Sisteme biologice deschise. Conceptul de sistem biologic, obiect biologic, homeostazie

SISTEMUL BIOLOGIC- un ansamblu de elemente legate funcțional care formează un obiect biologic integral. Dificultatea unei definiții mai complete a lui B. s. este legat de faptul că acest concept ar trebui să reflecte principalele proprietăți ale unei structuri spațiu-timp existente în mod obiectiv, care are un caracter deschis de interacțiune cu mediul și are un grad ridicat de specificitate, complexitate și organizare.

Unul și același biol, un obiect poate acționa atât ca o integrală B. cu., cât și ca subsistem sau element al său. Un exemplu biol, obiectul considerat ca B. prin pagina, organismul este; la nivel suborganism ca B. cu. celulele, tesuturile, organele, sistemele de organe (de exemplu, sistemul de organe respiratorii, digestia etc.) pot fi luate in considerare, iar la nivel supraorganism - populatii, ecosisteme, biogeocenoze, biosfera. Pentru ultimul tip B. cu. uneori se foloseşte termenul special „macrosisteme biologice”.

B. s. au rezistență ridicată la perturbații externe; sub influența factorilor de mediu, în ele apar procese care vizează reducerea efectului acestor perturbări. B. s. își păstrează specificul în condițiile în schimbare mediu inconjurator iar în anumite limite asigură homeostazia mediului intern.

B. s. sunt sisteme deschise, adică în procesul vieții fac schimb de materie și energie cu mediul. Un astfel de schimb este adecvat reglementat, gestionat; are ca scop obținerea de energie gratuită din mediul înconjurător și utilizarea acesteia pentru biol, funcțiile sistemului. Prin urmare, pentru a înțelege procesele care au loc în sistemul biologic, este necesar să se analizeze activitatea celor două componente principale ale sale - energia și informația.

Componenta energetică B. s. asociat cu procesele de obținere, acumulare, transfer și utilizare a energiei. Aceste procese oferă capacitatea de a păstra structura, creșterea, mișcarea și performanța tuturor funcțiilor specifice ale lui B. A doua parte a lui B. s. asociat cu managementul proceselor energetice și implementează percepția, stocarea, procesarea și utilizarea informațiilor. Mecanisme de informare şi control în B. cu. determinați ce procese energetice și cu ce intensitate au loc în el.

Pentru diverse tipuri de B. cu. sunt caracteristice diferite procese energetice și de control al informației, dar în orice B. s. ambele componente sunt strâns legate între ele și joacă un rol esențial în menținerea existenței sale, asigurând împreună păstrarea stării staționare de neechilibru a tuturor subsistemelor și a celui mai integral B. s. Astfel de procese sunt cel mai bine studiate la nivel organismic și suborganism și, într-o măsură mai mică, la nivel supraorganism.

Mecanisme de informare și control ale B. s. nu numai că asigură stabilizarea și conservarea părții energetice a B. s., dar în unele cazuri participă la formarea acesteia. Deci, în timpul autoreproducției lui B. s. organisme, managementul genetic formează atât o componentă energetică cât și un sistem de informare și mecanisme de control fiziol, nivel.

Componenta energetică a unui sistem biologic este o combinație a elementelor sale care transformă materia și energia în procesul vieții. Analiza componentei energetice a B. s. asociată cu studiul structurii și funcției organelor și țesuturilor care le asigură echilibrul energetic, iar la nivelul formațiunilor supraorganistice - cu studiul fluxurilor de materie și energie în biocomunități și biosferă.

Complexitatea și specificitatea biol, structurile și procesele care sunt realizate în ele provoacă o serie de distincții profunde între ingineria puterii lui B. a paginii. și energia lumii anorganice. Caracteristica principală a lui B. s. în acest sens este natura sa deschisă. Termodinamica (vezi) B. s. semnificativ diferit de cel clasic. Conceptul de stare de echilibru, fundamental pentru termodinamica clasică, este înlocuit de ideea unei stări staționare de neechilibru a unui sistem, iar a doua lege a termodinamicii (principiul creșterii entropiei) este reformulată sub forma lui Prigogine. teorema: rata de creștere a entropiei în interiorul sistemului tinde să valoarea minima corespunzătoare echilibrului dinamic.

Studiul componentei energetice a lui B. s. este una dintre sarcinile bioenergeticii (vezi) - o știință situată la intersecția dintre biofizica, biochimia și biologia moleculară.

Componenta de informare și control a unui sistem biologic exercită o influență reglatoare asupra proceselor din componenta energetică la toate nivelurile posibile de organizare - de la molecular la holistic. În integrala B. cu. genetice, ecologice, evolutive și fiziol, pot funcționa regulatori, pentru fiecare dintre ele fiind caracteristice intervalele de timp și mecanismele specifice biol, gestiuni. Astfel, la nivelul întregului organism, rolul conducător și integrator în procesele de control și coordonare a funcțiilor îl joacă mecanismele c. n. din. În același timp, la alte niveluri, ies în prim plan și alte mecanisme de reglare (de exemplu, la nivel suborganism, mecanisme specifice neuroumorale și de autoreglare).

Pentru implementarea funcției de conducere în B. cu. obligatoriu este impactul asupra procesului controlat (sau valorii, variabilei) a cel puţin doi factori (sau procese) antagonişti, dintre care unul măreşte sau activează acest element, iar celălalt îl reduce sau suprimă. Astfel de antagoniști pot fi reacții ale unui proces metabolic care merg în direcția înainte și inversă, neuroni excitatori și inhibitori, mușchi flexori și extensori etc.

Totuși, de regulă, în B. pag. funcția de control pentru un proces dat este îndeplinită nu doar de doi factori antagonisti, ci de un întreg grup de mecanisme de control, fiecare dintre ele având un efect de reglare asupra procesului controlat într-o gamă limitată de modificări ale condițiilor externe și într-un anumit interval limitat. zona de activitate a B. s. Deci, de exemplu, echilibrul termic al organismului este menținut prin faptul că două tipuri de mecanisme de reglare contribuie la menținerea temperaturii normale - procese care vizează eliberarea căldurii (termoreglare chimică) și procese care vizează disiparea căldurii (termoreglare fizică). În general, interacțiunea acestor doi factori antagonici duce la faptul că, cu orice modificare a condițiilor de mediu și a condițiilor de funcționare a organismului, sistemul trece la o stare staționară, la care producția totală de căldură în toate procesele din organism. este egală cu disiparea totală a căldurii. Cu toate acestea, fiecare dintre cei doi factori antagonisti principali este rezultatul unui număr de procese de reglare, inclusiv mecanismele de frison, răspunsuri vasculare, transpirație, fosforilare și răspunsuri comportamentale (postură, activitate musculară).

Prezența multor mecanisme de reglementare care se dublează și funcționează în paralel sau se înlocuiesc în diverse condiții de mediu explică posibilitatea existenței B. s. într-o gamă relativ largă de condiții externe și determină flexibilitatea și fiabilitatea sistemului de informare și control al B. s.

Studiul proceselor cibernetice în componenta de informare și control a B. s. este o sarcină biol, și miere. cibernetica, care studiază modelele generale de control și reglare în sistemele vii care se află în interacțiune complexă continuă cu mediul.

Metoda metodologică fundamentală a cercetării lui B. cu. este principiul organizării sistemice, după Krom orice biol, obiectul este un B. s., capabil să regleze atât relațiile interne dintre subsistemele sale, cât și relațiile obiectului integral cu mediul. Studierea biol, obiectelor în astfel de cadre metodologice reprezintă analiza de sistem a sistemelor biologice.

La analiza de sistem biol, obiectul este prezentat sub forma paginii B - ansamblu de elemente conectate funcțional care realizează procese de putere și informație în sistem. Totalitatea legăturilor esențiale dintre aceste elemente ale B. s. definește structura acestuia. Una dintre cele mai importante proprietăți sisteme complexeîn general şi B. s. în special, este structura ierarhică, adică includerea secvenţială a sistemelor de nivel scăzut în sistemele de nivel superior. Un număr de sisteme subordonate ierarhic formează o succesiune de niveluri structurale ale B. s.

consideraţia lui B. cu. la diferite niveluri ierarhice iar trecerea de la un nivel la altul, mai complex, nu este neapărat asociată cu complicarea structurii lui B. s. şi, în consecinţă, cu complicarea analizei sale. Acest lucru se explică prin faptul că, odată cu apariția unor noi caracteristici care nu sunt caracteristice sumei subsistemelor de la nivelul anterior, o serie de caracteristici ale acestor subsisteme se dovedesc acum a fi nesemnificative. Numărul de niveluri de considerare a B. cu. si o posibilitate de dezmembrare a B. de pag. pe componentele elementare sunt limitate.

Cel mai scăzut nivel de B. cu. este un sistem de macromolecule capabile de reproducere discretă, cea mai înaltă este biosfera, elemente ale cărora pot fi considerate biogeocenoze. Între aceste niveluri se pot distinge mai multe niveluri intermediare - celular, organism, populație, biogeocenotic.

Putem spune că analiza de sistem este antiteza binecunoscutei reprezentări cibernetice a biol, obiecte sub formă de „cutie neagră”. Dacă, atunci când studiază un sistem ca o „cutie neagră”, un om de știință este interesat doar de intrările (procesele de intrare sau cantitățile) și de ieșirile sistemului, iar scopul studiului este de a determina modelele de transformare a intrărilor în ieșiri. fără a pătrunde în procesele și mecanismele interne ale sistemului, apoi cu o abordare sistematică, scopul principal al cercetătorului este o autopsie structura interna B. s., înțelegerea proceselor realizate în această structură.

Metoda standard a unei cercetări a lui B. cu. cu o abordare sistematică este modelarea structurii și modelelor sale de comportament. La modelarea B. cu. componentele sale energetice și de control al informațiilor sunt considerate împreună ca un singur sistem integral, în care siguranța și funcționarea sistemului metabolic sunt susținute și dirijate de mecanisme de reglare (vezi Autoreglare într-un sistem biologic mai jos). Pentru modelarea matematică a proceselor de control în B. s. de o importanţă deosebită este utilizarea aparatului matematic şi conceptual al ciberneticii.

Într-un sistem cibernetic, prezența reglementării (controlului) înseamnă că aceasta poate fi reprezentată ca două blocuri care interacționează - un obiect de reglare și un regulator. Regulatorul transmite acțiunile de control către obiectul de control prin canale de comunicare directă prin setul corespunzător de efectori. Informațiile despre starea obiectului sunt percepute de receptori și sunt transmise prin canale de feedback (vezi) către regulator (schemă).

Justificată metodologic ar trebui considerată o astfel de împărțire a structurii lui B. s. asupra obiectului și regulatorului, în care procesele energetice și metabolice formează obiectul în sistemul de reglare, iar procesele de informare și control sunt asociate cu blocul regulator. Totuşi reprezentarea specifică B. cu. sub forma unei astfel de diagrame structurale nu este întotdeauna posibilă, deoarece în sistemele vii complexe regulatorul și obiectul reglementării nu sunt întotdeauna separate structural și funcțional, iar elementele B. s. adesea combină proprietățile atât ale regulatorului, cât și ale obiectului reglementării.

În B. s. Există două tipuri principale de procese de control: controlul feed-forward (de exemplu, controlul conform unui program dat - sinteza proteinelor pe o matrice ADN) și controlul feedback-ului. Ultimul tip de management are pentru B. pagina. sens special.

În cazuri simple, când se modelează influența oricărui factor asupra unei variabile controlate, se disting două tipuri de feedback - pozitiv și negativ. Feedback-ul pozitiv crește influența factorului asupra variabilei de ieșire, negativ - reduce. În literatura despre modelare B. de pag. o formă și mai simplă de descriere a feedback-ului negativ a devenit larg răspândită - feedback negativ prin deviere, atunci când un semnal în circuitul de feedback apare atunci când semnalul controlat se abate de la un anumit nivel „dorit”. În complexul B. s, totuși, mecanismele și procesele de reglementare specifice sunt implicate simultan în gestionarea multor procese reglementate interconectate și, prin urmare, pentru analiza complexului B. s. în În ultima vremeîncep să fie aplicate modele mai complexe dezvoltate în teoria controlului automat (teoria sistemelor multiconectate, teoria sensibilității, teoria invarianței).

Conceptul „sistem biologic” este utilizat pe scară largă în astfel de secțiuni ale ciberneticii precum cibernetica biologică și cibernetica medicală (vezi). Într-un efort de a înțelege natura vieții, oamenii de știință au căutat să găsească în organism și alte biol, obiecte care pot fi investigate izolat, au căutat să identifice sisteme și procese separate în ele. Scopul acestor secțiuni de cibernetică a fost studiul biol, obiecte ca B. s. luând în considerare principalele interconexiuni ale structurilor și elementelor acestora. În special, o serie de secțiuni de miere. cibernetica se bazează pe ideea unui organism ca B. s. Astfel, dezvoltarea metodelor matematice pentru analiza datelor dintr-o examinare cuprinzătoare a unui pacient, dezvoltarea metodelor de modelare matematică pe un computer a activității sistemelor sale funcționale interconectate, utilizarea metodelor automate de mașină pentru evaluarea stării pacientului sunt promițătoare. domenii în care analiza de sistem poate găsi aplicare directă în practica clinică. Analiza de sistem a funcțiilor corpului ca B. s. va permite compararea si integrarea citirilor a numeroase aparate, apreciind directia generala a proceselor din organismul pacientului in timpul operatiilor majore, in perioada postoperatorie si de reabilitare.

Valoarea deosebită a lucrării la cercetarea lui B. din pagina. la nivelul corpului se dobândesc în miere. cibernetica în legătură cu dezvoltarea celor mai noi metode de susținere a vieții cu utilizarea mașinilor inimă-plămâni, respirație artificială, inimă artificială. Utilizarea eficientă a acestor instrumente duce la creșterea cerințelor pentru metode cantitative în anestezie și resuscitare, deoarece medicii au la dispoziție o gamă largă de instrumente și metode pentru restabilirea funcțiilor vitale ale pacientului.

Autoreglare într-un sistem biologic

Autoreglare într-un sistem biologic este procesul de schimbare regulată sau de menținere la un nivel constant al anumitor bioluri reglate, valori - cum ar fi, de exemplu, tensiunea arterială, temperatura corpului, activitatea mitotică a celulelor țesuturilor, poziția membrelor și întregul corp în spațiu etc. În multe cazuri este evident că aceste funcții sunt îndeplinite de către sistemele biol corespunzătoare, în mod autonom, fără influență de reglare externă. Prin urmare, în astfel de cazuri, termenul mai simplu „reglementare” este de obicei folosit în locul termenului „autoreglare” sau alte sinonime ale acestui termen.

Se disting următoarele două principii de bază ale autoreglării: reglarea prin abatere a valorii controlate și reglarea prin perturbare.

Sistemele bazate pe primul principiu sunt capabile să determine diferența dintre valoarea de referință și valoarea reală a variabilei controlate. Această diferență este folosită de controler pentru a genera o acțiune de reglementare asupra obiectului, care reduce abaterea valorii reale a valorii controlate de la valoarea setată.

Dacă valoarea setată a variabilei controlate nu se modifică în timp, atunci sistemul de autoreglare este un stabilizator, adică un sistem care menține o valoare constantă a variabilei controlate. Dacă valoarea setată a variabilei controlate se modifică în timp conform unei anumite legi, atunci sistemul de autoreglare „urmărește” modificarea valorii setate a variabilei controlate în timp și menține diferența minimă între valoarea setată și curent (real ) valoarea variabilei controlate.

O caracteristică distinctivă a sistemelor bazate pe principiul reglării prin abaterea variabilei controlate (Fig. 1) este prezența feedback-ului (vezi), cu ajutorul căruia controlerul primește informații despre valoarea actuală actuală a variabilei controlate . Feedback-ul, împreună cu acțiunea directă a controlerului asupra obiectului, formează o buclă închisă (bucla de reglare, bucla de feedback, bucla de feedback). Prin urmare, sistemele bazate pe principiul reglarii prin abatere sunt adesea numite sisteme de reglare închise.

Abaterea valorii controlate de la valoarea setată, cauzată de o perturbare externă, este slăbită în sistemele închise, deoarece controlerul, cu ajutorul feedback-ului, produce un astfel de efect asupra obiectului, ceea ce duce la un efect opus în semnul perturbării inițiale. Acest tip de feedback se numește feedback negativ.

Reprezentarea specificului B. cu. cu control automat sub forma unei singure diagrame bloc nu este întotdeauna posibilă. Destul de des, regulatorul și obiectul de reglementare se întâmplă sunt combinate într-o singură biol, structură sau unitate funcțională.

Orez. Fig. 1. Exemple de sisteme de control biologic automat bazate pe principiul reglarii prin abatere: a - inhibarea enzimei cheie E1 de catre produsul final Sn (indicat printr-o sageata cu linie punctata) formata din substratul initial S0 printr-un numărul de forme intermediare S1, S2, ... Sn; E2, E3, ... En-enzime care catalizează reacții intermediare; săgeata punctată cu liniuță arată efectul asupra enzimei al substanțelor M care pot activa sau inhiba enzima; b - reprimarea sintezei enzimelor E1, E2, ... En prin produsul final Sn (indicat printr-o săgeată punctată); Sn inhibă sinteza ARN-ului mesager corespunzător (ARNm), împiedicând primirea informațiilor necesare sintezei enzimelor care catalizează reacțiile intermediare (E1. E2, ... En); c - reglarea densității populației celulare într-un organism multicelular. Celulele (stem) nediferențiate, în diviziune produc celule diferențiate care au un efect inhibitor (direct sau indirect) asupra activității mitotice a celulelor stem. Hormonii care pot spori sau, dimpotrivă, slăbesc inhibarea celulelor stem, determină valoarea setată a variabilei controlate - densitatea populației celulelor diferențiate.

În special, inhibarea activității enzimatice de către produsele finale (inhibarea enzimelor prin principiul feedback-ului, retroinhibarea enzimelor, inhibarea alosterică de către produsele finale) constă în faptul că activitatea unei enzime implicate în sinteza unui produs final dat scade pe măsură ce concentrația acestui produs crește (Fig. 1a). O astfel de inhibare este de obicei de natură alosterică, adică produsul final inhibitor nu are nicio asemănare sterica (structurală) cu substratul și este atașat la molecula de enzimă la un anumit situs, sau centru, altul decât situsul catalitic. O astfel de aderare implică o rearanjare conformațională a moleculei de enzimă și pierderea (parțială sau completă) a activității centrului catalitic (vezi Conformația). Acest mecanism de feedback negativ conduce la stabilizarea concentrației produsului final: atunci când rata de consum a produsului final se modifică într-un interval larg, concentrația acestuia se modifică doar în limite relativ înguste.

Mecanismul de inhibare a enzimelor de către produsele finale este foarte răspândit. Acest tip de reglare controlează aproape toate cele mai importante legături din metabolismul celular atât al organismelor unicelulare, cât și al celor multicelulare. De exemplu, reacțiile cheie ale metabolismului celular (glicoliză și fosforilare oxidativă) sunt inhibate de concentrații mari ale produsului final, ATP. Acumularea de cationi, zaharuri, aminoacizi, nucleotide, lipide si alte substante vitale in celula duce la inhibarea enzimelor implicate in transportul membranar activ si (sau) in biosinteza acestor substante.

Inhibarea sau reprimarea sintezei enzimatice de către produsele finale este un mecanism de feedback negativ mult mai inerțial decât mecanismul de inhibare a activității enzimatice. Este activat în acele cazuri în care mecanismul de inhibare a activității enzimatice nu este capabil să prevină acumularea acestui produs final în celulă ca urmare a unui exces de produs în mediu sau a unei scăderi brusce a ratei consumului acestuia. . În astfel de cazuri, produsul final poate provoca reprimarea regiunii ADN care transportă informații ereditare asupra structurii primare a enzimelor care sintetizează acest produs (Fig. 1b).

Acțiunea combinată a unui număr mare de mecanisme de feedback negativ care controlează activitatea și rata sintezei enzimatice face posibilă nu numai stabilizarea concentrațiilor intracelulare a multor compuși vitali, ci și cheltuirea economică a substraturilor inițiale și a energiei pentru sinteza acestora. compuși.

În organizarea organismelor pluricelulare, un rol extrem de important îl joacă mecanismul supracelular de feedback negativ, care controlează activitatea mitotică a celulelor normale ale țesutului. Acest mecanism se numește inhibiție de contact. diviziune celulara(sin.: inhibarea ciclului celular, reglarea de contact a diviziunii celulare, inhibarea diviziunii celulare, in functie de densitate, reglarea prin densitate etc.) si se manifesta prin faptul ca activitatea mitotica a celulelor somatice normale depinde de densitate. din populația celulară, într-o tăietură cresc. Celula somatică în condiții normale de fiziol, de obicei, nu este capabilă să se dividă și să facă mișcări amiboide dacă este în contact cu celulele vecine care o înconjoară din toate părțile. Eliminarea acestor contacte (completă, și uneori doar parțială), cauzată de îndepărtarea sau moartea celulelor învecinate, determină o restabilire rapidă a capacității de mișcări active și diviziune. Oprimarea contactului este de natură specifică și joacă un rol important în procesele morfogenetice (vezi Morfogeneza).

Inhibarea contactului, aparent, este un caz special de reglare a activității mitotice a celulelor tisulare ale unui organism multicelular. Schema bloc a unei astfel de reglementări, în care rol principal joacă un efect inhibitor al celulelor diferențiate (direct sau indirect) asupra activității mitotice a celulelor (stem) nediferențiate, este prezentat în Figura 1, c. Un exemplu tipic o astfel de schemă de autoreglare este reglarea numărului de celule sanguine.

Sistemele bazate pe principiile controlului perturbațiilor folosesc perturbația în sine pentru a dezvolta un efect compensator asupra obiectului, pentru a preveni o modificare a variabilei controlate. Deoarece valoarea reală a variabilei controlate în astfel de sisteme nu afectează controlerul, acestea nu au o buclă de control închisă, ceea ce este tipic pentru sistemele cu feedback negativ (control prin abatere). Această împrejurare face practic imposibilă compensarea completă a perturbării, ceea ce duce la o modificare a valorii controlate în direcția opusă celei în care această valoare se modifică în absența unui controler.

În anumite condiții, influența compensatoare poate provoca o abatere și mai mare a valorii controlate decât perturbația necompensată.

Cele mai studiate și mai frecvente mecanisme de autoreglare de tip compensator la nivel molecular sunt mecanismele prin care substraturile inițiale au un efect activator asupra enzimelor implicate fie în utilizarea acestor substraturi (activarea substratului, activarea avansată, activarea de către precursori de substrat). ), sau asupra ratei de sinteză. astfel de enzime (inducerea enzimelor, inducția sintezei enzimelor, inducția enzimei substrat).

Acțiunea mecanismului de activare a enzimei de către precursorul substratului poate fi explicată folosind schema prezentată în Figura 2, a.

Schema arată secvența reacțiilor în care substratul inițial S0 este convertit printr-un număr de forme intermediare (S1, S2 ... etc.) în compusul Sn, care este utilizat prin diferite reacții. Acest compus servește ca substrat pentru enzima Ek, care este sensibilă la acțiunea de activare a substratului inițial S0 (indicat de linia punctată). O modificare a ratei inițiale de formare a substratului V0 acționează ca o perturbare externă asupra concentrației de Sn: pe măsură ce V0 crește, crește și această concentrație. Cu toate acestea, activarea enzimei Ek de către S0 face posibilă compensarea formării crescute de Sn din S0 prin creșterea fluxului de Sn în reacția catalizată de această enzimă. La o activitate constantă a enzimelor care utilizează Sn și la anumite rapoarte ale parametrilor sistemului de reacție, este posibilă compensarea aproape completă a perturbației cauzate de modificarea V0: concentrația de Sn poate rămâne aproape neschimbată atunci când V0 se modifică într-un interval larg. .

Cea mai simplă formă de reglare a activității enzimelor de tip compensator este activarea alosterică a enzimelor de către substraturi.

Moleculele de activatori ai substratului sunt atașate la centrii de reglare ai moleculei de enzimă, ceea ce provoacă o astfel de modificare a conformației sale, ceea ce ajută la creșterea activității catalitice a centrului activ.

Inducerea sintezei enzimatice de către substraturi (Fig. 2b) este un analog inerțial al mecanismului de activare a substratului enzimatic.

Esența fenomenului este că substraturile pot provoca dereprimarea sintezei enzimelor implicate în utilizarea acestor substraturi. Inducerea sintezei enzimatice este unul dintre mecanismele universale de adaptare celulară la condițiile de mediu în schimbare. Adesea, selecția naturală este implicată în acest proces, ceea ce duce în cele din urmă la apariția celulelor capabile să sintetizeze noi enzime. Un exemplu tipic de acest tip de autoreglare folosind selecția naturală este adaptarea bacteriilor la antibiotice și a insectelor la insecticide. În special, insectele care au fost expuse la insecticidul DDT de multe generații au dezvoltat capacitatea de a sintetiza o nouă enzimă, DDT declorohidrază, care inactivează acest insecticid.

Un exemplu de autoreglare de tip compensator la nivel de fiziol poate fi reglarea nivelului de glucoză din sânge de către pancreas (Fig. 2, c). Creșterea aportului de glucoză din intestine stimulează producția de insulină de către pancreas, care stimulează depunerea de glucoză sub formă de glicogen și grăsimi în ficat, mușchi și țesutul adipos. Acest eflux crescut de glucoză în țesuturile de stocare compensează afluxul crescut de glucoză din intestin. Mecanisme compensatorii similare pot fi urmărite în reglarea activității secretoare a tuturor glandelor endocrine și în răspunsurile imune ale organismului. Mecanismele compensatorii de autoreglare stau la baza multor reacții comportamentale controlate de c. n. N de pagină și sunt prezentate de obicei sub formă de eliminare reflexă a unui iritant.

Orez. Fig. 3. Sisteme de control automat combinat: a - schema bloc a sistemului de control automat combinat (regulatorul I răspunde la o perturbare, regulatorul II - la o abatere de la valoarea setată); b - un sistem biochimic simplu de autoreglare a acțiunii combinate. Inhibarea enzimei Et de către produsul S este un mecanism de feedback negativ, iar activarea enzimei E2 de către substratul S este un mecanism de compensare. Acțiunea ambelor mecanisme vizează stabilizarea nivelului de substanță S utilizată de consumatori; c - un sistem multi-circuit combinat pentru reglarea nivelului de glucoză din sânge. Diagrama prezintă două circuite: feedback negativ (linie punctată) și conexiune de compensare (linie punctată).

Sisteme combinate de autoreglare.În cea mai mare parte, B. s. sunt sisteme combinate de autoreglare. Astfel de sisteme au în structura lor atât mecanisme de feedback negativ, cât și mecanisme de compensare a perturbațiilor (Fig. 3, a). Din punctul de vedere al teoriei controlului automat, astfel de sisteme combinate sunt capabile să asigure izolarea aproape perfectă a obiectului reglementat de perturbațiile externe. Figura 3b prezintă o diagramă a unei biochimie combinate tipice. un sistem de autoreglare care conține feedback negativ (inhibarea enzimei de către produsul său S) și o relație compensatorie (activarea enzimei E2 de către substratul său S). Acțiunea ambelor mecanisme vizează stabilizarea nivelului de substanță S utilizată de consumator.

Toți cei mai importanți intermediari ai metabolismului celular sunt controlați de astfel de combinații de conexiuni de reglare. De exemplu, monofosfații de hexoză inhibă formarea lor în reacții catalizate de enzimele hexokinaza, glucokinaza, fructokinaza și glicogen fosforilază și activează utilizarea lor în reacții catalizate de enzimele glucozo-6-fosfat dehidrogenază, fosfofructokinază și glicokinază sintetizată. Nivelul altor compuși (de exemplu, AMP, acetil-CoA, mulți intermediari ai ciclului Krebs, majoritatea aminoacizilor) este reglat în celule într-un mod similar.

Principiul autoreglării combinate este utilizat pe scară largă în mai multe niveluri înalte biol, organizatii. Figura 3c prezintă o diagramă bloc a reglării neuroumorale a nivelurilor de glucoză din sânge. Diagrama prezintă trei mecanisme de autoreglare. Două dintre ele sunt feedback-uri negative care se activează atunci când nivelul de glucoză scade. Ambele mecanisme conduc la activarea formării glucozei în ficat din glicogenul hepatic și lactat, aminoacizi și gliceride transportate la ficat din țesutul muscular și adipos. Al treilea mecanism compensator este activat atunci când nivelul de glucoză din sânge crește. Acțiunea acestui mecanism se reduce la activarea depunerii de glucoză în diferite țesuturi. Pe lângă mecanismele indicate în schemă, există o serie de mecanisme neuroumorale care controlează nivelul de glucoză. Dintre aceste mecanisme, un rol important în reglarea nivelului de glucoză îl joacă mecanismul de creștere a nivelului de glucoză, care se închide prin lanț: hipotalamus -> glanda pituitară -> ACTH -> medula suprarenală -> adrenalina -> activarea fosforilazei hepatice. -> cresterea glicemiei dupa principiul feedback-ului negativ.

Toate B. s. autoreglementările au o anumită inerție, din cauza căreia o perturbare rapidă (de exemplu, bruscă) a obiectului reglat nu poate fi compensată instantaneu de către regulator și, prin urmare, valoarea reglată are timp să devieze (uneori destul de puternic) de la valoarea setată înainte de regulatorul funcționează în consecință. Procesul de atingere a unei valori controlate a unei valori staționare date, cauzat de o singură perturbare a obiectului controlat, se numește proces tranzitoriu.

Autoreglare care generează mișcări autonome în sistemele biologice. Proprietatea fundamentală a sistemelor vii este capacitatea lor de a face diferite tipuri de modificări autonome (nu depind de perturbații externe) biol, valori în timp și spațiu. Toate tipurile de biol endogen, ritmuri, toate formele mișcare mecanică, generarea și conducerea impulsurilor nervoase, procesarea informațiilor în sistem nervos etc.- toate acestea sunt direct sau indirect rezultatul funcționării unor mecanisme speciale de autoreglare – generatoare de mișcări autonome.

Auto-mișcarea oricărui sistem este cauzată și menținută de instabilitatea echilibrului sau a stării staționare a sistemului. De aceea trăsătură caracteristică generatoare de mișcări autonome este că au un mecanism special care asigură o astfel de instabilitate – așa-numita. feedback pozitiv. Feedback-ul pozitiv generează un astfel de efect asupra obiectului controlat, care coincide în semn cu abaterea inițială a valorii controlate de la valoarea staționară, în conformitate cu care starea sistemelor cu feedback pozitiv în anumite condiții se dovedește a fi instabilă. O perturbare arbitrar de mică a variabilei controlate, cauzată de influențe externe sau fluctuații inevitabile (adică, oscilații spontane) în sistemul însuși, duce la o abatere în creștere progresivă a variabilei controlate de la valoarea inițială. Abaterea continuă până când sistemul atinge o nouă stare stabilă, deja stabilă. Această nouă stare staționară poate fi fie o stare de repaus, în care variabilele nu se modifică în timp, fie o stare auto-oscilativă, în care variabilele fluctuează în timp cu o amplitudine constantă.

Un mecanism tipic de feedback pozitiv la nivel molecular este autocataliza (vezi). Multe legături ale metabolismului celular sunt de natură autocatalitică. De exemplu, sinteza ATP necesită ca ATP să fie deja prezent în cantități catalitice în celule. Pentru a „începe” fosforilarea ADP de către sistemul glicolitic, este necesară prezența ATP, care servește ca cofactor al primelor două etape. Feedback-ul pozitiv controlează activitatea unor enzime precum fosforilaza - enzima cheie a glicogenolizei, dehidrogeneza glutamatului - enzima cheie a metabolismului azotului.

Reproducerea virusurilor, organismelor unicelulare și multicelulare în absența factorilor care inhibă reproducerea este, de asemenea, de natură autocatalitică.

Fig. 4. Multiplicitatea stărilor staţionare într-un sistem biologic cu feedback pozitiv: a - un sistem cu feedback pozitiv, format dintr-o sursă de substanţă P şi un consumator al acestei substanţe. Substanța P este formată de sursă cu o rată de V (p) și este utilizată de către consumator cu o rată de V (p) p. Linia punctată liniuță arată un feedback pozitiv - activând acțiunea lui P asupra sursei ; b - reprezentarea grafică a interacțiunii dintre sursă și consumator. Întrucât rata de formare a produsului este descrisă printr-o curbă în formă de S, interacțiunea dintre sursă și consumator generează trei stări staționare alternative, reprezentate pe grafic prin punctele de intersecție ale curbelor care descriu dependența ratelor și a concentrației. P (curbe aldine V (p) și și V (p) p. Fiecare stare staționară (punctele 1, 2 și 3) corespunde propriei valori a concentrației P (concentrațiile [P]1, [P]2 și [P] ]3) și valoarea proprie a vitezei staționare V = V (p) și = V (p) p (valori V1, V2 și V3) Linia punctată arată dependența vitezei V (p) și de concentrația P în absența feedback-ului pozitiv.

Multiplicitatea stărilor staționare alternative într-un sistem biologic. Cea mai simplă formă de mișcare autonomă este trecerea unui sistem de la o stare staționară la alta. O astfel de comutare poate fi studiată folosind sistemul de feedback pozitiv prezentat în Figura 4a ca exemplu. Acest sistem constă dintr-o sursă și un consumator al unui produs (P). Formarea lui P este reglată de feedback pozitiv. Viteza de formare a P de către sursă crește odată cu creșterea concentrației de P. Dacă rata de utilizare a P de către consumator crește odată cu creșterea concentrației de P (Fig. 4, b), atunci în sursă -sistemul de consum pot exista trei stări staționare alternative caracterizate prin trei valori diferite ale concentrației P și trei valori diferite ale vitezelor și V (p) p. În figură, stările staționare sunt reprezentate de intersecția punctele graficelor care descriu dependența vitezelor V (p) și și V (p) p de concentrația P (punctele 1, 2 și 3). În fiecare astfel de punct, următoarea condiție este îndeplinită:

adică concentrația P nu se modifică cu timpul t.

Cu abateri mici ale concentrației P în ambele direcții de la valorile staționare [P]1 și [P]3, diferența de viteze - V (p) și - V (p) p compensează aceste abateri, astfel încât concentrația P ia din nou valoarea staționară anterioară. Cu toate acestea, cu o abatere arbitrar mică a concentrației P de la valoarea staționară [P] 2, diferența de viteze V (p) și - V (p) p datorată acțiunii feedback-ului pozitiv duce la o abatere suplimentară a concentrația P din valoarea lui [P] 2 în direcția care coincide cu polarizarea inițială. Deci, cu o creștere mică a [P] în comparație cu [P] 2, diferența V (p) și - V (p) p se dovedește a fi pozitivă, iar [P] începe să crească cu timpul - începe o mișcare autonomă în sistem, ceea ce duce la trecerea sistemului din starea staționară instabilă (Fig. 5.2) într-o stare stabilă (Fig. 5.7). Cu o mică abatere [Р] în jos în comparație cu valoarea staționară [Р]2, diferența de viteze V (p) și - V (p) p<0, и это приводит к дальнейшему уменьшению концентрации P до тех пор, пока она не примет нового устойчивого значения [Р]1 (кривая 2).

Orez. Fig. 6. Fenomene critice și histerezis într-un sistem cu feedback pozitiv: a - un sistem cu feedback pozitiv, în care rata de formare a produsului P de către sursa V (p) și depinde de concentrația substratului SV ( p) p - rata de utilizare P de către consumator; b - interacțiunea dintre sursă și consumator la mai multe valori fixe ale concentrației S (valorile concentrației S sunt indicate pe grafic în unități convenționale). Punctele de intersecție ale curbelor V(p) u și ale curbei V(p) n reprezintă stările staționare ale sistemului. Numărul stărilor staționare se modifică odată cu concentrația S; c - dependența vitezei staționare V = V (p) și = V (p) p = de concentrația substratului S. Săgețile indică direcțiile mișcărilor autonome atunci când concentrația S atinge una dintre cele două valori critice - la [S] = 4, trecerea de la punctul a la punctul c, pentru [S] = 2 trecerea de la punctul c la punctul d.

Modificările parametrilor care determină viteza sursei V (p) și viteza consumatorului V (p) p pot schimba stările staționare - modificați valorile staționare ale vitezelor și concentrației P. Când anumite critici sunt atinse valorile (prag), pot să dispară și să apară noi stări staționare, iar sistemul trece de la o stare staționară la alta. Dacă viteza sursei V (p) și depinde de concentrația substratului S, din care se formează produsul P (Fig. 6, a), atunci o modificare a concentrației S modifică poziția relativă a punctelor staționare (Fig. . 6, b), unde este prezentată o familie de curbe V (p) și construită la cinci valori fixe ale concentrației substratului S și curba V (p) n. La o concentrație scăzută S, adică 0<= [S] < 2, в системе существует только одно стационарное состояние. Это состояние устойчиво, как и состояние 1 на рисунке 4, б, и характеризуется низкими стационарными значениями концентрации P и скоростей V (p) и и V (p) п. При высокой концентрации S - ([S] >4) - există și o stare staționară în sistem, care, ca și starea 3 (Fig. 4, b), este stabilă, dar se caracterizează prin valori staționare ridicate ale variabilelor. La concentrații medii S - (2< [S] < 4) - в системе существуют три стационарных состояния, подобные состояниям 1, 2 и 3 (рис. 4, б). Неустойчивое промежуточное стационарное состояние [средняя точка пересечения кривой V (p) п построенной для [S] = 3, с кривой V (p) и (рис. 6, б)] с увеличением концентрации сближается с верхним устойчивым стационарным состоянием, а при уменьшении концентрации S - с нижним устойчивым стационарным состоянием. Существует два критических значения концентрации S ([S] - 2 и [S] = 4), при которых неустойчивая стационарная точка сливается с устойчивой верхней (при [S] = 2) или нижней (при [S] = 4) стационарной точкой, в результате чего устойчивость этих точек теряется, и система совершает автономное движение - переключается в одну из устойчивых стационарных точек. На рисунке 6,в показана зависимость стационарной скорости V = V (p) и = V (p) п от концентрации субстрата. Эта зависимость носит гистерезисный характер: прямой и обратный переходы системы из одного устойчивого стационарного состояния в другое (показаны на рисунке стрелками) совершаются при различных критических значениях концентрации S и разными путями. Благодаря этому свойству система оказывается неэквифинальной: в зависимости от начальных условий она может оказаться в одном из двух устойчивых альтернативных стационарных состояний. Т. о., система оказывается способной неопределенно долго хранить след (помнить) о таких изменениях в среде, которые способны приводить к смене ее стационарных состояний. Емкость памяти рассмотренной системы минимальна и равна 1 биту. Однако număr mare astfel de sisteme non-echifinale care funcționează într-un B. s. mare pot servi drept bază pentru o memorie de mare capacitate. Sistemele care au două stări staționare stabile sunt adesea numite bistabile bistabile (uneori doar bistabile) sau sisteme bistabile.

Auto-oscilații. Dacă în sistem (Fig. 6, a) întregul substrat se transformă în produs P, atunci rata de consum a produsului (V (s) p) este egală cu rata de formare a acestuia (V (p) p), și, prin urmare, dependența lui V (s) p de [ S] are exact aceeași formă (Fig. 6, b) ca dependența lui V de [S] din Fig. 6, c. Dependența de histerezis de concentrația S poate fi cauza unuia dintre cele mai importante tipuri de mișcări autonome - autooscilații (oscilații autonome).

Orez. 7. Autooscilații într-un sistem cu feedback pozitiv: a - un sistem cu feedback pozitiv, constând dintr-o sursă de substrat S, un consumator de substrat care servește ca sursă de produs P și un consumator de produs P. Produsul P își activează propriul formare. Ratele de formare a lui S și P sunt notate cu V (s) și și V (p) și, iar rata de utilizare - cu V (s) p și V (p) p; b - interacțiunea sursei și consumatorului substratului S. Curba în formă de S reprezintă dependența ratei V (s) p de concentrația S, iar linia dreaptă V (s) și - dependența ratei de concentraţia S. Intersecţia curbei V (s) p cu dreapta V (s) şi (punctul o) este punctul staţionar al sistemului. Bucla închisă b, c, o, a, d reprezintă ciclul limită de-a lungul căruia sistemul realizează o mișcare ciclică autonomă; c - autooscilaţii ale vitezei V (s) p în timpul t. Literele marchează valorile vitezei corespunzătoare punctelor ciclului limită prezentate în Figura 7, b din stânga.

Autooscilațiile apar dacă substratul este format dintr-o anumită sursă (Fig. 7, a) cu o astfel de viteză (V (s) u) încât starea staționară a sistemului, determinată de două condiții

se dovedește a fi instabil. Cu caracterul histerezis al dependenței lui V (s) p de concentrația S, starea staționară (punctul O din Fig. 7, b) este instabilă dacă valorile vitezei sursei V (s) și coincid cu valori instabile ale vitezei V (s) p. Dacă starea staționară este instabilă, atunci la cea mai mică abatere a concentrațiilor S sau P de la valorile staționare, sistemul începe o mișcare autonomă către una dintre ramurile stabile ale curbei V (s) n (mișcarea O->b „sau O-> d” în Fig. 7, b). În momentul atingerii unei ramuri stabile (punctul b" sau punctul d") se stabilește în sistem o stare cvasi-staționară, în care condiția (3) este îndeplinită, dar nu și condiția (2). Această stare cvasi-staţionară se caracterizează printr-o deplasare lentă a sistemului de-a lungul ramului stabil al curbei V(s) n către una din extremele acestei curbe (mişcarea b" -> c sau d" -> a). În momentul atingerii punctului extrem (c sau a), sistemul „se descompune” în mișcare rapidă (c -> d sau a -> b) către o altă ramură stabilă. După ce ajungeți la o ramură stabilă, mișcarea încetinește din nou brusc și începe din nou o derivă lentă (d -\u003e a sau b -\u003e c). Astfel, histereza dependenței lui V(s)n de concentrația S și instabilitatea stării staționare conduc la mișcarea autonomă a sistemului de-a lungul unui ciclu închis (de-a lungul ciclului a -> b -> c -> d). -> a). Un astfel de ciclu se numește ciclu limită al sistemului. Când sistemul se mișcă de-a lungul ciclului limită, toate variabilele sale se schimbă periodic. Figura 7, c prezintă oscilații autonome (auto-oscilații) ale vitezei V (s) p în timpul t.

Pe lângă feedback-ul pozitiv, există o mare varietate de mecanisme de autoreglare care pot provoca instabilitatea stărilor staționare ale B. s. și, prin urmare, servesc drept bază pentru generare diferite forme mișcări autonome. În special, sistemele cu feedback negativ în anumite condiții își pot pierde stabilitatea și pot fi o sursă de auto-oscilații. Motivul principal pentru pierderea stabilității în astfel de sisteme este inerția excesivă a mecanismului de feedback și sensibilitatea prea mare a controlerului la semnalul de feedback, ceea ce duce la faptul că acțiunea de control de amplitudine mare este generată de controler cu o amplitudine mare. întârziere, care provoacă o depășire puternică - o abatere a valorii controlate în direcția opusă ultrajului inițial. Această abatere secundară a valorii controlate duce, la rândul său, la dezvoltarea unei noi acțiuni de reglementare, care, din cauza întârzierii, provoacă din nou depășire, dar de semn opus etc. O astfel de „vicitură” a sistemului de autoreglare cu feedback-ul negativ în anumite condiții poate fi auto-oscilant.

Procesele auto-oscilatorii sunt observate la toate nivelurile de organizare a materiei vii. Fluctuațiile concentrațiilor de reactanți pot apărea în reacții enzimatice individuale, sisteme polienzimatice, transport membranar, contracție musculară, activitatea mitotică a celulelor diferitelor țesuturi, activitatea electrică a cortexului cerebral etc. Auto-oscilațiile generate de diferite B. s. servesc ca bază pentru organizarea temporală (adică o anumită ordine de funcționare în timp) B. s. Autooscilațiile joacă un rol foarte important în procesele de codificare, transmitere și transformare a informațiilor din sistemul nervos. De exemplu, majoritatea celulelor receptorilor sunt sisteme auto-oscilante care codifică informații despre parametrii măsurați ai mediului (intensitatea luminii, temperatura, presiunea, concentrația). diverse substante etc.) sub formă de autooscilații ale potențialului membranar de amplitudine și frecvență corespunzătoare.

Orez. Fig. 8. Generarea unui impuls de formă standard într-un sistem cu feedback pozitiv: a - dependența ratei de consum a substratului V(s) și a ratei de formare a substratului de către sursa V(s) și concentrația substratului S; b - modificarea ratei de consum a substratului V(s) p la momentul t0, cauzată de o creștere a superpragului pe termen scurt a ratei sursei V(s) și la momentul t0. Durata acțiunii excitatoare a creșterii în V (s) și este prezentată de segmentul de sub grafic. Linia punctată liniuță arată nivelul critic V (s) și, al cărui exces duce la generarea unui impuls în formă standard de către sistem. Curba cu puncte aldine arată modificarea V(s) n cauzată de o creștere pe termen scurt a subpragului în V(s) u, a cărei durată este indicată de linia scurtă groasă de sub grafic. Valoarea staționară a lui V (s) n este indicată de linia punctată.

Generarea unui singur impuls dintr-o formă standard. Dacă punctul staționar al sistemului prezentat în figura 7, a, este situat pe ramura stabilă a curbei V (s) p lângă una dintre extreme, așa cum se arată în figura 8, a, atunci o astfel de stare este caracterizată de relativă stabilitate. Pentru perturbații mici, sistemul revine la starea inițială. Cu toate acestea, cu perturbații mari, superprag, sistemul își pierde temporar stabilitatea și efectuează o singură mișcare ciclică autonomă (a -> b -> c -> d -> o, Fig. 8, a), care se termină cu o revenire la staționarul inițial. stat. Ca urmare a unui astfel de ciclu, sistemul generează un singur impuls (Fig. 8, b), a cărui amplitudine și durată sunt practic independente de amplitudinea și durata perturbării superpragului. Un astfel de comportament de tip „totul sau nimic” (vezi „Totul sau nimic”, legea) este caracteristic multor pagini B., în special pentru membranele biologice care pot fi excitate sub acțiunea unui stimul supraprag.

Trecerea de la o stare staționară la alta, generarea de impulsuri individuale de o formă standard și generarea de auto-oscilații sunt forme elementare de mișcări autonome. Interacţiunea mişcărilor elementare între ele în B. sisteme care conţin un număr mare de generatori diferiţi de mişcări autonome dă naştere la forme complexe de mişcări. Un exemplu de B. s. care generează astfel de forme complexe de mișcări este sistemul nervos.

Patologia ca o încălcare a funcționării normale a sistemelor de autoreglare

Toate tipurile de B. s. autoreglare este capabilă să-și îndeplinească funcțiile normale de homeostazie sau generare de mișcări autonome numai în anumite game de condiții. Perturbațiile mediului și procesele de dezvoltare internă (în special, îmbătrânirea) organismului pot provoca modificări ale mediului intern care nu sunt compensate de mecanismele homeostatice. Sub influența unor astfel de modificări necompensate, apar schimbări în stările staționare ale diferitelor sisteme de autoreglare. Aceste deplasări, atingând limitele critice, provoacă pierderea stabilității stărilor staționare și trecerea sistemelor la noi stări staționare și generarea de noi tipuri de mișcări autonome. Noile stări staționare și mișcări autonome pot fi incompatibile cu funcționarea normală a corpului, iar apoi se dezvoltă o stare patologică în organism.

Fiabilitatea sistemelor de autoreglare. B. s. autoreglementările se caracterizează prin forme speciale de organizare, datorită cărora se realizează o fiabilitate excepțional de ridicată a funcționării unor astfel de sisteme (vezi Fiabilitate). O caracteristică a fiabilității lui B. cu. în comparație cu cele tehnice, există o fiabilitate ridicată a întregului sistem în ansamblu cu o fiabilitate relativ scăzută a elementelor sale constitutive (celule, organite etc.). Cele mai importante caracteristici ale acestei organizații sunt: ​​1) multiplicitatea (duplicarea) conexiunilor de reglementare care controlează aceeași funcție; 2) pluralitatea și autonomia relativă a elementelor de funcționare paralelă; 3) rezervare multiplă, depunere de nutrienți de rezervă și surse de energie; 4) înlocuirea sau restaurarea elementelor și legăturilor care s-au defectat; 5) capacitatea de auto-purificare de elemente străine; 6) protecție la suprasarcină și capacitatea de a se adapta la suprasarcini frecvente.

Bibliografie: Apter M. Cibernetică și dezvoltare, trad. din engleză, M., 1970; B Ηχο în cu to și y M. JI. și Vishnevsky A. A. Cybernetic systems in medicine, M., 1971, bibliogr.; Voronov A. A. Fundamentele teoriei controlului automat, partea 3, M. - L., 1970, bibliogr.; Novoseltsev V. N. Homeostazia sistemelor de control, automatizare și telemecanică, nr. 12, p. 118, 1973, bibliografie; Udare Teoria sistemelor și biologiei, în cartea: Teoria sistemelor și biologiei, trad. din engleză, ed. V. I. Krinsky, p. 7, M., 1971, bibliografie; Shumakov V. I. et al. Modelarea sistemelor fiziologice ale corpului, M., 1971.

Autoreglare în B. s.- Clegg P. și Clegg A. Hormoni, cells, organism, trans. din engleză, M., 1971, bibliografie; Procese oscilatorii în sistemele biologice și chimice, ed. G. M. Frank, M., 1967, bibliogr.; M o-n despre J. şi Shako despre F. Concluzii generale, mecanisme teleonomice în procesele metabolismului celular, în cartea: Regulator. mecanisme ale celulei, trans. din engleză, ed. I. B. Zbarsky, p. 477, M., 1964, bibliogr.; Sel'kov EE Studiul mecanismului oscilaţiilor glicolitice, în cartea: Matematică. modele biol, sisteme, ed. G. M. Frank, p. 5, M., 1971, bibliogr.; T și cu și către și I. Emoție nervoasă, banda cu engleza. din engleză, M., 1971, bibliografie; Trinkaus D. De la celule la organe, trad. din engleză, M., 1972, bibliografie; X a-rună I. şi SpiegelmanS. Sinteza autocatalitică a ARN viral, în: Enzymes and synthesis of biopolymers, trans. din engleză, ed. Ya. M. Varshavsky, p. 90, M., 1967; Stadtman E. R. Reglarea alosterică a activității enzimatice, Advanc. Enzimol., v. 28, p. 41, 1966, bibliogr.; el, Mecanism of enzyme regulation in metabolism, în cartea: Enzymes, ed. de P. D. Boyer, v. 1, p. 397, N.Y., 1970.

V. H. Novoseltsev; E. E. Selkov (Biophys.).

Conceptul de organizare sistemică pe mai multe niveluri a vieții este una dintre cheie științe naturale moderne. Toate obiectele biologice, conform acesteia, sunt unite pe baza anumitor semne și relații apropiate și se aliniază într-o anumită ordine ierarhică. Principii similare sunt universale pentru întreaga natură în ansamblu. Cunoașterea a ceea ce sunt sistemele biologice, este mai bine să începeți cu definirea unui concept cheie.

Teorie cuprinzătoare

Bazele conceptului au fost puse la mijlocul secolului trecut de Ludwig von Bertalanffy. El a fost cel care a dezvoltat teoria generală a sistemelor. Acoperă tot și societatea. Teoria distinge sistemele biologice, sociale, cosmice, fizice, economice și de altă natură, unite în trei mari categorii: microcosmosul, macrocosmosul și megalumea. Prima include particule elementareși atomi, la al doilea - totul, de la molecule la oceane și continente, la al treilea - obiecte spațiale. Macrocosmosul include și sisteme vii.

Concept de bază

Un sistem este o asociere de elemente bazată pe anumite relații supuse anumitor legi. Organizarea unei astfel de structuri, de regulă, constă din mai multe niveluri ordonate. Mai mult, fiecare element poate fi simultan un sistem de ordin inferior. O proprietate importantă a unei astfel de organizații este că întregul este diferit calitativ de suma tuturor componentelor sale. Sistemul nu este doar un set de caracteristici ale elementelor, el se distinge printr-o anumită calitate nouă.

Toate obiectele lumii vii sunt structuri similare. Mai mult, calitatea rezultată din combinarea mai multor elemente devine o nouă manifestare a vieții.

deschis

Înțelegerea a ceea ce sunt sistemele biologice necesită descrierea unei alte proprietăți a unor astfel de structuri. Este interacțiunea cu mediul. În sistemele biologice, poate fi atât închis, cât și deschis. În practică, oamenii de știință nu cunosc nicio structură complet închisă. Orice sistem viu interacționează constant cu mediul prin intermediul unor învelișuri de limită semipermeabile. În celule, aceasta este o membrană bilipidă; într-o stație spațială, este o piele. sunt unite prin acte legislative sau anumite relaţii între oameni.

Se pare că răspunsul la întrebarea „Ce sunt sistemele biologice?” poate fi formulat astfel: este un ansamblu de elemente vii în continuă interacţiune, construite într-o anumită ordine ierarhică şi deschise într-un grad sau altul pentru schimbul cu mediul.

semne

Toate caracteristicile distinctive ale structurilor luate în considerare sunt în același timp criteriile de distincție a naturii vie de nevii. Să numim semnele sistemelor biologice cu caracteristicile lor scurte:

1. Compoziție chimică unică. Toate obiectele naturale sunt construite din aceleași molecule. dar materie vie include carbon, azot, oxigen și hidrogen ca elemente principale.
2. Schimbul de substante cu mediul. Aceasta este proprietatea deja descrisă a deschiderii sistemului. Una dintre manifestările sale este dependența energetică a unor astfel de structuri.
3. Auto-reproducere (reproducere).
4. Ereditatea este proprietatea de a transmite caracteristici ale structurii și funcționării din generație în generație.
5. Variabilitatea este capacitatea de a dobândi noi caracteristici și abilități în timpul vieții.
6. Crestere si dezvoltare. Ele reprezintă o schimbare direcționată ireversibilă. Alocați individual și dezvoltare istorica sisteme vii, numite ontogenie și, respectiv, filogenie.
7. Iritabilitatea (reflexe, taxiuri) este capacitatea de a răspunde la stimuli și schimbări de mediu.
8. discretie. Orice sistem viu constă din elemente separate, dar care interacționează, care formează o structură ierarhică.
9. Auto-reglare. Există mecanisme interne de menținere a homeostaziei care contribuie la supraviețuirea sistemului. Autoreglementarea se bazează pe principiul feedback-ului negativ.
10. Ritm. Întărirea și slăbirea diferitelor procese la intervale regulate.

Niveluri de organizare a sistemelor biologice

Toate proprietățile descrise sunt păstrate la orice nivel al structurii ierarhice. Principalele niveluri de organizare a sistemelor biologice sunt alocate mai degrabă condiționat, deoarece oricare dintre ele poate fi împărțit cu ușurință în mai multe componente. În general, există patru niveluri ale acestei ierarhii:

• nivel genetic molecular;
• nivel ontogenetic;
• nivel populație-specie;
• nivel biogeocenotic.

Să ne oprim asupra lor mai detaliat.

Nivel genetic molecular

Macromolecule precum proteinele, lipidele, carbohidrații și acizi nucleici, reprezinta elemente structurale organisme, dar în sine nu sunt purtători ai unei vieți pline.

Fiecare dintre aceste elemente își îndeplinește propriile funcții. Carbohidrații sunt o sursă de energie. Lipidele fac parte din celule. Sunt și furnizori de energie. Proteinele îndeplinesc majoritatea funcțiilor vitale. Ele constau din douăzeci de varietăți de aminoacizi, care pot alterna în orice ordine. Ca rezultat, există un număr mare de proteine ​​care pot face față cel mai mult diverse locuri de muncă. Acizii nucleici, ADN și ARN, sunt baza eredității.

Macromoleculele se combină în complexe, formând organele celulare: ribozomi, mitocondrii, miofibrile și așa mai departe. Toate sunt responsabile de manifestările biologice individuale, dar nu ating nivelul de complexitate care poate fi numit viață.

Urmatorul pas

Ce sisteme biologice alcătuiesc nivelul ontogenetic? Acestea sunt toate organisme, de la unicelular la mamifere și oameni, precum și organe, țesuturi și celule ale corpului. Toate aceste elemente pot fi considerate niveluri separate de organizare a sistemelor biologice, cu toate acestea, pentru comoditate și datorită legilor generale, ele sunt combinate.

O celulă este o unitate structurală elementară a structurii organismelor. De asemenea, reprezintă nivelul de complexitate al unui sistem biologic la care viața apare pentru prima dată ca fenomen. După cum am menționat deja, mai mult structuri simple oferă doar câteva funcții. Celula are toate proprietățile sistemelor biologice.

Țesuturile și organele sunt subniveluri intermediare ale etapei ontogenetice. Ele sunt urmate de un organism multicelular. Se caracterizează prin capacitatea de existență independentă, dezvoltare și reproducere. Această proprietate distinge un individ și o celulă de organe și țesuturi.

Populația și speciile

Din pas în pas există o complicație a sistemelor biologice. La nivelul următor sunt speciile și populațiile. Primele sunt o colecție de indivizi caracterizați prin similitudine ereditară într-o serie de parametri: morfologie, fiziologie, genetică, localizare geografică. Și cel mai important: organismele care alcătuiesc specia sunt capabile să se încrucișeze liber și să lase descendenți fertili.

Un grup de indivizi ocupă un anumit teritoriu, care se numește habitat. Destul de des este sfâșiat de diverse obstacole geografice. Ca urmare, specia se desparte în mai multe populații relativ izolate. În mod firesc, condițiile de separare de restul speciilor contribuie la acumularea unui anumit material genetic. Cu o puternică divergență a semnelor populațiilor, apar noi specii.

ecosistemelor

Pe scara ierarhică, populațiile și speciile sunt urmate de comunitate, biogeocenoză și biosferă. Primul este un set de populații tipuri diferite situat in aceeasi zona. Alocați comunități de plante, animale și microbi. Totalitatea lor în același interval va fi numită biocenoză. Aceste niveluri ale sistemelor biologice sunt caracterizate de o relație strânsă a tuturor indivizilor.

Condițiile în care există organismele le afectează în mod constant. Totalitatea speciilor similare dintr-o zonă dată este de obicei numită biotop. Mediul și comunitățile de organisme sunt în interacțiune constantă, există o circulație a materiei și a energiei. Prin urmare, biotopul și biocenoza sunt combinate într-o biogeocenoză sau ecosistem. Acest nivel se caracterizează și prin toate trăsăturile viețuitoarelor: este în contact constant cu mediul înconjurător, este controlat după principiul autoreglementării, procesele sunt supuse anumitor cicluri.

Pe nivel mai înalt ierarhia este plasată de biosfera Pământului – o coajă locuită de ființe vii. Activitatea umană are un impact uriaș asupra acesteia, ceea ce duce din ce în ce mai mult la dezastre ecologice.

Ce este De fapt, este tot acel lucru viu care ne înconjoară. O persoană se deosebește de alte elemente din biosferă prin capacitatea de a fi conștientă și, prin urmare, de a-și redirecționa și schimba activitatea. În timp ce această abilitate a Homo sapiens lucrează împotriva naturii. Cu toate acestea, datorită ei avem șansa să reparăm totul.

Conceptul de sistem deschis a fost introdus de L. von Bertalanffy. Principal trăsături distinctive sisteme deschise - capacitatea de a face schimb de masă, energie și informații cu mediul. Sistemele biologice le aparțin cu siguranță.

Una dintre cele mai complete și interesante clasificări pe niveluri de dificultate a fost propusă de K. Boulding. Nivelurile alocate în acesta sunt date în tabel. unu.

Lumea ființelor vii, inclusiv a oamenilor, este reprezentată de sisteme biologice (vii) cu diferite organizații structurale și diferite niveluri de subordonare sau consistență. Să ne oprim asupra conceptului de „sistem biologic”, a caracteristicilor sistemelor biologice și a nivelurilor acestora.

Sisteme biologice- acestea sunt obiecte de complexitate variabilă, având mai multe niveluri de organizare structurală și funcțională și reprezentând un set de elemente interconectate și care interacționează.

Exemple de sisteme biologice sunt: ​​celula, țesuturile, organele, organismele, populațiile, speciile, biocenozele, ecosistemele de diferite ranguri și biosfera.

Un sistem biologic elementar, de ex. sistemul de cel mai jos rang este celula, deoarece nu există sisteme de un rang și mai mic care să posede întregul set de caracteristici inerente sistemelor biologice.

Omul ocupă un loc special printre sisteme, nu numai că trăiește în lumea sistemelor, dar el însuși este un sistem, o componentă personificată a naturii.

homeostaziei

Activitatea vitală a unui organism, ca biosistem deschis, este asigurată de procese ordonate în timp și spațiu, cronometrate la un anumit sistem de susținere a vieții. Aceste procese formează trei fluxuri:

1.informații 2.fluxul de substanțe 3.fluxul de energie

Ca urmare a unui număr de transformări chimice complexe, substanțele din mediu sunt asemănătoare cu substanțele unui organism viu, iar corpul este construit din acestea. Aceste procese se numesc asimilare sau schimb plastic.

Pe de altă parte, compușii organici complecși se descompun în alții simpli, în timp ce asemănarea lor cu substanțele corpului se pierde și se eliberează energia necesară reacțiilor de biosinteză. Aceste procese se numesc disimilare sau schimb de energie.

Metabolismul asigură homeostazia organismului.

Aceste fluxuri se desfășoară continuu și constituie condițiile existenței unui organism într-un mediu în continuă schimbare.

Sub îndrumarea sistemelor nervos și endocrin, sistemele de susținere a vieții susțin procesele din interiorul corpului în modul optim.

„Homeostazia este constanta relativă dinamică a compoziției și proprietăților mediului intern, precum și stabilitatea funcțiilor fiziologice ale corpului.”

K. Bernard Homeostazia este capacitatea organismului de a menține parametrii de bază ai activității vitale la un nivel optim. Un aspect important al homeostaziei organismului este stabilitatea dezvoltării (homeostazia morfogenetică) - capacitatea organismului de a forma un fenotip determinat genetic cu un nivel minim de perturbări ontogenetice.

Vezi si:

Rezultate si discutii. Studiul activității carboxipeptidazei N în serul sanguin al pacienților cu cancer sub expunere chimioterapeutică
Rezultatele studiului au arătat o creștere a activității CPN la pacienții cu cancer în perioada de dinaintea chimioterapiei comparativ cu grupul de control de 2 ori și o scădere a activității enzimatice după chimioterapie, în raport cu perioada de dinaintea tratamentului...

Bonificarea terenurilor din zonă pentru căprioare
Terenuri bune (I boniteta) - terenuri in care predomina tipurile de terenuri caracteristice si favorabile locuirii. Nu există niciunul nepotrivit pentru specie. Condițiile de cuibărit de protecție sunt bune. Pe astfel de terenuri există un set abundent și variat de furaje, stabile de-a lungul anilor. Aceasta este sta...

Don este un râu din partea europeană a Rusiei. În ceea ce privește suprafața de captare, egală cu 422 mii km², este al doilea după Volga, Nipru și Kama. Lungimea râului este de 1870 km. Numele provine de la scito-sarmat dānu, osetă „don” apă, râu. Sursa Donului este situată în nordul...

Pagina 1 din 2

Rezumat Sisteme biologice, metode de aplicare și semnificație a acestora pe pământ și în spațiu

Introducere……………………………………………………………………

1. Descrierea generală a lucrării………………………………………

1.1. Teluri si obiective……………………………………

1.3. Relevanța subiectului……………………………………………

1.4. Dispoziții efectuate pentru apărare……

1.5. Structura și domeniul de activitate……………………

2. Revizuire de literatura…………………………

2.1. Sisteme biologice ………………………………

Ce sunt sistemele biologice……………………………

Istoria sistemelor biologice……

2.2. Exemple de sisteme biologice, existența și semnificația lor...

Sere subterane – un prototip de biosistem………………………….

Primii pași către sere spațiale…………

Microbiosistemele din apartament…………………………

3. Rezultatele studiului………………………………

3.1. Sistem biologic cu cactuși - un model de stație spațială…………………………………………

3.2. Ciclul substanțelor într-un sistem biologic ......

Concluzii……………………………………………………

Aplicații……………………………………………

Lista surselor utilizate………

Introducere

Din cele mai vechi timpuri, omenirea s-a străduit să ajungă în cosmos și planetele sale. Acest lucru este posibil numai dacă unei persoane i se asigură tot ce este necesar (apă, hrană, aer). Pentru a rezolva această problemă sunt necesare sisteme biologice care să aprovizioneze echipajul cu tot ce este necesar și să elimine deșeurile.

1. descrierea generală a muncii

1.1. Scop și sarcini:

· arăta diversitatea sistemelor biologice, importanța acestora în viața umană pe Pământ și în spațiu;

· să arate posibilitatea modelării sistemelor biologice și utilizarea acestora;

1.2. Relevanța subiectului.

Pe acest moment subiectul va rămâne relevant până când oamenii de știință vor putea realiza un astfel de sistem biologic care poate fi amplasat pe o navă spațială astfel încât să ofere echipajului tot ce este necesar și să acționeze destul de mult timp.

Și, de asemenea, subiectul este relevant, pentru că pe Pământ în multe țări există o lipsă de legume și fructe. Sistemele biologice care pot fi folosite pentru a ocupa deșerturile, zonele muntoase și lucrările goale ale vechilor mine vor ajuta la rezolvarea acestei probleme. Acest lucru va rezolva problema foametei.

1.3. Aprobarea lucrării.

Lucrarea a fost raportată la ședința secției de biologie a Academiei de Științe a Școlii Nr. 1 Molodezhnenskaya pe 13 noiembrie 2004 și aprobată pentru apărare.

1.4. Dispoziții de apărare.

Ce este un biosistem.

Circulația substanțelor în biosistem.

crearea unui sistem biologic folosind suculente.

· importanța sistemelor biologice pe Pământ și în spațiu.

1.5. Structura și domeniul de activitate.

Lucrarea este prezentată pe ___ pagini, inclusiv ___ desene.

2. Revizuire de literatura.

2.1. Sisteme biologice

Ce este un sistem biologic?

sistem biologic- Acestea sunt obiecte biologice de complexitate variabilă (celule, țesuturi, organisme, biocenoze), care, de regulă, au mai multe niveluri de organizare structurală și funcțională. Reprezentând un ansamblu de elemente interdependente și care interacționează, sistemele biologice au proprietăți de integritate, capacitatea de a se autoregla, ceea ce determină stabilitatea acestora, precum și capacitatea de adaptare în raport cu mediul extern, dezvoltare, auto-reproducere și evoluție. . Orice sistem biologic este dinamic - o mulțime de procese se desfășoară constant în el, adesea foarte diferite în timp. În același timp, sistemul biologic sistem deschis, a cărui condiție de existență este schimbul de energie, materie și informații atât între părți ale sistemului, cât și cu mediul. Cea mai importantă caracteristică a unui sistem biologic este că un astfel de schimb se realizează sub controlul unor mecanisme speciale de implementare. informatii geneticeși controlul intern, care evită „moartea termodinamică” prin utilizarea energiei extrase din mediul extern.

Stabilitatea stărilor staționare ale unui sistem biologic (menținerea constantă a caracteristicilor interne pe fundalul unui mediu extern instabil sau în schimbare, precum și capacitatea de a le transfera dintr-o stare în alta, proprietatea de instabilitate a stărilor staționare ale sisteme biologice) sunt asigurate de diverse mecanisme de autoreglare. Autoreglementarea sistemelor biologice se bazează pe principiul feedback-ului, pozitiv sau negativ. Astfel, într-un circuit de control cu ​​feedback negativ, informațiile despre abaterea valorii controlate de la nivelul setat activează regulatorul, care acționează asupra obiectului controlat, astfel încât valoarea controlată revine la nivelul inițial (semnul aplicării sale este opus semnului abaterii iniţiale). Acest mecanism, precum și combinațiile mai complexe ale mai multor mecanisme, pot funcționa pe diferite niveluri organizarea sistemelor biologice (de exemplu, la nivel molecular - inhibarea unei enzime cheie cu un exces de produs final sau reprimarea sintezei enzimatice, la nivel celular - autoreglare hormonala si inhibitie contractuala, care asigura densitatea optima a populatia celulara, la nivelul organismelor – homeostazie, asigurand stabilitatea mediului intern al organismului). Mecanisme speciale de feedback pozitiv (impactul asupra obiectului controlat provoacă modificări care coincid în semn cu abaterea inițială a variabilei controlate, în urma căreia sistemul părăsește această stare staționară) stau la baza tranziției sistemelor biologice de la o stare staționară la o stare staționară. alta și schimbările regulate bazate pe aceste tranziții sistemele biologice care asigură adaptarea acestora la condițiile externe în schimbare, mișcarea, alte funcții active diverse ale sistemelor biologice, evoluția acestora. Mișcarea autonomă complexă (independentă de mediu) a biosistemelor este posibilă datorită multiplicității stărilor staționare ale biosistemelor, între care se pot face tranziții. În unele cazuri, noua stare se dovedește a nu fi staționară, ci auto-oscilantă, adică una în care valorile indicatorilor fluctuează în timp cu o amplitudine constantă. Astfel de fenomene se află la baza proceselor periodice din sistemele biologice ale organizării temporale a biosistemelor, la baza funcționării ceasurilor biologice.

Atunci când se analizează comportamentul și proprietățile biosistemelor, sunt utilizate pe scară largă diverse metode de modelare fizică și matematică, se folosesc abordări cibernetice și termodinamice. Abordarea sistemică se dovedește a fi promițătoare pentru rezolvarea multor probleme practic importante (cum ar fi, de exemplu, crearea de biosisteme închise pentru susținerea vieții, problema bolilor asociate cu homeostazia afectată etc.). Un exemplu de sistem biologic sunt toate organismele vii care locuiesc pe planeta noastră, inclusiv plantele.

Istoria sistemelor biologice.

Planeta Pământ în spațiu este un exemplu de sistem biologic autonom parțial închis. Obiectele vii de pe Pământ sunt furnizate cu toate substanțele necesare vieții și activității vitale. Acest sistem este destul de constant, primind din spațiu principalul factor al vieții - lumina soarelui. Acest sistem, Pământul, ține pe suprafața sa și în mediul său imediat nu numai obiecte solide grele, ci și aer, apă și vapori de apă. cel mai cel mai simplu model Sistemul biologic a fost inventat de japonezi. În Japonia, astfel de sisteme au apărut pe rafturi în anii optzeci ai secolului XX. Erau destinate cultivatorului de flori ocupat sau leneș care dorea să aibă în casă soiuri excelente de flori, dar în același timp să nu aibă grijă de ele. A fost suficient să mergi la tejghea, să cumperi un astfel de sistem, să torni apă în el, să-l închizi ermetic și gata - plante excelente acasă pentru un an întreg.

2.2. Exemple de sisteme biologice, existența și semnificația lor.

Serele subterane sunt un prototip al unui biosistem.

În prezent, extinderea zonelor de teren protejate este oprită din cauza cost ridicat construcția de sere și exploatarea acestora. Da, în zona de stepăÎn Ucraina, construcția a 1 m2 de sere a costat în medie 60 de ruble, iar în Yakutsk, unde legumele și fructele sunt insuficiente, 250 de ruble. Și, în mod paradoxal, agricultura cu efect de seră este cel mai dezvoltată în regiunile centrale și sudice ale Ucrainei și deloc acolo unde există o lipsă de legume proaspete. Experimentele efectuate în străinătate au arătat că legumele pot fi cultivate cu succes în subteran, utilizând în acest scop lucrările subterane ale vechilor mine rămase în urma exploatării.

Dar nu toate lucrările miniere sunt potrivite pentru crearea de sere subterane, deoarece majoritatea minelor de cărbune sunt inundate cu apă subterană și emit metan și alte gaze combustibile, ceea ce crește semnificativ costul operațiunii unor astfel de lucrări (pompare artificială). panza freatica). Aspectul pozitiv al lucrărilor subterane este temperatura pozitivă constantă peste +11 °C. Dispozitivele și echipamentele electrice de iluminat generează căldură suplimentară și, de asemenea, încălzesc lucrările miniere și temperatura din ele chiar și iarna la înghețuri severe suficient pentru a cultiva majoritatea legumelor. În minele mai adânci, temperatura crește odată cu adâncimea, dar costurile pentru transportul vertical de oameni, echipamente și produse, precum și pomparea și ventilația apei subterane cresc.

Plantele pot fi cultivate sub pământ pe tot parcursul anului. Instalațiile tradiționale de cultură (sere, sere, sere) trebuie să fie încălzite iarna și răcite vara, dar trebuie și ventilate, ceea ce consumă 20-30% din toată energia consumată. Disponibilitatea în Ucraina a ieftine energie electrica pentru iluminat, temperatura constantă a rocilor din jur la adâncime și costul scăzut al pregătirii minelor pentru producția agricolă poate avea un mare efect. Ce este necesar pentru creșterea normală a plantelor în condiții artificiale? În primul rând, iluminarea și habitatul rădăcinilor este substratul.

Experiența în funcționarea lucrărilor subterane în bazinul de minereu de fier Krivoy Rog a arătat că, folosind iluminarea artificială cu compoziția spectrală adecvată, puteți obține o recoltă foarte bună de legume. Iradiatoarele cu efect de seră OT-400, lămpile RRL-700 și lămpile incandescente cu o putere de 500 și 1000 W sunt folosite aici ca surse de lumină. Dacă dimensiunile încăperii permit, pot fi utilizate și alte sisteme de iluminat artificial, o instalație de creștere accelerată a plantelor (UVR), o instalație de sistem de iluminat pentru sere de legume SORT 1-5 și SORT 1-10, un sistem de iluminat pentru sere de cultivare. SOVK-1 și altele (astfel de instalații au fost folosite și pe submarine).

În mine, este cel mai tradițional să se folosească o metodă hidroponică de cultivare a plantelor. În plus, substraturi (pietriș, turbă, zgură, nisip), respectiv selectate în funcție de fiziologie și proprietăți chimice, poate „lucra” în condiții subterane timp de 10-15 ani sau mai mult, în timp ce solul din sere trebuie schimbat la fiecare 3-4 ani.

La cultivarea legumelor în sere subterane pe hidroponie, multe proprietăți negative ale solului (necesitatea de a aplica o cantitate mare de îngrășământ, umiditate ridicată, prezența dăunătorilor și agenților patogeni ai plantelor) sunt complet absente. Raportul nutrienților din soluții poate fi modificat în funcție de vârsta plantelor și de timpul de coacere a fructelor, ceea ce crește semnificativ eficiența îngrășămintelor aplicate și randamentul culturilor cultivate. Coacerea legumelor în aceste condiții are loc în medie cu 2-3 săptămâni mai devreme decât în ​​serele din sol.

Când se cultivă legume în subteran, tăvile de hidroponie pot fi realizate dintr-o varietate de materiale - lemn învelit în folie, plastic sau țevi de azbociment cu diametru mare. Tăvile trebuie așezate cu o pantă de 0,3° pentru a scurge soluția nutritivă.

Hidroponia contribuie la o mai bună aprovizionare cu legume cu apă cu nutrienți dizolvați în ea, protejează zona rădăcinii de fluctuațiile de temperatură și de uscare, vă permite să automatizați procesele de producție pentru îngrijirea plantelor și, de asemenea, să creșteți semnificativ randamentul produsului.

Există acum din ce în ce mai multe rapoarte despre utilizarea lucrărilor miniere pentru cultivarea legumelor - în Kazahstan, Norilsk și alte orașe ale lumii au abordat această problemă cu interes.

Urgența problemei este dincolo de orice îndoială - sere subterane ar trebui să devină parte integrantă complexe agro-industriale, programul alimentar al Ucrainei.

Primii pași pe drumul către serele spațiale.

Este mai complex în proiectare decât serele subterane, dar complexele de sere la sol mai avansate sunt mai apropiate ca proiectare de un biosistem închis care primește doar energie solară și semnale de comunicare a informațiilor din exterior. În astfel de complexe, voluntari într-o echipă care imită o echipă nava spatiala, a trăit și a lucrat mai mult de un an, a studiat problemele circulației substanțelor, inclusiv apa, echilibrul termic, alimentația unui grup de oameni, reciclarea deșeurilor și alte observații și studii ale plantelor și oamenilor dintr-un astfel de sistem. Astfel de complexe științifice au fost create în munți, deoarece condițiile de iluminare (izolație) și fluctuațiile zilnice de temperatură sunt mai apropiate de condiții. spațiul cosmic, iar pe suprafața pământului la altitudini joase deasupra nivelului mării, condițiile sunt foarte diferite. La altitudini mari, ca și în spațiu, componenta ultravioletă este semnificativ îmbunătățită. radiatie solara. De asemenea, la altitudini mari, presiunea atmosferică este mult mai scăzută și se observă fluctuații bruște de temperatură datorită fluxului de energie solară care variază foarte mult în timpul zilei.

Pentru asigurarea normală a persoanelor într-un astfel de complex, s-au folosit ochelari speciali în acoperirile complexului de sere. O astfel de sticlă absoarbe și slăbește fluxul de radiații ultraviolete și reduce parțial fluctuațiile bruște de temperatură în interiorul complexului, deoarece împiedică trecerea nu numai a razelor ultraviolete, ci și a razelor infraroșii (termice). Zilele se furnizează mai puțină căldură, sera nu se supraîncălzește, iar noaptea se pierde mai puțină căldură, sera nu se răcește excesiv. Pentru a reduce fluctuațiile de temperatură, se folosesc și jaluzelele și a fost inventat un sistem original de fluctuații zilnice de temperatură - acestea sunt acumulatoare termice. Ele folosesc capacitate mare de căldură a apei. Pe suprafața solului sau a substratului plantei sunt așezate țevi negre umplute cu apă. Ziua, cu caldura in exces, aceste baterii absorb caldura, prevenind supraincalzirea, iar noaptea o dau departe, protejand sistemul de hipotermie.

Grupuri de oameni au trăit un an sau mai mult în seră, izolați biologic absolut de atmosfera Pământului. Aerul și apa au fost purificate și restaurate de plante. Astfel, primii pași ai omului au fost făcuți spre crearea unui sistem biologic închis de încredere, care să asigure omului folosirea plantelor superioare. Experimentul s-a dovedit a fi un succes.

Sarcina principală în construirea de sere spațiale este de a selecta plante care să ofere astronauților cel mai util set de nutrienți. Prin urmare, cercetătorii consideră că această problemă poate fi rezolvată cu mare succes dacă în spațiul „grădină” se plantează un set de diverse legume. Acesta este singurul mod de a asigura o nutriție completă. Desigur, atunci când alegeți legume pentru o seră spațială, este necesar să țineți cont de obiceiurile și gusturile oamenilor. De exemplu, oamenii de știință străini propun să cultive fasole, mazăre și un arbore de ulei - arahide într-o seră spațială, care, în combinație cu alte plante, asigură în mod satisfăcător dieta astronauților. Toate acestea sunt adevărate, dar alunele sunt un aliment neobișnuit pentru noi. Prin urmare, este indicat să facem dieta astronauților din plante care sunt cultivate pe teritoriul țării sau introduse în meniul de legume și fructe care ne-au devenit familiare. Dieta astronautului nu trebuie sa includa doar legume, trebuie sa contina proteine ​​si grasimi animale. Pentru a rezolva această problemă, a fost luată în considerare un numar mare de o mare varietate de organisme, inclusiv nevertebrate și pești. S-a stabilit că un acvariu modern este și un prototip al unui sistem bioecologic închis care poate fi folosit pe o navă. Se stabilește că la bordul navei trebuie să fie ierbivore. Găinile sunt cele mai potrivite pentru a oferi carne astronauților. Ei mănâncă aproape orice și se reproduc ușor.

Secțiunea 1.2. Organizare la nivel și evoluție. Principalele niveluri de organizare a naturii vii: celular, organismic, populație-specie, biogeocenotic, biosferic. Sisteme biologice. Semne generale sisteme biologice: structura celulară, compoziția chimică, metabolismul și conversia energiei, homeostazia, iritabilitatea, mișcarea, creșterea și dezvoltarea, reproducerea, evoluția.

Principalii termeni și concepte testate în lucrările de examen: nivel de trai, sisteme biologice studiate la acest nivel, molecular-genetic, celular, organism, populatie-specie, biogeocenotic, biosferic.

Niveluri de organizare sisteme vii reflectă subordonarea, ierarhia organizării structurale a vieții. Standardele de viață diferă unele de altele prin complexitatea organizării sistemului. O celulă este mai simplă decât un organism sau o populație multicelulară.

Standardul de trai este forma si modul de existenta a acestuia. De exemplu, un virus există ca o moleculă de ADN sau ARN închisă într-o înveliș de proteine. Aceasta este forma de existență a virusului. Cu toate acestea, proprietățile unui sistem viu, virusul arată doar atunci când intră în celula unui alt organism. Acolo se reproduce. Acesta este felul lui de a fi.

Nivel genetic molecular reprezentată de biopolimeri individuali (ADN, ARN, proteine, lipide, carbohidrați și alți compuși); la acest nivel al vietii sunt studiate fenomenele asociate modificarilor (mutatiilor) si reproducerii materialului genetic, metabolismului.

Celular - nivelul la care există viața sub formă de celulă - unitatea structurală și funcțională a vieții. La acest nivel, procese precum metabolismul și energia, schimbul de informații, reproducerea, fotosinteza, transmiterea impuls nervosși multe altele.

Organismic - aceasta este existența independentă a unui individ separat - un organism unicelular sau multicelular.

populație-specie - nivelul, care este reprezentat de un grup de indivizi din aceeași specie - o populație; În populație au loc procesele evolutive elementare - acumularea, manifestarea și selecția mutațiilor.

Biogeocenotic - reprezentate de ecosisteme formate din diferite populații și habitatele acestora.

biosferic - un nivel reprezentând totalitatea tuturor biogeocenozelor. În biosferă are loc circulația substanțelor și transformarea energiei cu participarea organismelor. Produsele activității vitale ale organismelor participă la procesul de evoluție al Pământului.

Principalii termeni și concepte testate în lucrarea de examen: homeostazie, unitate a naturii animate și neînsuflețite, variabilitate, ereditate, metabolism.

Semne și proprietăți ale vieții. Sistemele vii au caracteristici comune:

Structura celulară Toate organismele de pe Pământ sunt formate din celule. O excepție sunt virușii care prezintă proprietățile unui lucru viu numai în alte organisme.

Metabolism - un set de transformări biochimice care au loc în organism și în alte biosisteme.

Auto-reglare - mentinerea constanţei mediului intern al organismului (homeostazia). Încălcarea persistentă a homeostaziei duce la moartea corpului.

Iritabilitate - capacitatea organismului de a raspunde la stimuli externi si interni (reflexe la animale si tropisme, taxiuri si nastia la plante).

Variabilitate - capacitatea organismelor de a dobândi noi trăsături și proprietăți ca urmare a influenței mediului extern și a modificărilor în aparatul ereditar - moleculele de ADN.

Ereditate Capacitatea unui organism de a-și transmite trăsăturile din generație în generație.

Reproducere sau auto-reproducere - capacitatea sistemelor vii de a reproduce propriul lor fel. Reproducerea se bazează pe procesul de duplicare a moleculelor de ADN cu diviziunea celulară ulterioară.

Crestere si dezvoltare - toate organismele cresc pe parcursul vieții lor; dezvoltarea este înțeleasă ca dezvoltarea individuală organism și dezvoltarea istorică a naturii vii.

Deschiderea sistemului - o proprietate a tuturor sistemelor vii asociată cu o aprovizionare constantă cu energie din exterior și cu eliminarea deșeurilor. Cu alte cuvinte, un organism este viu în timp ce schimbă materie și energie cu mediul.

Capacitate de adaptare - în procesul de dezvoltare istorică și sub influența selecției naturale, organismele dobândesc adaptări la condițiile de mediu (adaptare). Organismele care nu au adaptările necesare se sting.

Generalitatea compoziției chimice . Principalele caracteristici ale compoziției chimice a unei celule și a unui organism multicelular sunt compușii de carbon - proteine, grăsimi, carbohidrați, acizi nucleici. În natura neînsuflețită, acești compuși nu se formează.

Caracterul comun al compoziției chimice a sistemelor vii și a naturii neînsuflețite vorbește despre unitatea și legătura dintre materia vie și cea neînsuflețită. Întreaga lume este un sistem bazat pe atomi individuali. Atomii interacționează între ei pentru a forma molecule. Moleculele din sistemele neînsuflețite formează cristale de rocă, stele, planete și univers. Din moleculele care alcătuiesc organismele se formează sisteme vii - celule, țesuturi, organisme. Relația dintre sistemele vii și cele nevii se manifestă clar la nivelul biogeocenozelor și al biosferei.