Практическая работа №30 Моделирование стабилизационных физиологических систем
Цель: всесторонне изучить тему, рассмотреть разновидности стабилизационных систем, составить реферат на заданную тему.
Краткие теоретические сведенья
Отдельные физиологические системы организма связаны в единую систему высшего порядка - целостный живой организм. При анализе биологических управляющих систем, каждая из них может отрабатывать одновременной несколько механизмов управления.
Рассмотрим системы, выполняющие функции простого регулирования; стабилизации (гомеостаза), слежения и работы по какой-либо программе.
Задачей стабилизирующих систем является поддержание выходной величины на постоянном уровне (у = const), обусловленном нормальной жизнедеятельностью. Такие системы называются гомеостатическими.
Динамика регулирования в них заключается в правильном выборе управляющего воздействия, позволяющего компенсировать влияние возмущающего воздействия, а также влияние изменения параметров подсистем этого контура.
Английский кибернетик У.Р. Эшби построил техническую модель системы, названная гомеостатом, которая имитирует процессы стабилизации существенных переменных в условиях, когда заранее неизвестно, в каком направлении надо изменять несущественные переменные. (Уильям Росс Эшби (англ.William Ross Ashby; 6 сентября1903,Лондон,Англия,—15ноября1972)—английский психиатр, специалист по кибернетике, пионер в исследовании сложных систем).
Гомеостат Эшби состоит из четырех одинаковых блоков (рис. 1). В каждом блоке имеется гальванометр (используется для измерения постоянного тока, протекающего в цепи. Когда постоянный ток проходит сквозь катушку, в ней возникает магнитное поле. Оно взаимодействует с полем постоянного магнита, и катушка, вместе со стрелкой, поворачивается, указывая на протекающий через катушку электрический ток.), стрелка которого связана с движком реостата R (Реостат (потенциометр, переменное сопротивление, переменный резистор; от др. - греч. ῥέος «поток» и ς «стоящий») — электрический аппарат для регулировки и получения требуемой величины сопротивления. Как правило, состоит из проводящего элемента с устройством регулирования электрического сопротивления. Изменение сопротивления может осуществляться как плавно, так и ступенчато. Изменением сопротивления цепи, в которую включен реостат, возможно достичь изменения величины тока или напряжения).
Электромагнит гальванометра снабжен обмотками, получающими питание через реостаты гальванометров других трех блоков и через переключатели П, изменяющие направление тока в тих обмотках. Переключатели срабатывают в случае, если стрелка гальванометра достигает крайнего положения. В оригинальной модели Эшби есть и другие вспомогательные элементы, не имеющие принципиального значения.
Рис. 1. Схема гомеостата Эшби
Если установить стрелки гальванометров и переключатели в случайные положения и включить питание, то сразу начнется перемещение стрелок и связанных с ними движков реостатов всех гальванометров, поскольку перемещение стрелки каждого гальванометра изменяет токи, поступающие в обмотки остальных гальванометров. При этом в редких случаях движение прекращается раньше, чем стрелка хотя бы с одного гальванометра отклонится до упора. Однако в последнем случае произойдет изменение направления тока в какой-нибудь обмотке, и направление перемещения стрелки соответствующего гальванометра изменится на противоположное.
Спустя большее или меньшее число таких циклов гомеостат сам находит такое взаимное соединение обмоток и реостатов, при котором вся система оказывается в промежуточных положениях, не доходя до упоров.
Аналогичные процессы можно наблюдать, если по достижении гомеостатом равновесия принудительно отклонить стрелку какого-нибудь гальванометра или переключить направление тока в одной из обмоток.
Существенными переменными здесь являются положения стрелок, которые в стационарном состоянии не должны доходить до границ, определяемых упорами.
В теорию этой модели введено представление о так называемых ступенчатых функциях. Это - скачкообразное изменение рабочих характеристик или структуры системы, возникающее в случае, если действовавший до этого механизм не смог справиться с задачей стабилизации.
Именно такого рода ступенчатыми функциями являются подключения новых, более мощных механизмов регулирования (мышечного, дыхательного в системе терморегуляции), когда вследствие сильного изменения внешних условий (температуры) первоначально введенные механизмы (окислительный, кровеносный) оказываются недостаточными.
Кроме того, ступенчатые функции резко расширяют ассортимент доступных состояний системы и являются мощным средством обеспечения устойчивости систем с большим числом взаимосвязанных переменных.
Использование широкой сети датчиков не только регулируемой величины, но и воздействий, способных ее изменять, и наличие целого ряда регулирующих механизмов различной природы и мощности в сочетании со ступенчатыми функциями управления придают гомеопатическим системам завидную эффективность, гибкость и высокую надежность.
Рассмотрим гомеостаз на примере энергетической адаптации. Математическая модель энергетического гомеостаза имеет вид:
Переменные модели:
S – энергоемкость энергетического субстрата во внеклеточной жидкости, [Дж/л]
R – количество зарезервированной энергии в форме жировой ткани, [Дж]
P₁ – мощность основного обмена, [Вт]
P₂ – мощность физической активности, [Вт]
P₃ – мощность метаболизма жировой ткани, [Вт]
M₁- масса функциональной ткани, поддерживающий базовый метаболизм, [г]
M₂- масса функциональной ткани, обеспечивающей физическую активность, [г]
M₃- масса жировой ткани
Уравнение энергетического субстрата:
Здесь S* - это максимальный уровень энергии,
Smin- минимальный уровень энергии в энергетическом субстрате, при котором происходит резервирование энергии.
Потребляемые мощности. Мощность, потребляемая системой, зависит от количества доступной энергии и от функциональной целостности тканей:
•Основной метаболизм:
Физическая активность:
•Поддержание энергетического резерва:
Математическая модель энергетического гомеостаза имеет вид:
Динамика относительной энергоемкости энергетического субстрата в зависимости от интенсивности поступления энергии с пищей:
Динамика объема зарезервированной энергии в зависимости от интенсивности поступления энергии с пищей
