Кибернетические основы регуляции гомеостаза

Кибернетика –наука, устанавливающая общие принципы управления саморегулирующимися системами. Живые организмы также являются саморегулирующимися системами, и поэтому к ним применимы все кибернетические понятия и принципы регуляции.

Обратная связь

Блок-схема кибернетической системы.

В основе работы кибернетической системы лежит процесс передачи и обработки информации. В работу системы постоянно вносятся коррективы, характер которых зависит от тех отклонений, которые наблюдаются на входе. Для живых организмов входными сигналами служат пища, вода, свет, звук, температура. Выходные сигналы – реакция органа или ткани, выделение секрета и т.д. Важным элементом кибернетической системы является обратная связь – влияние выходного сигнала на блок управления. Различают отрицательную и положительную обратную связь.

Отрицательная обратная связь – направлена на восстановление исходного состояния кибернетической системы, в случае ее отклонения от нормы.

Пример: работа термостата.

Положительная обратная связь – направлена на усиление возникшего отклонения кибернетической системы от исходного состояния.

Пример: кровотечение из крупного сосуда, рост организма в онтогенезе.

Отличительные особенности нервной и гуморальной регуляции гомеостаза

Нервная регуляция:

– высокая скорость наступления ответной реакции;

– реакция кратковременная;

– реакция носит локальный характер.

Гуморальная регуляция

(обеспечивается выделением в кровь гормонов):

– реакция наступает медленно;

– реакция длительна;

– реакция носит разлитой характер.

Таким образом, обе системы в целостном организме дополняют друг друга.

В основе функционирования нервной и эндокринной систем лежит принцип действия отрицательной обратной связи.

Рассмотрим работу нервной системы на примере регуляции рН крови:

Физическая нагрузка

накопление СО₂

изменение рН

дыхательный центр

межреберные мышцы (учащение дыхания)

понижение СО₂

В качестве сигнала для внесения изменения в работу организма как кибернетической системы служит содержание гормона в крови. Одни железы эндокринной секреции (поджелудочная железа, паращитовидные железы, эпифиз) сами реагируют на содержание гормона, а другие (щитовидная, половые, кора надпочечников) – через переднюю долю гипофиза, которая вырабатывает четыре гормона: соматотропный, тиреотропный, адренокортикотропный, гонадотропный.

Рассмотрим примеры работы эндокринной системы.

Регуляция содержания тироксина в крови:

Снижение тироксина в крови

гипофиз

усиление выработки тиреотропного гормона

усиление функции щитовидной железы

увеличение содержания тироксина

Регуляция осмотического давления плазмы крови:

Повышение потребления воды

снижение осмотического давления плазмы

задняя доля гипофиза

снижение секреции антидиуретического гормона (АДГ)

уменьшение проницаемости дистального извитого канальца

выделение разведенной (обильной) мочи

повышение осмотического давления плазмы

В целостном организме обе регуляторные системы работают слаженно. Интеграция их действия осуществляется в гипоталамусе. Он богат центрами вегетативной нервной системы: терморегуляции, голода, жажды, водно-солевого обмена, половой активности. Здесь же имеются клетки, вырабатывающие нейрогормоны (релизинг-факторы): либерины и статины.

Взаимодействие нервной и эндокринной систем можно рассмотреть на примере стрессовой реакции организма (реакции на сильный или длительный по времени действия раздражитель):

Раздражитель

органы чувств

гипоталамус

либерины

гипофиз

АКТГ

кора надпочечников

стероидные гормоны

изменение функций

повышение сопротивляемости организма

Биологические ритмы

Все живые организмы наряду с пространственной организацией имеют временную характеристику. Деятельность всех систем организма представлена в виде отдельных замкнутых циклов, например, дыхание: вдох – выдох, 12-14 раз в минуту; сердечный цикл: систола – диастола, 0,8 секунд; перистальтика желудка: одно сокращение длится от нескольких десятков минут до 1-1,5 часов. Установлено, что ритмичность протекания многих функций организма находится в тесной связи с колебаниями во внешней среде: смена дня и ночи, времена года, изменение солнечной активности, вращение луны и т.д.