Зворотні зв`язки в живих системах

Введення

Механізм зворотного зв'язку - це реакція системи на зовнішній вплив. Більш точно можна сказати, що механізм зворотного зв'язку - це механізм, що визначає зміну стану, що є реакцією на зовнішній вплив і визначається цією реакцією.

Існують негативні зворотні зв'язки, які підтримують гомеостаз, тобто компенсують зовнішній вплив, і позитивні зворотні зв'язки, які погіршують стабільність системи.

Прагнення до гомеостазу формує механізми не лише негативних, а й позитивних зворотних зв'язків, так як вона компенсується тенденцією різноманітності. Одна з таких тенденцій породжується принципом мінімуму дисипації енергії (розсіювання енергії). Це є таким же емпіричним узагальненням, як і принцип збереження гомеостазу.

Також живим системам властивий метаболізм, тобто обмін енергією і речовиною з зовнішнім світом (обмін речовин), без якого вони існувати не можуть. Однією з провідної тенденцій розвитку живих систем є прагнення найбільшою мірою використовувати енергію зовнішнього середовища. Це теж є емпіричним фактом: так само, як і прагнення зберегти гомеостаз, живому властиво прагнення так змінити систему, направити еволюційний процес у таку сторону, щоб збільшити здатність системи засвоювати зовнішню енергію і речовину.

Таким чином, однією з особливостей будь-якого з найважливіших еволюційних процесів, що протікають в живому світі, є протиріччя між тенденціями до стабільності, тобто збереження гомеостазу, і зміцненню негативних зворотних зв'язків, і тенденціями до пошуку нових, більш раціональних способів використання зовнішньої енергії і речовини, тобто зміцненню позитивних зворотних зв'язків. Вирішення цих протиріч можуть бути різними, і ця обставина відповідально за найрізноманітніші організаційні форми матеріального світу.

У цьому реферати ми проаналізуємо зворотні зв'язки властиві живим організмам.

Основна частина

За енциклопедичним визначенням - зворотній зв'язок це зворотний вплив результатів процесу на його перебіг або керованого процесу на керуючий орган. Зворотній зв'язок характеризує системи регулювання і управління у живій природі, суспільстві і техніці. Розрізняють позитивну і негативну зворотний зв'язок. Зворотній зв'язок класифікують також у відповідності з природою тіл і середовищ, за допомогою яких вони здійснюються. Зворотній зв'язок в складних системах розглядають як передачу інформації про протікання процесу, на основі якої виробляється те чи інше керуючий вплив. У цьому випадку зворотний зв'язок називають інформаційною. Поняття зворотній зв'язок як форми взаємодії відіграє важливу роль в аналізі функціонування і розвитку складних систем управління в живій природі і суспільстві, в розкритті структури матеріальної єдності світу.

Поширена теорія двоїстої зворотного зв'язку, згідно з якою зворотній зв'язок в природних системах представлена ​​у двох формах: інформаційної та неінформаційних. Вважається, що неінформаційних тип поширений в неживій природі, а інформаційний з'являється, починаючи з органічного рівня матерії. Організація систем в живому світі породжує зовсім інший, новий тип механізмів розвитку, невідомий в неживій природі, що містить механізми зворотного зв'язку. Це і є та головна особливість, яка відрізняє живе від неживого.

Таким чином, важливою стороною управління в живих системах є наявність зворотних зв'язків. Принцип зворотних зв'язків є одним з основних принципів самоврядування, саморегуляції та самоорганізації. Без наявності зворотних зв'язків процес самоврядування неможливий. За допомогою зворотних зв'язків самі відхилення об'єкта від заданого стану формують управляючі дії, які призводять стан об'єкта в заданий.

Уявлення про регулювання за принципом зворотних зв'язків. з'явилися в біології давно. Вже перша гіпотеза про рефлекторних реакціях (Р. Декарт, 17 ст., Й. Прохаска, 18 ст.) Містила передумови цього принципу. У більш чіткої формі ці уявлення були розвинені в роботах Ч. Белла, І.М. Сєченова та І.П. Павлова, а пізніше - в 30-40-х рр.. 20 в. Н.А. Бернштейном і П.К. Анохіним. У найбільш повному і близькому до сучасного його розуміння вигляді принцип зворотного зв'язку (негативної) - як загальний принцип для всіх живих систем - був сформульований російським фізіологом Н.А. Бєловим (1912-24) під назвою «паралельно-перехресного взаємодії» та експериментально вивчений на ендокринних органах М.М. Завадовський, який назвав його «плюс - мінус взаємодією». Бєлов показав, що негативна Зворотній зв'язок - загальний принцип, який би тенденцію до рівноваги в будь-яких (не тільки живих) системах, але, як і Завадовський, вважав, що в живих системах неможливе існування позитивного зворотного зв'язку. Радянським ученим А.А. Малиновським була показана наявність в живих системах всіх типів О. с. і сформульовані відмінності їх пріспособітельского значення (1945-60). За кордоном зворотні зв'язки в біології почали широко досліджувати після появи в 1948 книги Н. Вінера «Кібернетика». У СРСР в 50-60-х рр.. 20 в. І.І. Шмальгаузен успішно застосував уявлення про зворотний зв'язок в популяційної генетики.

Таким чином, зворотний зв'язок - це зворотний вплив результатів процесу на його перебіг. Зворотній зв'язок є фундаментальним поняттям кібернетики, особливо теорії управління і теорії інформації; Зворотній зв'язок дозволяє контролювати і враховувати дійсний стан керованої системи (тобто, в кінцевому рахунку, результати роботи керуючої системи) і вносити відповідні коригування в її алгоритм управління. Зворотній зв'язок може бути позитивною і негативною.

Роль позитивних і негативних зворотних зв'язків різна. Негативні зворотні зв'язки забезпечують стабільність функцій живих систем, їх стійкість до зовнішніх впливів. Вони є основним механізмом енергетичного та метаболічного балансу в живих системах, контролю чисельності популяцій, саморегуляції еволюційного процесу. Позитивні зворотні зв'язки відіграють позитивну роль підсилювачів процесів життєдіяльності. Особливу роль вони відіграють для росту і розвитку. Розглянь їх детальніше.

Негативний зворотний зв'язок (ООС) - тип зворотного зв'язку, при якому вхідний сигнал системи змінюється таким чином, щоб протидіяти зміні вихідного сигналу.

Негативний зворотний зв'язок робить систему більш стійкою до випадкового зміни параметрів.

Негативний зворотний зв'язок широко використовується живими системами різних рівнів організації - від клітини до екосистем - для підтримки гомеостазу. Наприклад, у клітках на принципі негативного зворотного зв'язку засновані багато механізмів регуляції роботи генів, а також регулювання роботи ферментів (інгібування кінцевим продуктом метаболічного шляху). В організмі на цьому ж принципі заснована система гіпоталамо-гіпофізарної регуляції функцій, а також багато механізмів нервової регуляції, що підтримують окремі параметри гомеостазу (терморегуляція, підтримання постійної концентрації діоксиду вуглецю і глюкози в крові та ін). У популяціях негативні зворотні зв'язки забезпечують гомеостаз чисельності. Фізіологічний сенс негативного зворотного зв'язку полягає в тому, що збільшення регульованої величини (наприклад, активності органу) понад якогось межі викликає понижуючий вплив з боку поєднаної з нею підсистеми; різке зменшення регульованої величини обумовлює протилежний вплив.

Негативний зворотний зв'язок також підтримує температуру тіла людини близько 37 ° С.

Людина і всі живі істоти, які є саморегульованими гомеостатичності системами, живуть головним чином завдяки негативній зворотного зв'язку.

Позитивний зворотний зв'язок (ПОС) - тип зворотного зв'язку, при якому зміна вихідного сигналу системи призводить до такої зміни вхідного сигналу, яке сприяє подальшому відхиленню вихідного сигналу від початкового значення.

Позитивний зворотний зв'язок прискорює реакцію системи на зміну вхідного сигналу, тому її використовують у певних ситуаціях, коли потрібна швидка реакція у відповідь на зміну зовнішніх параметрів. У той же час позитивний зворотний зв'язок призводить до нестійкості і виникнення якісно нових систем, званих генератори (виробники).

Позитивний зворотний зв'язок рассогласуются систему, і, в кінцевому рахунку, існуюча система трансформується в іншу систему, яка виявляється більш стійкою (тобто в ній починають діяти негативні зворотні зв'язки).

Дія механізму нелінійної позитивного зворотного зв'язку веде до того, що система починає розвиватися в режимі з загостренням.

Позитивний зворотний зв'язок відіграє важливу роль в макроеволюції. У цілому, в макроеволюції позитивний зворотний зв'язок призводить до гіперболічному прискоренню темпів розвитку, що створює ефект рівномірного розподілу подій за логарифмічною шкалою часу.

На рівні найпростіших мікроорганізмів, у яких ще немає нервових клітин, канал зворотного зв'язку (сприйняття - реагування) існував і існує безпосередньо на кордоні, яка відділяє зовнішнє середовище організму від внутрішнього середовища. Виходячи із загальноприйнятої зараз теорії виникнення життя, розглянемо, як працювала зворотній зв'язок на рівні добіологіческом. Наприклад: найпростіші багатомолекулярних системи - коацервати, вже мали зачатки зворотного зв'язку - обмін речовин своєї внутрішнього середовища з зовнішньої. Можливо, одним з визначальних моментів виникнення життя було утворення мембрани, що володіє зачатками вибіркової проникності і відокремлює систему від зовнішнього середовища.

Більш докладно дію зворотних зв'язків можна розглянути на прикладі зростання чисельності популяції деяких видів, наприклад, дрібних рибок, в залежності від наявності їжі (планктону) та наявності риб-хижаків. Чим більше їжі, тим більше число нащадків рибок може прогодуватися і потім дати нове потомство. При необмеженій кількості їжі та відсутності хижаків і хвороб у рибок їх чисельність могла б необмежено зростати. Тут має місце позитивний зворотний зв'язок, що виражається в тому, що процес зростання популяції рибок веде до ще більшого (в геометричній прогресії) її зростанню. У разі наявності риб-хижаків виникає ще одна зворотний зв'язок: чисельність хижаків буде впливати на кількість корму для них (на кількість дрібних рибок). Цей зворотний зв'язок буде негативною. У результаті дії зворотних зв'язків чисельність у популяціях є хвилеподібною і коливання чисельності будуть відбуватися навколо деякого середнього рівня.

У високоорганізованих тварин діяльність центральної нервової системи в нормі завжди включає як необхідна умова наявність зворотного зв'язку. Так, будь-яка дія тварини, наприклад гонитва за здобиччю, супроводжується імпульсами, які надходять від центральної нервової системи до м'язів (біг, схоплювання видобутку), та зворотними сигналами від органів почуттів (зір, пропріорецептори та ін), що дозволяють враховувати результати зусиль і коригувати їх у зв'язку з перебігом подій.

Саморегуляція процесів життєдіяльності також обумовлена ​​зворотного зв'язку. Так, підйом артеріального тиску вище норми сприймається спеціальними рецепторами, які сигналізують про це в вазомоторні центри нервової системи. Це призводить до виникнення відцентрових імпульсів, що ведуть до зниження тиску. Подібний процес - приклад негативного зворотного зв'язку, найбільш часто спостерігається у стабільних живих системах. Більшість регуляторних систем тварин і рослинних організмів працює за цим принципом. Позитивний зворотний зв'язок переважають в період ембріонального розвитку.

Багато процесів в екології, наприклад, регуляція динаміки популяцій, також засновані на позитивній і негативній О. с. Так, особливий випадок негативного зворотного зв'язку є розглянута італійським математиком В. Вольтерра система хижак - жертва. Збільшення чисельності жертв сприяє посиленому розмноженню хижаків, а зростання чисельності останніх, навпаки, - зниження чисельності жертв. Хоча таким чином рівновагу і підтримується в природі, але завдяки запізнення в розмноженні тварин воно набуває форми хвиль життя - широких коливань чисельності тварин навколо середнього рівня.

На молекулярному рівні за принципом О. с. регулюється величезне число ферментативних реакцій, що одночасно протікають в живій клітині. Координація цієї складної взаємозалежної системи здійснюється шляхом зміни активності ферментів (негативний зворотний зв'язок здійснюють інгібітори, позитивну - стимулятори) або швидкості їх синтезу (зворотні зв'язки здійснюють ефектори).

Комбінації позитивних і негативних зворотних зв'язків зумовлюють альтернативну зміну фізіологічних станів (наприклад, сон - неспання). Вивчення кривої розвитку патологічних процесів неінфекційного характеру (трофічні виразки, гіпертонія, маніакально-депресивний психоз, епілепсія і т.д.) дозволяє, виходячи з результату, визначити найбільш ймовірний тип Зворотнього зв'язку, що лежить в основі захворювання, і обмежити вивчення його етіології та патогенезу механізмами певної категорії. Живі об'єкти як найдосконаліші саморегулюючі системи багаті різними типами зворотного зв'язку; вивчення останніх - вельми продуктивно для дослідження біологічних явищ і встановлення їх специфічності.

Таким чином, загальні характеристики зворотних зв'язків можуть бути сформульовані наступним чином:

Негативні зворотні зв'язки сприяють відновленню вихідного стану. Позитивні - вибивають організм все далі від вихідного стану.

Самоорганізація на всіх рівнях починається на основі механізмів позитивного зворотного зв'язку, на які потім накладаються обмеження негативних зворотних зв'язків.

Висновок

У цьому рефераті ми розглянули поняття і види зворотних зв'язків стосовно до живих систем. Підіб'ємо деякі, основні висновки з даного питання.

Механізм зворотного зв'язку - це реакція системи на зовнішній вплив. Більш точно можна сказати, що механізм зворотного зв'язку - це механізм, що визначає зміну стану, що є реакцією на зовнішній вплив і визначається цією реакцією.

Зворотній зв'язок є фундаментальним поняттям кібернетики, особливо теорії управління і теорії інформації; зворотний зв'язок дозволяє контролювати і враховувати дійсний стан керованої системи (тобто, в кінцевому рахунку, результати роботи керуючої системи) і вносити відповідні коригування в її алгоритм управління.

Уявлення про регулювання за принципом зворотних зв'язків. з'явилися в біології давно. Вже перша гіпотеза про рефлекторних реакціях (17 - 18 століття) містила передумови цього принципу. У більш чіткої формі ці уявлення були розвинені в роботах Ч. Белла, І.М. Сєченова та І.П. Павлова, а також протягом всього 20 століття.

Зворотній зв'язок може бути позитивною і негативною.

Негативний зворотний зв'язок - тип зворотного зв'язку, при якому вхідний сигнал системи змінюється таким чином, щоб протидіяти зміні вихідного сигналу.

Негативний зворотний зв'язок робить систему більш стійкою до випадкового зміни параметрів.

Негативний зворотний зв'язок широко використовується живими системами різних рівнів організації - від клітини до екосистем - для підтримки гомеостазу.

Позитивний зворотний зв'язок - тип зворотного зв'язку, при якому зміна вихідного сигналу системи призводить до такої зміни вхідного сигналу, яке сприяє подальшому відхиленню вихідного сигналу від початкового значення.

Позитивний зворотний зв'язок прискорює реакцію системи на зміну вхідного сигналу, тому її використовують у певних ситуаціях, коли потрібна швидка реакція у відповідь на зміну зовнішніх параметрів. У той же час позитивний зворотний зв'язок призводить до нестійкості і виникнення якісно нових систем, званих генератори (виробники).

Позитивний зворотний зв'язок рассогласуются систему, і, в кінцевому рахунку, існуюча система трансформується в іншу систему, яка виявляється більш стійкою (тобто в ній починають діяти негативні зворотні зв'язки).

Таким чином, загальні характеристики зворотних зв'язків можуть бути сформульовані наступним чином:

Негативні зворотні зв'язки сприяють відновленню вихідного стану. Позитивні - вибивають організм все далі від вихідного стану.

Самоорганізація на всіх рівнях починається на основі механізмів позитивного зворотного зв'язку, на які потім накладаються обмеження негативних зворотних зв'язків.

Список використаної літератури