Биологический каталог




Основы общей биологии

Автор Э.Гюнтер, Л.Кемпфе, Э.Либберт, Х.Мюллер, Х.Пенцлин

ачения сигнала (бинарный сигнал), например

1 и 0, и оба одинаково вероятны, то однократный сигнал 1 или О, передает количество информации, равное 1 биту. При четырех возможных равновероятных сигналах, например A, G, Т и С, каждый из них содержит 2 бита, при 8 возможных сигналах— 3 бита, при п возможных равновероятных сигналах — ildra бит (Id — logarithmus dualis, логарифм по основанию 2; Id 2=1, Id 4 = 2, Id 8 = 3).

Количество информации /, в данном сигнале, одиом из я возможных сигналов (х\,хг,...,ха), которые встречаются с вероятностью P(xi), выражается в общем виде (по Шэннону) следующим образом:

Поскольку HP(xt) = L, среднее количество информации Н в сигнале из одного источника вычисляется как

_ " 1

Я = /, = ^ Р Id -р-Ш' (бит/сигнал)Если в особом случае все сигналы одинаково вероятны, т. е. P(xi)**P(x2)= —.. .—P(Xi,)=—, то Н достигает максимума:

ffmax = " ^-j- id -щ} = Id я =.

При л=2 получим

Яшах = Л = ld2 = 1 бит (см. выше).

Двукратная передача одного и того же сигнала, содержащего 1 бит, дает количество информации 2 бита и т. д.

У человека максимальный поток информации, направленный внутрь (главным образом по зрительному каналу), оценивается в 108—109 бит/с. Из этого количества лишь около 50 бит/с доходит до сознания. Это уменьшение потока информации до оптимальной величины—результат отбора, отфильтровьгвающего наиболее «существенное». В памяти может прочно удерживаться только 1 бит/с, что составляет 109 бит за 80 лет жизни (для сравнения: книга среднего объема содержит около 106 бит). Для управления поведением человека, активностью его желез, мышц и т. д. необходим выходной (направленный из мозга) поток информации объемом около 107 бит/с. Он обеспечивается подключением программ, содержащихся в памяти (рис. 1.9).

1.3.3. РЕГУЛЯЦИЯ НА МОЛЕКУЛЯРНОМ УРОВНЕ

В ряде случаев саморегуляция метаболических процессов объясняется тем, что клетка представляет собой термодинамически открытую систему. Стационарные концентрации остаются неизменными только до тех пор, пока постоянны все эндогенные и экзогенные условия. Если изменяется какой-либо параметр системы, она переходит в новое стационарное состояние с измененными скоростями реакций и/или стационарными концентрациями реагирующих веществ.

Причинами изменения стационарного состояния могут быть:

а) изменения в концентрациях метаболитов и коферментоа

(4.3.4);

б) изменения в активности ферментов (4.6);

42 Глава 1

Основные принципы организации живых систем 43

Энергия

Действие

Информация

Управление Рис. 1.11. Управление и регулирование.

Энергия

Действие

Информация

Регулирование

в) изменения в количествах ферментов (5.3).

При изменении стационарного состояния могут наблюдаться следующие варианты изменения концентраций во времени (ipirc. 1.10):

а) новый уровень, как это бывает в закрытой системе, достигается асимптотически;

б) новый, более высокий (более низкий) уровень достигается после прохождения максимума (минимума), как при

«стрельбе в цель» — явление «перелета» (овершут);

в) новый, более высокий (низкий) уровень достигается после прохождения минимума (максимума) —«ложный старт»;

г) новый уровень достигается в результате затухающих синусоидальных колебаний — осцилляция.

1.3.4. СТРОЕНИЕ КОНТУРА РЕГУЛЯЦИИ

Под управлением в биологии, как и в технике, понимают «влияние информации на поток энергии». Правда, чаще всего для процесса управления тоже необходима энергия, но она не поступает в управляющем потоке энергии, а только изменяет определенные условия, от которых зависит управляемый процесс. Следовательно, управлять может только информационное содержание управляющей величины. Энергия управляющего сигнала может иметь совсем иную природу, нежели энергия управляемого процесса. Например, поток световой энергии, воздействующий на светочувствительные клетки, управляет частотой электрических импульсов, посылаемых этими клетками d центральную нервную систему (1.3.1).

Если эффект, вызываемый воздействием управляющего процесса на поток энергии, измеряется и информация об этом эффекте воздействует обратно на управляющий процесс, то говорят об обратной связи. При отрицательной обратной связи изменение регулируемой величины вызывает процессы, в результате которых именно это изменение уменьшается или ликвидируется полностью. С помощью механизмов обратной связи многие величины поддерживаются на постоянном уровне и как бы самостоятельно сопротивляются внешним возмущающим воздействиям; это и есть регуляция.

Регуляция в отличие от управления основана не на разомкнутой «рабочей» цепи, а на внутренне замкнутой «рабочей» цепи, или контуре регуляции (рис. 1.11). Контур состоит из отдельных элементов, которые имеют с одной стороны вход для сигналов, а с другой стороны — выход. Элементы контура регуляции могут передавать информацию только по направлению от входа к выходу, но не наоборот. Поэтому они, а тем самым и весь контур регуляции, обладают направленностью действия.

Контур регуляции подразделяется на регулируемый участок и регуляторы. Регулируемый участок — это область, где находится регулируемая величина. Регуляторы содержат в себе те элементы, которые осуществляют регуляцию; измерительный элемент (датчик) следит за регулируемой величиной и передает дальше ее фактическое значение; сравнивающее звено сравнивает полученное фактическое значение с заданным значением и в случае их несовпадения посылает «сигнал рассогласования». Последний приводит в действие корректирующее звено, ?что ведет к уменьшению отклонения регулируемой величины от заданного значения, и на этом контур регуляции замыкается (рис. 1.12).

Процесс регуляции не влияет на возмущающие факторы, которые вызызают отклонение регулируемой величины. Регулируемый участок имеет возмущающее и корректирующее воздействия в качестве входов и фактическое значение регулируемой (Величины в качестве выхода. Регуляторы имеют в качестве вхо44 Глава 1

Основные принципы организации живых систем 45

Измеритель ный элемент: срота-рецепторы

Регулируемая величина х: освещенность сетчатки

Возмущающая величина г: световой поток от внешнего источника

Рис. 1.12. Строение контура регулирования на примере механизма, регулирующего величину зрачка. (Penzhin.)

дов фактическое и заданное значения регулируемой величины, а в качестве выхода —корректирующее воздействие.

Относительно простой биологический контур регуляции — механизм сужения или расширения зрачка при увеличении или уменьшении светового потока (возмущающая величина) в глазу у человека и других млекопитающих (рнс. 1.12). Механизм зрачка поддерживает освещенность сетчатки (регулируемую величину) по возможности постоянной. Зрительные клетки (измерительный элемент) в сетчатке измеряют мгновенное фактическое значение и направляют информацию в соответствующие центры головного мозга. Оттуда идут приказы мускулатуре радужной оболочки (корректирующему звену), реакция которой ведет к уменьшению или увеличению площади зрачка (корректирующей величине). Благодаря описанной отрицательной обратной связи регулируемая величина, г. е. интенсивность света в глазу, остается в допустимых пределах независимо от воздействия возмущающей величины.

Биологические контуры регуляции обычно весьма сложны. Простые контуры только с одной петлей, включающей регулятор и регулируемый участок, встречаются редко. Часто бывает несколько корректирующих звеньев, следующих друг за другом. Например, в механизме терморегуляции у человека такими звеньями являются: скелетная мускулатура (тонус, дрожь), печень и другие внутренние органы (усиление обмена веществ), кожиые сосуды и потовые железы, а у теплокровных животных без потовых желез еще и дыхательная мускулатура (частое поверхностное дыхание). Одно корректирующее звено может принадлежать нескольким контурам регуляции; например, дыхательная мускулатура участвует и в терморегуляции, и в регуляции дыхания. Поэтому регулирующие системы могут в значительной степени перекрываться.

1.3.5. ПОВЕДЕНИЕ ОТДЕЛЬНЫХ ЗВЕНЬЕВ КОНТУРА РЕГУЛЯЦИИ ВО ВРЕМЕНИ

Решающее значение для процесса регулирования имеет способность звеньев контура к передаче информации. На вход каждого такого «передаточного звена» воздействует по меньшей мере один входной сигнал, а на выходе его покидает по меньшей мере один выходной сигнал. Выходная величина х0 и входная величина xi являются функцией времени: x0{t) и Xi(t). Различают следующие основные типы линейных передающих звеньев: . а) Пропорциональные звенья без запаздывания (Ро-звеиья). Выходная величина в каждый момент времени пропорциональна входной:

к:

*6Х М

x0(t) = KpXe(t) (Кр — коэффициент пропорциональности переноса).

4=

46 Глава 1

Основные принципы организации живых систем 47

б) Интегральные звенья без запаздывания (Ь-звеиья). Выходная величина

пропорциональна интегралу входной величины по времени:

*o(<) = Kl-j*I(t), или ?^jp--KI-XI(T)

(KI— интегральный коэффициент переноса). Скорость изменения Х„ пропорциональна X].

в) Дифференциальные звенья 6E3I запаздывания (Do-звенья). Выходная

величина пропорциональна производной входной величины по времени, т. ескорости ее изменения:

*о (0 = KD AJ^~ (KD — дифференциальный коэффициент переноса).

Изменение выходной величины во времени после скачкообразного повышения входной величины («скачкообразного раздражения»)— так называемая переходная функция — служит для анализа процесса передачи информации (рис. 1.13). Переходная функция Ро-звеньев представляет собой ступенчатую функцию (с высотой КР), функция Ь-звеньев — прямую линию (с наклоном /Ci), а функция Do-эвеньев — импульсную, или дельта-функцию.

Описанные Р0-, 1о- и Do-звенья идеалнзнрованы. В действительности между изменениями xt и х0 проходнт так называемое «мертвое время» (лаг-фаза) в наблюдается некоторое запаздывание, так что новое стационарное значение х» устанавливается асимптотически или достигается в процессе затухающих колебаний (рнс. 1.13).

1.3.6. ДИНАМИКА КОНТУРА РЕГУЛЯЦИИ

В контурах регуляции различают (ср. 1.

страница 8
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80

Скачать книгу "Основы общей биологии" (4.30Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(22.10.2018)