограниченном количестве пищи и отсутствии хищников и болезней у рыбешек их численность могла бы неограниченно возрастать. Здесь имеет место положительная обратная связь (см. рис. 2), выражающаяся в том, что процесс роста популяции рыбешек ведет к еще большему (в геометрической прогрессии) её росту. В случае наличия рыб-хищников возникает еще одна обратная связь: численность хищников будет влиять на количество корма для них (на количество мелких рыбешек). Эта обратная связь будет отрицательной. В результате действия обратных связей численность в популяциях является волнообразной (так называемые «волны жизни») и колебания численности будут происходить вокруг некоторого среднего уровня. 

 

Роль положительных  и отрицательных обратных связей различна. Отрицательные обратные связи  обеспечивают стабильность функций  живых систем, их устойчивость к  внешним воздействиям. Они являются основным механизмом энергетического и метаболического баланса в живых системах, контроля численности популяций, саморегуляции эволюционного процесса.

Положительные обратные связи играют позитивную роль усилителей процессов жизнедеятельности. Особую роль они играют для роста и развития.

Таким образом, общие  характеристики обратных связей могут  быть сформулированы следующим образом:  

Отрицательные обратные связи способствуют восстановлению исходного состояния. Положительные  – уводят организм  все дальше от исходного состояния.

Самоорганизация на всех уровнях начинается на основе механизмов положительной обратной связи, на которые затем накладываются  ограничения отрицательных обратных связей.

Иерархия целей  управления в живых системах. Рассмотрим  наиболее общую цель всех живых систем – сохранение и продолжение жизни. Здесь цель достигается в следующем порядке:

Цель I порядка – обеспечить существование систем (достигается поддержанием стационарного неравновесного состояния, при котором  = min.) Нарушение этого состояния означает смерть.

Цель II порядка – обеспечить высокое качество существования системы → поддержание гомеостазиса. Гомеостазис – необходимое условие высокого качества функционирования системы;

Цель III порядка – достижение максимально высоких показателей существования системы (максимальная энергетическая эффективность и надежность).

Заключение

Живой организм является открытой термодинамической системой: он обменивается с внешней средой веществами и энергией. В отличие от обмена веществ в неживых системах, он накапливает свободную энергию, поглощая пищевые вещества из внешней среды. За счет этой энергии, осуществляются процессы роста и развития организма. Эта способность определяет возможность организмов находится под влиянием факторов и раздражителей внешней среды обитания, при этом сохранять постоянств.

Литература:

1. Кузнецов, В. Г. Производство энтропии в адиабатической замкнутой системе с градиентом температуры и производством тепла и применение этих условий к термодинамической модели живых организмов / В. Г. Кузнецов // Биофизика. - 2003. - Т. 48. - Вып. 3. - С. 572-573.
2. http://bse.sci-lib.com/article085721.htm.
3. http://www.amgpgu.ru/Evolution/Lectures/.ru