Модулятор

Регулятор

Системы управления в биологии.

Организм можно определить как физико-химическую систему, существующую в окружающей среде в стационарном состоянии. Именно эта способность живых систем сохранять стационарное состояние в условиях непрерывно меняющейся среды и обусловливает их выживание. Для обеспечения стационарного состояния у всех организмов от морфологически самых простых до наиболее сложных – выработались разнообразные анатомические, физиологические и поведенческие приспособление, служащие одной цели – сохранению постоянства внутренней среды.

Клод Бернар постоянно подчеркивал различие между внешней средой, в которой живут организмы, и внутренней средой, в которой находятся их отдельные клетки, и понимал, как важно, что бы внутренняя среда оставалась неизменной. Млекопитающие способны поддерживать температуру тела, не смотря на колебания окружающей температуры, вступают в действие механизмы саморегуляции, которые повышают температуру тела и препятствуют теплоотдачи. Системы саморегуляции действуют не только на уровне организма, но и на уровне клеток.

В 1932 г. Американский физиолог Уолтер Кэннон ввел термин гомеостаз (от греч. Homoios – тот же; statis – стояние) для определения механизмов, поддерживающих и постоянство внутренней среды. Функции гомеостатических механизмов состоит в том, что они поддерживают стабильность клеточного окружения и тем самым обеспечивают независимость организма от внешней среды – в той мере, в какой эти механизмы эффективны.

Стабильность достигается благодаря определенной форме управления. Винер в 1948г. Дал науке об управлении название кибернетики (от греч. Cubernos – рулевой) Кибернетика занимается, в частности, общими закономерностями регулирования в живых и не живых системах.

Живые системы рассматриваются как открытые системы поскольку они нуждаются в постоянном обмене веществами с окружающей средой. Основные компоненты любой системы управления показаны на рисунке

Вход > Детектор > Заданная величина (установка) > эффектор > Выход

Основные компоненты системы управления.

Меры эффективности всякой управляющей системы является степень отклонения регулируемого параметра от оптимального уровня и скорость возвращения к этому уровню. Системы управления основаны на таком соединении их компонентов, при котором выход может регулироваться входом, т.е. они действуют по принципу обратной связи. В большинстве систем с обратной связью выход служит одновременно входом. Существует два вида обратной связи – отрицательная и положительная. Первая более распространена в гомеостатических системах живых организмов. Отрицательная обратная связь повышает стабильность системы. При нарушении равновесия системы возникает ряд последствий, которые приводят к устранению этого нарушения и к возвращению системы в исходное состояние.

Примером биологических механизмов с отрицательной обратной связью может служить регуляция напряжения дыхательных газов в крови, частоты сердечных сокращений, артериального кровяного давления, уровней гормонов и метаболитов в крови, водного и электролитного баланса, регуляция РН и температуры тела.

Роль отрицательной обратной связи в регулировании секреции тироксина щитовидной железой можно показать схемой:

Модулятор

Отрицательная обратная связь

Детектор (гипоталамус) ← Вход (тироксин)

↓ ↑

Регулятор (гипофиз) Тироксин в крови

↓ ↑

Эффектор (щитовидная железа) → Выход (тироксин)

Пример простой биологической системы управления: регуляция секреции тироксина.

В этом случаи модулятор состоит из трех компонентов – детектора, регулятора, эффектора.

Положительная обратная связь редко встречается в биологических системах, так как она приводит к не стабильности системы и экстремальным состояниям. Например, во время распространения нервного импульса деполяризация мембраны нейрона повышается ее проницаемость для Na+.

Ионы Na+ входят в аксон через мембрану и вызывают дальнейшую деполяризацию, которая приводит к возникновению потенциала действия. В этом случаи положительная обратная связь действует как усилитель ответа, величину которого ограничивают другие механизмы.

В организме существуют и более сложные регуляторные устройства. Эти механизмы включают дополнительные детекторы (физиологические системы раннего предупреждения) или дополнительные эффекторы (на случаи отказа основных), действующие на разных уровнях. Например, терморецепторы кожи, играющие роль детекторов окружающей температуры, посылают импульсы в гипоталамус, который выполняет функцию модулятора и вносит коррективы раньше, чем успевает измениться температура крови.

Внутреннюю среду организма и ее регуляцию можно рассматривать на двух уровнях – уровне клеток и уровне ткани.

Клетка содержит цитоплазму, состав которой модулируется избирательной проницаемости клеточной мембраны и активностью ферментов, зависящей от синтеза белков. Плазматическая мембрана позволяет проникать в клетки и выходить из них лишь определенным молекулам, и скорость обмена ими через мембрану строго регулируется возможностями диффузии, осмотическими градиентами.

В случае одноклеточных организмов не посредственным окружением является внешняя среда, которую они не как не могут контролировать. Если они обладают, какими то локомоторными механизмы, они могут перемещаться в более благоприятные условия. На сколько это возможно, они приспосабливаются к условиям существования и приобретают толерантность к ним.

Непосредственным окружением для клеток многоклеточных растений и животных служит межклеточная жидкость. У млекопитающих для всех живых клеток ближайшее окружение тканевая жидкость. Птицы и млекопитающие обладают наиболее совершенной регуляцией параметров тканевой жидкости – содержания в ней воды, газов, ионов, питательных веществ, гормонов, отходов метаболизма, РН и температуры. Эти параметры регулируются при участии одной или нескольких тканей, органов или систем органов.

У большинства животных механизм регуляции включает реакции со стороны желез внутренней секреции или нервной системы, которые координируются регуляторными центрами головного и спинного мозга.

Все метаболические системы работают наиболее эффективно лишь в узких пределах по обе стороны от оптимальных условий.

3Регуляция содержания дыхательных газов в крови

Для дыхания клеток тела необходимо постоянное поступление в них кислорода и тканевой жидкости. Образующаяся в процессе дыхания углекислота не должна накапливаться в клетках или тканевой жидкости, так как это привело бы к нарушению равновесий участвующих в дыхании реакций. Организм осуществляет тонкую регулировку концентрации СО2 в крови, и она остается относительно постоянной. Потребность в кислороде во время интенсивной мышечной работы может увеличиваться в 20 раз.

Частота и глубина дыхания регулируется дыхательными центрами, расположенными в варолиевом мосту и продолговатом мозге. Эти центры посылают к диафрагме и межреберным мышцам ритмические импульсы, которые вызывают дыхательные движение. Частота и глубина дыхания не посредственно влияет на состав альвеолярного воздуха, который в свою очередь определяет концентрацию О2 и СО2 в артериальной крови. У человека в покое парциальное давление О2 и СО2 в альвеолярном воздухе и в артериальной крови составляет на уровне моря в среднем 100-140 мм рт. ст. соответственно. Поддержание таких уровней О2 и СО2 обеспечивается регуляция активности дыхательных центров с помощью отрицательной обратной связи. Эту регуляцию осуществляют импульсы, поступающие от рецепторов двух типов- механорецепторов и хеморецепторов. К первым относятся рецепторы растяжения, находящиеся в стенках трахеи и легких, вторые –хеморецепторы – имеются в стенках аорты, в каротидных тельцах (расположенных в стенках сонных артерий) и в самом продолговатом мозге.

Действие импульсов, поступающих от рецепторов растяжения, связанно в основном с механикой дыхательных движений. Импульсы, возникающие в дыхательных центрах, идут по эфферентным путям спинного мозга. Некоторые аксоны, образующие эти пути, выходят из спинного мозга в его шейном отделе в виде диафрагмальных нервов, направляющихся к диафрагме, тогда как аксоны других нейронов выходят из грудного отдела в составе нервов, направляющихся к наружным межреберным мышцам. Импульсы, поступающие по этим нервам, совместно вызывают вдох. Легкие наполняются воздухом, и рецепторы растяжения, находящиеся в стенках легких и трахеи, возбуждаются и активируют афферентные нейроны блуждающего нерва. Последний временно угнетает центры вдоха, и вдох прекращается. В результате расслабления диафрагмы объем грудной клетки уменьшается, эластичные легкие спадаются и воздух выталкивается из них. Поскольку рецепторы растяжения в легких и трахее больше не стимулируется, снимается угнетение с с центра вдоха и дыхательный цикл повторяется. Во время интенсивной физической нагрузки повышенное напряжение СО2 в крови стимулирует центр выдоха, и импульсы от него поступают к внутренним межреберным мышцам; мышцы начинают сокращаться сильнее, и это приводит к более глубокому или частому дыханию.

В стимуляции дыхания избыток СО2 играет более важную роль, чем недостаток СО2. при уменьшении концентрации СО2 с 20 до 5% частота дыхания повышалась вдвое, и точно такой же эффект давало увеличение концентрации СО2 всего лишь на 0,2%.

Регулирующее влияние СО2 и сниженного РН крови на дыхание осуществляется всецело через хеморецепторы аорты, каротидных телец и самого продолговатого мозга. Хеморецепторы аорты, каротидных телец чувствительны так же к изменениям концентрации СО2, что имеет важное значение при низкой концентрации СО2, так как при этом падает активность продолговатого мозга. Усиленная вентиляция ведет к выведению углекислоты из крови путем ее диффузии в альвеолярный воздух, где концентрация СО2 понижается. Это же происходит в случае преднамеренного глубокого дыхания – гипервентиляции.

На больших высотах (свыше 3000м) парциальное давление О2 и СО2 в атмосферном воздухе снижено, и соответственно снижено их содержание в альвеолярном воздухе. В связи с уменьшением концентрации СО2 в альвеолярном воздухе в него из крови переходит больше углекислоты, ее содержание в крови оказывается недостаточным для стимуляции хеморецепторов, и она уже не может играть роль стимулятора дыхания. Теперь эту роль играет падение напряжения СО2 в крови: оно вызывает стимуляцию хеморецепторов в каротидных тельцах и они активируют дыхательные центры.

Существует тесная взаимосвязь м/у дыханием и сердечно – сосудистыми центрами продолговатого мозга. В случае падения кровяного давления вентиляция легких усиливается, а при его повышении она уменьшается.

4Регуляция уровня метаболитов в крови

Одним из важных метаболитов, присутствующих в крови, является глюкоза. Уровень глюкозы в крови должен находиться под строгим контролем, поскольку она служит главным субстратом тканевого дыхания и должна непрерывно поступать в клетки. Особенно чувствительны к нехватке глюкозы клетки головного мозга, которые не могут использовать ни какие другие метаболиты в качестве источника энергии. Недостаток глюкозы вызывают потерю сознания. Нормальный уровень глюкозы в крови составляет около 90мг на 100мл (90мг%), но колеблется от 70мг% натощак до 150% после приема пищи.

Регуляция уровня глюкозы, находиться под контролем эндокринной системы. Повышение уровня глюкозы в крови (гипергликемия) стимулирует секрецию инсулина, а его падение (гипогликемия) приводит к угнетению секреции инсулина и к стимуляции секреции глюкагона и др. гормонов, повышающих уровень глюкозы в крови.