Биологическая надежность и принципы ее обеспечения. Надёжность биологической системы. Принципы обеспечения надёжности биологической системы

Известно, что в основе как филогенетического (видового) так и онтогенетического (индивидуального) развития лежат три качества: , энергии и информации, воспроизводства (размножения) и надежность биологических систем.

Обмен веществ является важнейшим свойством живой материи: пока есть обмен веществ — до есть и жизнь. Под обменом веществ понимают непрерывного процесс обмена между организмом и внешней средой белков, жиров, углеводов, воды, микроэлементов и энергии.

Воспроизведение — основа продолжения жизни, накопление и закрепление эволюционных качеств. Воспроизведение свойственно как отдельным клеткам организма (в форме разделения клеток) так и целом организма (в форме вегетативного или полового размножения).

Надежность биологической системы — это такой уровень запаса функциональных и регуляторных резервов всех элементов организма, который обеспечивает оптимально постоянную деятельность этого организма в динамических условиях окружающей среды. Надежность является основой выживания, адаптационно-приспособительных свойств и многих избыточных возможностей организма, в том числе до умственного и физического совершенствования.

Все живые существа, отдельные органы, ткани и даже клетки развиваются с запасом надежности. Например, бедренная кость человека, как указывалось выше, выдерживает нагрузку 1,5 тонны, а большая берцовая кость — 1,65 тонны, что в ЗО раз превышает привычные текущие нагрузки на эти кости. Альвеолярная система легких способна усваивать за 1 мин. до 17000 мл кислорода, в то время как даже при самом мощном физической нагрузке потребности организма не преувеличивают 5000 мл. Потенциальные возможности нервной системы за всю жизнь используются лишь на 7-15%, и эти примеры можно продолжать.

По данным А. А. Маркосяна (1974) существует четыре уровня надежности биологических систем:

Избыточность элементов управления и отдельных структур организма;

Взаимозамена средств регулирования или элементов отдельных структур когда, например, происходит нервная или гуморальная регуляция; когда одна почка может взять на себя функции второй почки и др..;

Способность быстрого возвращения уровня деятельности органов и систем после активности в состояние постоянства;

Динамичность взаимодействия цепей всех систем организма.

Надежность живых систем в основном закреплена генетически и передается по наследству. Вместе с этим, некоторые элементы надежности могут приобретаться в онтогенезе, что особенно свойственно людям и происходит путем тренировки мышечной силы, выносливости, двигательных качеств, создание трудовых стереотипов и др.. Внимание физической тренировкой и их качества следует предоставлять с самого детства человека.

В конные этого раздела целесообразно кратко рассмотреть механизм передачи наследственной, детерминированной генами, информации по развитию человека. Как известно, человек получает в наследство от отца и матери весь свой биологический фонд, то есть все врожденные качества своего организма: цвет глаз и волос, форму тела и отдельных его частей, свойства нервной системы и т. д. Вся наследственная информация в большинстве живых существ на Земле, в том числе и у людей, передается генами и закодированная с помощью дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). В свою очередь ДНК является видоспецифической соединением и несет генетическую информацию в виде определенной последовательности азотистых оснований (нуклеотидов) пуринового [аденин (А) и гуанин (Г)] и пиримидинового [тимин (7) и цитозин Щ)] химических рядов. Спаривания азотистых оснований происходит строго по схеме: А — Те Г-Ц, что называется принципом комплементарности (взаемодоривнюваности). Каждый ген (от греческого gems — семья, происхождение) является элементарной единицей наследственности и представляет собой долю молекулы ДИК, которая насчитывает 1000-1500 нуклеотидов. Отдельные гены определяют строение отдельных белков живой клетки и, таким образом, принимают участие в создании характерных признаков, или свойств данного организма. Совокупность генов, передающих всю наследственную информацию о видовые и индивидуальные особенности конкретного организма, называется генотипом.

Различные виды животных и растений имеют разный порядок расположения и молекулярный набор азотистых оснований в ДНК, но всегда молярное соотношение А-Т и Г-Ц = 1, что называется принципом Чаргафа, а отношение Г + Ц, А + Т отражает видовую специфичность структуры ДНК (например, для человека это соотношение составляет 0,66, для мыши — 0,81 и т.д.). Само ДНК состоит из двух, направленных в противоположные стороны цепей. Пуриновые (А, Г) и пиримидинови (Т, ИД) основы размещаются перпендикулярно к оси молекулы ДНК таким образом, что аденин одной цепи соединяется неустойчивыми водородными связями только с тимином противоположной цепи, а гуанин только с цитозином. Таким образом, молекула ДНК представляет собой спираль из двух цепей, расстояние между которыми составляет всего 10 ангстрем (1 ангстрем — 1 / 100 000 000 см).

ДНК, вместе с гистоновых и не гистоновых белками и молекулами рибонуклеиновой кислоты (РНК) образует тяж дезоксирибонуклеопротеид (ДНП), который называется хроматином. В структуре хроматина, ДНК составляет 30-40%, а белки 60-70% всей массы. В состав хроматина входит также 3-4% липидов и ионы кальция, магния и железа, которые нужны для работы ферментов, осуществляющих процессы транскрипции (воспроизведение, повторение) ДНК при делении клеток. Во время деления клеток хроматин становится компактным и формируется в хромосомы (толщина каждой до 100 ангстрем) по схеме: два хроматиновый тяжа образуют фибрилл, две фибриллы составляют полухроматиду, две полухроматиды составляют хроматид и, наконец, две хроматиды составляют одну хромосому. Набор всех хромосом в каждой клетке организма содержит полную генетическую информацию (генотип), что к развитию и функций этой клетки, а в половых клетках — всю информацию, к развитию всего организма.

Известно, что все клетки в организме высших животных, в том числе и человека, делятся на соматические, имеющие двойной (диплоидный) набор хромосом (2п) и являются клетками тела и всех органов, и на половые (гаметы), что во время своего созревания создают одинарный (гаплоидный) набор хромосом (1п). Индивидуально специфический хромосомный комплекс всех клеток каждого вида животных или растений называется кариотипом. У человека кариотип соматических клеток насчитывает 46 хромосом, а половых, соответственно, 23 хромосомы. В женских клетках есть две XX хромосомы, а у мужских два ХУ хромосомы. При оплодотворении, женская и мужская гаметы сливаются, образуя зиготу (зародыш) в котором двойной набор хромосом состоит из галоидных набора этих хромосом от отца и матери, что и обусловливает общие качества будущего организма ребенка. При этом возможно, что особенности одного из родителей будут преобладать и тогда соответствующие качества более проявляются у ребенка. Процесс точной генотипа от родителей к ребенку осуществляется с помощью информационной рибонуклеиновой кислоты (и-РНК), которая способна создавать копии с ДНК и этот процесс называется репликацией, другие РНК, называемых транспортными (т-РНК) способны переносить эту информацию вновь создаваемым белкам нового организма в виде определенной последовательности аминокислот этих белков и этот процесс называется транскрипцией. Гены под действием различных физических, химических и других факторов могут изменять свои определенные участки, что называется мутацией. Мутации связаны с нарушениями нормальной последовательности нуклеотидов в ДНК (например, с заменой одной пары нуклеотидов другой парой, с выпадением некоторых нуклеотидов (явление диляции), или с их удвоением (явление дупликации), В результате могут возникать новые аллели (линии) потомков, с признаками, которых не имели родители и которые могут быть доминантными (преобладающими) или рецессивными (подавленными). Доминантные признаки (например, от одного из родителей) и определяют преимущество признаков соответствующего предка у ребенка (то есть в фенотипе). Спонтанные (случайные) положительные мутации обуславливают генетическую изменчивость, составляющих основу прогрессивных эволюционных изменений в природе. Отрицательные мутации становятся основой разнообразных врожденных пороков развития детей или даже основой детской смертности.

После рождения дети растут и развиваются в различных условиях природной и социальной среды, что чти всегда значительно влияет на ход реализации их генотипа и формирования индивидуальных качеств фенотипа.

Под надежностью системы понимают ее способность выполнять определенные функции с заданными характеристиками в определенных условиях в течение требуемого периода времени. Высокая надежность биосистем является эволюционно сформированным неотъемлимым их свойством. Оно обеспечивает эффективное функционирование организма в условиях постоянного действия большого числа случайных факторов. И хотя очевидно, что биологические системы "построены" из малонадежных элементов, их высокая надежность достигается за счет реализации общих принципов функционирования сложных систем. К этим принципам относятся резервирование элементов системы (их повторяемость) и механизмы ремонта разрушающихся элементов.[ ...]

Согласно концепции надежности, элементы системы могут находиться в двух состояниях: активном (рабочем) и неактивном (отказ). Под отказом элемента системы понимают выход его характеристик за допустимые пределы или полное прекращение функционирования. Отказом биообъекта считают его смерть.[ ...]

Подробный анализ механизмов обеспечения надежности клетки на уровне генома и множественных негенетических структур проведен в монографии Д.М.Гродзинского (1983). Мы остановимся только на некоторых общих положениях проблемы.[ ...]

Сохранение живой системы при постоянных внешних и внутренних "помехах" возможно только при высокой надежности хранения и передачи наследственной информации в поколениях и от генома к негенетическим структурам клетки. Утверждают даже (Патти, 1970), что различия между живой и неживой природой заключаются не в уникальном строении макромолекул, матричной репликации или регуляции метаболизма, а в высокой надежности молекулярных кодов, т.е. связи между генотипом и фенотипом.[ ...]

Отказы в генетической системе имеют для клетки драматические последствия: сильное нарушение функции, появление мутаций или гибель. Поддержанию надежности генетического аппарата способствует резервирование его элементов: двухсшральность ДНК, многоядер-ность, увеличение плоидности (количества генов в одном ядре). Однако возрастание устойчивости не пропорционально количеству ДНК и важную роль играет структурно-функциональная организация хромосом.[ ...]

Подсчитано, что в геноме животной клетки в течение суток образуется Ю5 спонтанных повреждений ДНК (Виленчик, 1980). У растения эта величина должна быть больше, так как оно имеет меньше возможностей избегать внешних воздействий. Нарушения в геноме устраняются при помощи различных типов репарационных механизмов. Они изучены преимущественно на микробных и животных клетках, подвергнутых действию УФ и ионизирующей радиации. Процессы восстановления поврежденной ДНК обнаружены и у растительных клеток.[ ...]

Принципы разных способов защиты генома клетки далеко не всегда очевидны. На примере развития радиобиологии можно проследить, как первоначальный интерес к резервированию уникальных структур (размер и число мишеней) в последующие годы уступил место изучению механизмов ремонта поврежденных структур.[ ...]

Для нормальной работы генома клетки важно надежное функционирование массовых структур, строгая внутриклеточная структурнофункциональная организация метаболизма. Повреждение мембран клетки ведет к ингибированию репарационных систем ДНК (Поливода и др., 1990). Значительные нарушения различных макромолекул не совместимы с сохранением жизнеспособности клетки.[ ...]

Для организации метаболизма клетки характерно глубокое резервирование. В клетке существуют запасы (фонды) продуктов метаболизма и интермедиатов: аминокислоты, простые и сложные сахара, нуклеотиды, липиды, АТФ, ионы и др. Резерв метаболитов поддерживается в некоторое определенных пределах, так как клетка не должна перегружаться ими. Объемы фондов это динамическая величина, поскольку они постоянно обновляются с характерными скоростями.[ ...]

Фонды метаболитов не равномерно распределены по клетке, а разделены мембранами и локализованы в отдельных отсеках (камерах, компартментах). Компартменты метаболических фондов клетки связаны между собой транспортными потоками. В соответствии с избирательной проницаемостью мембран происходит пространственное перераспределение интермедиатов и продуктов обмена. Например, в клетке запас АТФ поддерживается за счет "горизонтальных" связей процессов фотосинтетического и окислительного фосфоршшрования.

Естественно, что организм, непрерывно взаимодействуя с окружающей средой, должен иметь механизмы, обеспечивающие его жизнеспособность в пределах широких колебаний окружающих условий. Поэтому в процессе филогенеза происходило широкое накопление жизненных возможностей, создание своеобразного резерва, который составляет так называемую биологическую надежность организма . Примером, подтверждающим высказанное положение, может служить развитие системы свертывания крови. Известно, что количество тромбина (фермента, вызывающего свертывание крови), содержащегося в 10 мл крови, достаточно для свертывания всей крови человека; в среднем в организме около 5 литров крови; следовательно, тромбина одного человека вполне достаточно для превращения в сгусток крови 500 человек. Принимая во внимание, что при свертывании используется лишь часть этого фактора, нетрудно представить колоссальные резервные возможности всей системы.

Принцип надежности присущ как всему организму в целом, так и его системам (центральной нервной системе, дыхательной, пищеварительной и т. д.). Накопление биологической надежности в отдельных органах и системах идет гетерохронно. В первую очередь максимальное увеличение надежности происходит в системах, приобретающих на данном этапе развития решающее значение. Так, например, концентрация факторов, участвующих в свертывании крови, у новорожденного уже близка к уровню взрослого человека. В течение первых двух лет жизни их количество повышается в 2–3 раза. Это увеличение совпадает с периодом овладения ребенком навыками ходьбы и, несомненно, повышает биологическую надежность организма, подвергающегося на данном этапе развития возросшей угрозе травм и повреждений.

Биологическая надежность одних систем обеспечивается дублированием органов (парные почки, легкие, глаза и т. д.); других – взаимозаменяемостью (потеря зрения приводит к обострению слуха и тактильной чувствительности).

Важной особенностью биологической надежности является то, что в нормальных условиях организм и все его системы функционируют не на пределе своих возможностей, а сохраняют определенный резерв, который может быть использован в экстремальных ситуациях. Так, в вентиляции легких участвует лишь 15% легочной ткани, а при интенсивной физической работе – 25–30%. В коре больших полушарий активны лишь 4% нервных клеток, что свидетельствует об огромных резервных возможностях нервной деятельности. Следовательно, увеличение количества функционирующих элементов различных систем организма – один из важных стратегических подходов к повышению его резервных возможностей.

Надежность биологической системы наследственно закреплена и позволяет расширять или снижать границы жизненных возможностей человека в зависимости от условий жизни. Так, закаливание организма расширяет резервные возможности температурной адаптации. Недостаточное питание детей приводит к нарушениям деятельности центральной нервной системы, что выражается в ухудшении показателей обучаемости и поведения.

1.6. Адаптивность

Адаптация (прилаживание, приноравливание) – свойство организма приспосабливаться к действию факторов окружающей среды. Различают адаптацию физиологическую и социальную. Физиологическая адаптация – совокупность функциональных реакций организма на неблагоприятные воздействия внешней среды, направленных на сохранение свойственного организму уровня гомеостаза (относительное физико-химическое постоянство внутренней среды организма).

В настоящее время под адаптацией понимают формирование приспособительных реакций организма не только при действии неблагоприятных или экстремальных факторов среды, но и при действии обычных (не экстремальных) факторов.

Биологические механизмы адаптации изучены пока недостаточно. Отмечено, что любые приспособительные реакции в организме осуществляются под контролем ЦНС благодаря формированию специальных функциональных систем адаптации, включающих корковые и подкорковые отделы головного мозга и эндокринные железы. В формировании защитных реакций организма в условиях экстремальных воздействий (стресса) особое значение отводится гипофизу и надпочечникам, синтезирующим так называемые адаптивные гормоны. Адаптация человека к условиям среды, являясь общебиологическим свойством всего живого, вместе с тем характеризуется качественной особенностью – она носит ярко выраженный социальный характер.

Ребенок прежде всего должен приспосабливаться к действию факторов социальной среды и вырабатывать целесообразные поведенческие реакции для данной социальной микрогруппы: семья, ясли, детский сад, школа и т. д. Учителю и воспитателю необходимо знать, что адаптационные возможности детей и подростков существенно меньше, чем взрослого человека, поэтому их следует оберегать от резких изменений условий жизни, от действия непривычных для них раздражающих факторов. Исследования процессов адаптации детей при поступлении их в ясли, детский сад и школу свидетельствуют о напряженной деятельности всех физиологических систем детского организма, что приводит к задержке физического развития, снижению резистентности организма и развитию различных заболеваний. Значительное влияние на ход адаптации оказывает неблагополучный анамнез ребенка: патологическое течение беременности у матери, неблагоприятные роды, частые заболевания ребенка, травмы головного мозга. Резко снижаются адаптационные возможности организма детей и подростков в критические периоды развития.

Известно, что при поступлении детей в школу в корне меняется характер их жизни. Им приходится адаптироваться к школьной нагрузке – физической, умственной и эмоциональной. Проведение нескольких часов в день за партой в школе, дома за столом приводит к напряжению статических мышц, поддерживающих осанку. Незрелость опорно-двигательного аппарата детей младшего школьного возраста, а также недостаточное развитие координационных механизмов в коре головного мозга обусловливают несовершенство двигательной функции. Недостаточная сила нервных процессов, преобладание процессов возбуждения над процессами торможения может до некоторой степени объяснить неустойчивость внимания, ухудшение памяти и быстрое утомление. Многие школьники испытывают гиподинамию, которая ведет к ухудшению функций нервной системы, внутренних органов, костной и мышечной систем и нарушению осанки.

Адаптация первоклассников к школьной нагрузке протекает в три фазы (А. Г. Хрипкова и др., 1982).Первая – фаза ориентировочного приспособления – длится 2 недели и характеризуется повышением возбудимости детей, увеличением реактивности всех систем. У 40% детей наблюдается повышенная двигательная активность. Учителю необходимо реализовать эту жизненно необходимую потребность через физкультминутки и организацию перемен с максимальным пребыванием на свежем воздухе.

Вторая – фаза относительно устойчивого приспособления – длится до 6-ти недель. В эту фазу происходит постепенное привыкание детей к новым условиям, к режиму. Однако это приспособление не стойкое. Поэтому любые перегрузки могут привести к истощению организма, особенно ранима психика ребенка. Может появляться агрессия, различные формы неврозов (боязнь школы, учителя, плохих отметок и т. д.). Установлено, что в среднем, около 15% детей могут не справиться со школьной нагрузкой. На этой почве могут возникнуть различные заболевания: наиболее часто встречаются заболевания органов дыхания, желудочно-кишечного тракта, инфекционные заболевания. В данном случае следует, учитывая состояние здоровья ребенка и условия жизни, перевести его на индивидуальное обучение либо повременить с обучением.

Третья – фаза неполного приспособления – длится от 16-ти до 20-ти недель. Она характеризуется тренировкой всех систем организма: улучшением работоспособности, овладением навыками письма, чтения, счета. Развитие и длительность этой фазы зависят от условий, создаваемых педагогами и родителями. Рационально составленный режим дня, регулярное полноценное питание и достаточный сон облегчают адаптацию детей к школьной нагрузке. Однако необходимо помнить, что ни одна схема режима дня не может быть универсальной, пригодной для всех. В каждом конкретном случае необходимо учитывать индивидуальные особенности ребенка.

У многих первоклассников к концу года наблюдается потеря веса, замедление ростовых процессов, снижение артериального давления и повышенная утомляемость. Мерой адаптации детей к школьным нагрузкам является уровень их здоровья.

Поскольку адаптация младших школьников протекает на разных уровнях (нервно-психическом, двигательно-поведенческом, вегетативном, биохимическом и т. д.), то для оценки используют различные тесты и методики.

Кроме активной адаптации , обеспечивающей приспособление организма к условиям среды, может развиться и пассивная адаптация , заключающаяся в избегании, уходе от воздействия факторов среды. Такое проявление адаптации является неблагоприятным фоном для дальнейшего развития ребенка и свидетельствует о необходимости коррекции условий жизни.

Надежность биологических систем

Надежностью биологической системы называют ее способность со­хранять целостность и выполнять свойственные ей функции в те­чение определенного времени, составляющего, как правило, продол­жительность жизни.

Принципы надежности

Свойство надежности обеспечивается рядом принципов:

1. Принцип избыточности

Принцип избыточности - обусловлен наличием боль­шего, чем требуется для реализации функции числа элементов, например, множества нервных клеток и связей между ними (струк­турная избыточность), множества каналов передачи информации, излишнего ее объема (информационная избыточность) и т.п..

2. Принцип резервирования функции

Принцип резервирования функции - обеспечи­вается наличием в системе элементов, способных переходить из состояния покоя к деятельности. Это происходит, например, при не­обходимости повысить интенсивность функционирования, для чего вовлекаются резервные элементы. Так, при спокойном дыхании функционируют (вентилируются) не все альвеолы легких, а при усилении дыхания включаются резервные; в работающей мышце открываются нефункционирующие в покое капилляры. Приведенный вариант реализации принципа резервирования ведет к увеличению числа функционирующих в системе элементов. Особое значение приобретает наличие резервных элементов при повреждении или отказе части действующих структур. При этом вовлечение резервных элементов обеспечивает сохранение функции.

3. Принцип периодичности функционирования

Принцип периодичности функционирования обеспечивает переменную структуру системы и в состоянии физио­

логического покоя. Так, в легких постоянно происходит смена вен­тилируемых альвеол, в почках - функционирующих нефронов, в мозге - возбуждающихся нервных клеток центра и т.д. Периодич­ ность функционирования «дежурных» и «покоящихся» структур обес­ печивает защитную роль состояния покоя для всех элементов по­ стоянно действующей системы.

4. Принцип взаимозаменяемости и замещения функций

Принцип взаимозаменяемости и замещения функций - обеспечивает возможность перестройки функциональ­

ных свойств элементов системы, что способствует сохранению функ­ции в условиях отказа или повреждения других элементов. Для центральной нервной системы это проявляется в пластичности моз­га, т.е. изменении эффективности и направленности связей между нейронами, способствующей обучению или восстановлению функции после повреждения. Примером замещения функций может являться изменение дыхания, деятельности почек при сдвигах рН крови и

недостаточной эффективности буферных систем.

5. Принцип дублирования

Принцип дублирования, связан, например, с наличи­ем в организме парных органов (легкие, почки). В системах регулирования этот принцип проявляется не только наличием одинако­вых структурных элементов - параллельным расположением в нерве большого числа одинаковых нервных волокон, существованием многочисленных клеток или многоклеточных структур с одинаковой функцией (нейроны в мозге, нефроны в почке, тканевые капилля­ры). Он также обеспечивает одинаковый эффект разными путями регуляции (симпатический и парасимпатический пути регуляции функций сердца, множество сахаррегулирующих гормонов и т.п.). Многоконтурность в системах регуляции физиологических параметров - один из основных способов реализации дублирования.

6. Принцип смещения в ряду сопряженных функций

Принцип смещения в ряду сопряженных функций обеспечивает достижение приспособительного результа­та при нарушении одной из функций за счет активации другой. Например, при нарушении внешнего дыхания и поступления кислорода в кровь активируется образование эритроцитов, изменяются функции кровообращения, вследствие чего доставка кислорода к тканям не страдает.

7. Принцип усиления, существующий в системах регуляции

Принцип усиления, существующий в системах регуляции, обеспечивает их энергетическую экономичность и в конечном счете также способствует надежности. Для получения мощного регуляторного эффекта совсем не обязательно посылать столь же боль­шое количество сигналов по информационным каналам. Так, весьма небольшое количество молекул гормона может вызвать существенное изменение функции. Изменение лишь одной аминокислоты в детерминантной группе белка может придать ей чужеродность, а для иммунного ответа необходимо очень малое количество чужеродных молекул.

Надежность биологических систем обеспечивается и способностью к увеличению массы элементов, испытывающих постоянные рабочие нагрузки (гипертрофия), и регенеративными процессами, восстанав­ливающими структуру при гибели клеток. Для организма в целом важнейшим способом повышения надежности является приспособи­тельное поведение.

18. Понятие о компенсации, её этапы.

Компенсация (компенсаторные процессы) - адаптация в условиях болезни, приспособление к патологическим условиям существования организма. Сформированное таким образом приспособление (стадия компенсации) рано или поздно завершается истощением функциональных возможностей и срывом компенсации - декомпенсацией (стадия декомпенсации). При декомпенсации жизненно важных функций наступает смерть организма. Рекомпенсация возможна только путём замены «изношенного» органа полноценным донорским (трансплантация органа). Таким образом, решение проблемы рекомпенсации зависит от успехов трансплантационной медицины.

Морфология приспособительных процессов

В отечественной патологической анатомии среди приспособительных процессов, помимо воспаления, иммунного ответа и тромбоза, традиционно рассматривают объёмные процессы (атрофию и гипертрофию), регенерацию, дисплазию, организацию и стресс-синдром.

Похожая информация.

text_fields

text_fields

arrow_upward

Надежностью биологической системы называют ее способность со­хранять целостность и выполнять свойственные ей функции в те­чение определенного времени, составляющего, как правило, продол­жительность жизни .

Принципи надежности

Свойство надежности обеспечивается рядом принципов :

1. Принцип избыточности

Принцип избыточности - обусловлен наличием боль­шего, чем требуется для реализации функции числа элементов, например, множества нервных клеток и связей между ними (струк­турная избыточность), множества каналов передачи информации, излишнего ее объема (информационная избыточность) и т.п..

2. Принцип резервирования функции

Принцип резервирования функции - обеспечи­вается наличием в системе элементов, способных переходить из состояния покоя к деятельности. Это происходит, например, при не­обходимости повысить интенсивность функционирования, для чего вовлекаются резервные элементы. Так, при спокойном дыхании функционируют (вентилируются) не все альвеолы легких, а при усилении дыхания включаются резервные; в работающей мышце открываются нефункционирующие в покое капилляры. Приведенный вариант реализации принципа резервирования ведет к увеличению числа функционирующих в системе элементов. Особое значение приобретает наличие резервных элементов при повреждении или отказе части действующих структур. При этом вовлечение резервных элементов обеспечивает сохранение функции.

3. Принцип периодичности функционирования

Принцип периодичности функционирования обеспечивает переменную структуру системы и в состоянии физио­
логического покоя. Так, в легких постоянно происходит смена вен­тилируемых альвеол, в почках - функционирующих нефронов, в мозге - возбуждающихся нервных клеток центра и т.д. Периодич­ ность функционирования «дежурных» и «покоящихся» структур обес­ печивает защитную роль состояния покоя для всех элементов по­ стоянно действующей системы.

4. Принцип взаимозаменяемости и замещения функций

Принцип взаимозаменяемости и замещения функций - обеспечивает возможность перестройки функциональ­
ных свойств элементов системы, что способствует сохранению функ­ции в условиях отказа или повреждения других элементов. Для центральной нервной системы это проявляется в пластичности моз­га, т.е. изменении эффективности и направленности связей между нейронами, способствующей обучению или восстановлению функции после повреждения. Примером замещения функций может являться изменение дыхания, деятельности почек при сдвигах рН крови и
недостаточной эффективности буферных систем.

5. Принцип дублирования

Принцип дублирования, связан, например, с наличи­ем в организме парных органов (легкие, почки). В системах регулирования этот принцип проявляется не только наличием одинако­вых структурных элементов - параллельным расположением в нерве большого числа одинаковых нервных волокон, существованием многочисленных клеток или многоклеточных структур с одинаковой функцией (нейроны в мозге, нефроны в почке, тканевые капилля­ры). Он также обеспечивает одинаковый эффект разными путями регуляции (симпатический и парасимпатический пути регуляции функций сердца, множество сахаррегулирующих гормонов и т.п.). Многоконтурность в системах регуляции физиологических параметров - один из основных способов реализации дублирования.

6. Принцип смещения в ряду сопряженных функций

Принцип смещения в ряду сопряженных функций обеспечивает достижение приспособительного результа­та при нарушении одной из функций за счет активации другой. Например, при нарушении внешнего дыхания и поступления кислорода в кровь активируется образование эритроцитов, изменяются функции кровообращения, вследствие чего доставка кислорода к тканям не страдает.

7. Принцип усиления, существующий в системах регуляции

Принцип усиления, существующий в системах регуляции, обеспечивает их энергетическую экономичность и в конечном счете также способствует надежности. Для получения мощного регуляторного эффекта совсем не обязательно посылать столь же боль­шое количество сигналов по информационным каналам. Так, весьма небольшое количество молекул гормона может вызвать существенное изменение функции. Изменение лишь одной аминокислоты в детерминантной группе белка может придать ей чужеродность, а для иммунного ответа необходимо очень малое количество чужеродных молекул.

Надежность биологических систем обеспечивается и способностью к увеличению массы элементов, испытывающих постоянные рабочие нагрузки (гипертрофия), и регенеративными процессами, восстанав­ливающими структуру при гибели клеток. Для организма в целом важнейшим способом повышения надежности является приспособи­тельное поведение.

Реактивность

text_fields

text_fields

arrow_upward

Необходимым свойством живой системы, влияющим на эффек­тивность механизмов регуляции, является реактивность.
Реактивность - это способность живой системы в большей или меньшей мере, так или иначе отвечать (реагировать) изменениями обмена веществ и функции на раздражители внешней или внутренней сре­ды.
Являясь одним из основных свойств, присущих всем уровням организации живой системы, реактивность зависит от функционального состояния реагирующего субстрата. Поэтому характер ответной реакции любой живой системы определяется не только качествен­ными и количественными характеристиками раздражителя, но и ре­активностью самой системы. Соответственно, эффекты регуляторных сигналов (нервных импульсов, молекул химических веществ) зависят не только от характеристик этих сигналов, но и от реактивности регулируемого объекта, т.е. эффектора.

Одно из проявлений свойства реактивности получило название правила исходного состояния, согласно которому ве­личина и направленность эффекта регуляторного сигнала зависит от особенностей метаболизма и функции, имевшихся в регулируемой системе перед действием этого сигнала. Сущность этого правила проявляется в следующем. Если функция клетки, ткани, органа или физиологической системы, либо метаболические пути находятся в активированном состоянии, то на стимулирующий регуляторный сигнал отмечается или слабый эффект, или отсутствие эффекта, или даже противоположный эффект, а регулятор подавляющего действия, напротив, вызывает максимально возможный эффект. Если же в исходном состоянии функция или метаболизм снижены, то стиму­лирующий регулятор вызывает максимальный эффект, а действие подавляющего регулятора ослаблено или даже приводит к стимуля­ции эффектора.

Механизмы регуляции жизнедеятельности организма

text_fields

text_fields

arrow_upward

Механизмы регуляции жизнедеятельности организма принято де­лить на нервные и гуморальные . Первые используют для передачи и переработки информации структуры нервной системы (нейроны, нервные волокна) и импульсы электрических потенциалов, вторые - внутреннюю среду и молекулы химических вешеств.

1. Нервная регуляция

Нервная регуляция обеспечивает быструю и направленную передачу сигналов, которые в виде нервных импульсов по соответствующим нервным проводникам поступают к определенному адресату - объ­екту регуляции. Быстрая передача сигналов (до 80-120 м/с) без затухания и потери энергии обусловлена свойствами проводящих возбуждение структур, преимущественно состоянием их мембран. Нервной регуляции подлежат как соматические (деятельность скелетной мускулатуры), так и вегетативные (деятельность внутренних органов) функции. Это универсальное значение нервной регуляции жизнедеятельности и физиологических функций было положено в основу концепции нервизма, рассматривающей целостность организ­ма как результат деятельности нервной системы. Однако абсолюти­зация этой концепции до теории физиологии не оставляет места для многообразия уровней и связей в системе регуляции жизнедеятель­ности механизмов интеграции функций. Элементарный и основной принцип нервной регуляции - рефлекс.

2. Гуморальная регуляция

Гуморальная регуляция представляет собой способ передачи регу­лирующей информации к эффекторам через жидкую внутреннюю среду организма с помощью молекул химических веществ, выделя­емых клетками или специализированными тканями и органами. Этот вид регуляции жизнедеятельности может обеспечивать как относи­тельно автономный местный обмен информацией об особенностях метаболизма и функции клеток и тканей, так и системный эффе­рентный канал информационной связи, находящийся в большей или меньшей зависимости от нервных процессов восприятия и перера­ботки информации о состоянии внешней и внутренней среды. Со­ответственно, гуморальную регуляцию подразделяют на местную, малоспециализированную саморегуляцию, и высокоспециализирован­ную систему гормональной регуляции, обеспечивающую генерализо­ванные эффекты с помощью гормонов. Местная гуморальная регу­ляция (тканевая саморегуляция) практически не управляется нервной системой, тогда как система гормональной регуляции составляет часть единой нейро-гуморальной системы.

Деление механизмов регуляции жизнедеятельности организма на нервные и гуморальные весьма условно и может использоваться только для аналитических целей как способ изучения. На самом деле, нервные и гуморальные механизмы регуляции неразделимы .

Во-первых , информация о состоянии внешней и внутренней сре­ды воспринимается почти всегда элементами нервной системы (ре­цепторы), обрабатывается в нервной системе, где может трансфор­мироваться в сигналы исполнительных устройств либо нервной, либо гуморальной природы. Следовательно, для второго и третьего уров­ней системы регуляции физиологических функций управляющим уст­ройством является, как правило, нервная система.

Во-вторых , сигналы, поступающие по управляющим каналам нервной системы передаются в местах окончания нервных провод­ников в виде химических молекул-посредников, поступающих в микроокружение клеток, т.е. гуморальным путем. А специализиро­ванные для гуморальной регуляции железы внутренней секреции управляются нервной системой.

Таким образом, следует говорить о единой нейро-гуморальной сис­теме регуляции физиологических функций . Однако, руководствуясь дидактикой, механизмы нервной (рефлекторной) и гуморальной ре­гуляции будут рассмотрены раздельно.