1 Системный анализ и принятие решений Лекция 11 Биологический организм с позиции системного анализа. Коробов Александр Сергеевич

2 Определение организма, как биологической системы Наиболее распространенной точкой зрения на биологический организм является представление о нем, как о биохимической машине с кибернетическим управлением Организм представляет собой сложно организованную и непрерывно изменяющуюся систему, характеризующуюся множеством своих специфических особенностей Совокупность этих особенностей характеризуется понятием здоровье, под которым понимают гармоническое единство всевозможных процессов, проявляющееся в относительно устойчивой жизнедеятельности органов и систем организма.

3 Понятие здоровье организма Социальная ценность здоровья характеризуется состоянием физиологического и социального благополучия, при котором не только отсутствуют какие-либо заболевания на конкретный момент времени, но и обеспечена возможность осуществления социальных функций Состояние здоровья определяется: –эффективностью процесса сохранения и развития физических, биологических и психических функций; –оптимальной работоспособностью; –социальной активностью, при максимальной продолжительности активной жизни.

4 Состав организма Организм состоит из клеток - элементарных частиц живого, помещенных в определенную среду. Ассоциации клеток образуют биологические ткани - мышечную, соединительную, нервную и т.д., которые входят в состав различных органов. Органы - морфологические образования, представляющие собой совокупность нескольких видов биологических тканей, которые при своей жизнедеятельности выполняют определенные функции. Органные системы - группы органов, действующие согласованно или (и) взаимосвязанные анатомически.

5 Состав организма (продолжение) Органы, связанные функционально, т.е. объединенные для выполнения (достижения) некоторых функций, образуют функциональные системы. Функциональные системы тесно взаимодействуют в составе единого органического целого. Однако для удобства изучения выделяют ряд функциональных систем, выполняющих специфические функции жизнеобеспечения: –нервную, –эндокринную; –скелетно-мышечную; –сердечно-сосудистую; –дыхательную; –пищеварительную; –выделительную; –репродуктивную.

6 Управление подсистемами организма Все функциональные системы управляются с помощью разнообразных подсистем управления, благодаря работе которых обеспечивается выживание в условиях изменяющейся внешней среды. Принято считать, что они имеют иерархическую организацию. Руководящая роль отводится центральной нервной системе, которая состоит из головного и спинного мозга. Основной механизм нервной деятельности - прием сигналов из внутренней и внешней сред, их преобразование и передача информации в нервные центры головного мозга. В нем они анализируются, и вырабатывается управляющее воздействие, под влиянием которого "исполнительные" органы создают ответную реакцию.

7 Управление внутри подсистем организма Органы и подсистемы управления организма решают отдельные частные задачи регулирования, в соответствии со своей сложно организованной внутренней структурой. Каждый орган представляет собой совокупность клеток или их групп, имеющих между собой многочисленные разнообразные связи. В свою очередь, каждая клетка сама по себе есть сложная система, в которой можно выделить большое количество разных более или менее автономных подсистем управления.

8 Показатели функционального уровня организма Любой организм характеризуется совокупностью показателей, с помощью которых оцениваются физико-химические свойства внутренней среды: –концентрации различных веществ –рН –рO2 и т.д, а также своими физическими характеристиками –ударный объем сердца –частота сердечных сокращений –артериальное давление –скорость кровотока –сопротивление периферических сосудов –частота и минутный объем дыхания и т.д. Совокупность этих показателей характеризует функциональный уровень организма, который поддерживается в результате действий функциональных систем. В состав функциональных систем обычно входят объединения управляющих и исполнительных узлов - нервных центров, рабочих органов, систем связей, ответственных за выполнение определенной функции

9 Состояние равновесия в организме При изменившихся внешних условиях существенные показатели организма количественно изменяются. При этом подсистемы регулирования стремятся обеспечить новые квазиоптимальные условия жизнедеятельности. Если внешние условия возвращаются к исходным, показатели организма снова изменятся. Но они, как правило, будут отличаться от первоначальных. Это обусловлено тем, что оптимизация каких-либо процессов легко решается на уровне, когда имеется один критерий оптимизации (скалярная оптимизация). Если критериев много (векторная оптимизация), то получить однозначные результаты тяжело даже в простейших технических системах, работа которых характеризуется двумя-тремя критериями. В системе такой сложности, какой является биологический организм, это невозможно даже теоретически. Из сказанного следует вывод о том, что равновесное состояние организма может существовать при разных значениях существенных показателей Установлено наличие определенной связи между существенными показателями организма. Это свидетельствует о том, что каждый показатель прямо или косвенно является входным сигналом для других систем организма

10 Работа организма в состоянии физического покоя Каждая подсистема организма работает по принципу наименьшего взаимодействия, т.е. функционирует так, чтобы взаимодействие с другими подсистемами и с внешней средой было бы минимально. При этом обеспечивается наиболее экономичный (с энергетической точки зрения) режим работы. Незначительные изменения, возникающие внутри той или иной из подсистем, не оказывают заметного влияния на другие подсистемы.

11 Работа организма при сильных внешних воздействиях На организм принцип наименьшего взаимодействия нарушается. Возникают эффекты непосредственного воздействия одних подсистем на другие - эффекты иерархических влияний, доминирования и конкурентных отношений. Попадая в экстремальные условия, организм стремится поддержать постоянство наиболее важных показателей, в ущерб менее ответственным, производит их изменение в сторону, обеспечивающую восстановление исходного состояния организма. Разделение существенных показателей по важности свидетельствует о доминировании одних систем регуляции над другими и определяется их значимостью для выживания организма в целом.

12 Моторные синергии Физиологи отмечают наличие у организма моторных синергии. Под этим термином понимается четкая согласованность движений частей тела при решении моторных задач, например, дыхательная синергия, согласованное движение рук и ног при ходьбе, плавании. Одни синергии относятся к числу врожденных. Другие вырабатываются в процессе обучения. Группировка параметров системы, имеющей много степеней свободы, в специализированные блоки (ансамбли) является одним из общих и эффективных методов управления такими системами. Это приводит к уменьшению числа независимых параметров и делает управление более экономичным

13 Способность организма к преднастройке Для организма присуща способность к преднастройке и к прогнозированию ситуации. Благодаря этому ему удается решать сложные задачи в ограниченное время при малой скорости биологических процессов. При организации управления в живых системах существенную роль, по-видимому, играет способность организма к обучению (обучаемость). Она выражается в выработке условных рефлексов на раздражители и в формировании различных умений и приемов выполнения задач

14 Гомеостаз (гомеостазис) От греч. hómoios подобный, одинаковый stásis - состояние, неподвижность В физиологии, относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды и устойчивость основных физиологических функций организма человека, животных и растений. Термин гомеостаз предложен американским физиологом У. Кенноном в Однако представление о постоянстве внутренней среды было сформулировано ещё в 1878 французским учёным К. Бернаром. Г. - результат сложных координационных и регуляторных взаимоотношений, осуществляемых как в целостном организме, так и на органном, клеточном и молекулярном уровнях. Благодаря приспособительным (адаптационным) механизмам физические и химические параметры, определяющие жизнедеятельность организма, меняются в сравнительно узких пределах, несмотря на значительные изменения внешних условий. Понятие гомеостаз применимо также к сообществам организмов, например гомеостазом называется сохранение постоянства видового состава и числа особей в биоценозах. Генетический гомеостаз - способность популяции поддерживать динамическое равновесие генетического состава, что обеспечивает её максимальную жизнеспособность.

15 Гомеостаз высокоорганизованных животных У высокоорганизованных животных гомеостаз отличается наибольшим совершенством. У человека, млекопитающих, птиц гомеостаз включает поддержание постоянства концентрации водородных ионов (pH) и состава крови, осмотического давления (изоосмия), температуры тела (изотермия), кровяного давления и многих других функций. Гомеостаз обеспечивается нейро- гуморальными, гормональными, барьерными и выделительными механизмами.

16 Примеры регуляционных механизмов Выравнивание артериального давления осуществляется регуляторными механизмами, вступающими в действие по принципу цепных реакций с обратными связями Изменение давления крови воспринимается барорецепторами сосудов, сигнал о нём передаётся в сосудистые центры, изменение состояния которых ведёт к изменению тонуса сосудов и сердечной деятельности; одновременно раздражаются и хеморецепторы сосудов, включающие систему нейро-гуморальной регуляции, и кровяное давление возвращается к норме Гомеостаз у растений - сохранение постоянства оводнённости листьев путём открывания и закрывания устьиц.

17 Подходы к описанию комплекса систем регулирования С точки зрения концепции гомеостаза организм может находиться в равновесии только тогда, когда каждая из подсистем, входящих в его состав, находится в равновесном состоянии. При этом величины выходных сигналов каждой из подсистем определяются величинами выходных сигналов всех остальных. Следовательно, обнаруженное отклонение от норм одного из показателей не всегда свидетельствует о нарушении в той системе, которая им управляет Существует, и получила определенное признание концепция, объясняющая постоянство показателей, на основе представления о совокупности подсистем организма в виде системы нелинейных колебательных структур (осцилляторов) различной природы. В обеих концепциях предполагается, что формирование установок для работы отдельных физиологических систем к их изменение являются результатом деятельности всех подсистем организма

18 Механизмы регуляции Любая подсистема обеспечивает выполнение функций с помощью некоторого набора механизмов регуляции. Выделяют центральные и локальные (местные) механизмы. Центральные механизмы начинают работать в ответ на обобщенные сигналы всего организма. Локальные учитывают потребности отдельных органов и подсистем. Центральные и локальные механизмы действуют совместно и согласованно. Хотя основная роль в управлении той или иной функцией принадлежит центральным механизмам, деятельность локальных механизмов может быть определяющей для всего организма. Право "выбора" способа управления часто остается за "локальными механизмами регуляции". В реальном организме в выполнении определенных функций всегда задействовано несколько уровней управления.

19 Пути передачи регулирующих сигналов Регулирующий фактор может передаваться разными путями: –Нервным –Гормональным –Гидродинамическим –Биохимическим На низких уровнях используются биохимический к гидродинамический пути На высших появляются гормональный и нервный (нейрогормональные механизмы). Пути передачи сигналов тесно связаны между собой как функционально (по назначению), так и анатомически, часто имеют общий материальный переносчик, используют одни и те же анатомические структуры.

20 Особенности регулирующих процессов Скорость протекания процессов при разных способах передачи сигналов различная. Время запаздывания в передаче управляющих сигналов: –Нервным путем достигает 0,3 с –Химическим - 3 с –Нейрогормональным – 3 минуты –Гормональным - 7 минут Считается, что в подсистемах регулирования используются все известные на сегодняшний день принципы управления: –управление по отклонению –управление по возмущению –прогностическое (форпостное) управление –При этом широко используется обратная связь и различные комбинации методов управления.

21 Нервная регуляция Координирующее влияние нервной системы на клетки, ткани и органы, приводящее их деятельность в соответствие с потребностями организма и изменениями окружающей среды Один из основных механизмов саморегуляции функций. Вследствие нервной регуляции деятельность клеток и органов может инициироваться, прекращаться, усиливаться, ослабляться; могут меняться функциональное и биохимическое состояние клеток и органов, особенности их строения.

22 Гуморальная регуляция Координация физиологических и биохимических процессов, осуществляемая через жидкие среды организма (кровь, лимфу, тканевую жидкость) с помощью биологически активных веществ (метаболиты, гормоны, гормоноиды ионы), выделяемых клетками, органами и тканями в процессе их жизнедеятельности. У высокоразвитых животных и человека Гуморальная регуляция подчинена нервной регуляции и составляет совместно с ней единую систему нейрогуморальной регуляции. Продукты обмена веществ действуют не только непосредственно на эффекторные органы, но и на окончания чувствительных нервов (хеморецепторы) и нервные центры, вызывая гуморальным или рефлекторным путём те или иные реакции.

23 Гормональная регуляция Регуляция жизнедеятельности организма животных и человека, осуществляемая при участии поступающих в кровь гормонов; одна из систем саморегуляции функций, тесно связанная с нервной и гуморальной системами регуляции и координации функций. Гормоны выделяются в кровь железами внутренней секреции, разносятся по всему организму и влияют на состояние и деятельность различных органов и тканей. По характеру действия гормоны могут быть разделены на 2 группы: Одни действуют на определённые органы (органы-мишени) (например тиреотропный гормон действует главным образом на щитовидную железу, адренокортикотропный (АКТГ) на кору надпочечников) Вторые (кортикостероиды, ростовой, или соматотропный, гормон и некоторые др.) обладают общим, или генерализованным, действием на все ткани организма (инсулин действует на обмен углеводов; активируя гексокиназную реакцию, он также может стимулировать биосинтез белка. Тестостерон и др. андрогены усиливают процессы ассимиляции (анаболическое действие))