Регулирование в биологических системах

Заметим, что подход, основанный на санитарно-гигиенических 1ре-бованиях к качеству окружающей среды, является основным в России и большинстве стран мира [29]. По своему смыслу он отвечает принципу нулевого ущерба Однако при регулировании качества природной среды только на основе предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ возможно поступление в окружающую среду значительных количеств ксенобиотиков, что может привести к опасным нагрузкам на биологические системы Спорными являются и величины ПДК. так как при расширении наших знаний о воздействии химических веществ на человека, совершенствовании техники измерений допустимый порог такого воздействия смещается. [c.31]

Именно вследствие относительной слабости водородных связей динамические структуры в биологических системах легко возникают и распадаются, что важно для выполнения функций регулирования, стабилизирующего всю систему в целом. Поэтому многие биологические механизмы, кодирующие процессы (гормоны, ферменты) изменяют конформацию, варьируя систему водородных связей. Так как атом водорода способен к образованию лишь одной ковалентной связи (энергия 2s- и 2р-орбиталей слишком велика и они не могут быть использованы для связей), то предполагается, что водородная связь имеет электростатическую природу. Это значит, что электроотрицательный атом А оттягивает на себя [c.134]

Эффективность процессов биологической очистки зависит от ряда факторов, одни из которых поддаются изменению и регулированию в широких диапазонах в пределах биологической системы, регулирование же других, таких, например, как состав поступающих на очистку сточных вод, практически исключено. Действие основных факторов, определяющих пропускную способность системы и степень очистки сточной воды, рассмотрено ниже. [c.160]

Вопросы устойчивости важны в теории автоматического регулирования, в теории колебательных движений и т. д. Очевидно, что проблема устойчивости динамического состояния биологической системы неизбежно возникает и в биофизике. [c.21]

В этом отношении биологические системы коренным образом отличаются от тех систем, которые развивались по неорганической ветви. Обратные связи в клеточных структурах организмов и в самих клетках являются важнейшим средством регулирования и стабилизации. [c.12]

Системы четвертого ранга — это системы, стабильность которых поддерживается за счет регулирования. В этот класс входят и биологические системы. [c.24]

В отличие от статистики теория регулирования рассматривает организм не как собрание слабо связанных друг с другом и тождественных частиц, а скорее как механизм, в котором все части находятся во взаимодействии, достаточно тесном, чтобы обеспечить функционирование аппаратов обратной связи. Такая позиция имеет гораздо больше оснований, чем статистический подход, и недостатком ее являются, с одной стороны, отсутствие чего-то, аналогичного постулатам термодинамики или механики, а с другой — необходимость признать разрыв между живым и неживым миром. Последнее не столь очевидно — создается впечатление, что глубокие аналогии между различными системами управления и биологическими системами (Н. Винер 125]) указывают скорее на связи между живым и неживым миром. Однако аналогии — это параллели, а не пересекающиеся пути, и сколько бы мы ни изучали особенности систем управления и регулирования, мы не найдем указаний, позволяющих утверждать, что вот из такой-то смеси молекул в заданных условиях обязательно должен образоваться механизм, способный к саморегулированию и репродукции. Исследование уже готовых систем с требуемыми свойствами ответа на вопрос не дает, но тем не менее полезно и, даже необходимо в поисках, если не решения задачи, то хотя бы более или менее надежного пути к ее решению. [c.71]

В связи с этим полезно вспомнить, сколь малую роль в биологических системах играет регулирование за счет действия концентрационных изменений, т. е. регулирование, основанное на законе действия масс. В системах ферментов регулирование функций ряда связанных друг с другом ферментов осуществляется часто таким образом, что продукт деятельности концевого фермента влияет на работу начального звена, включая или выключая целую каталитическую систему. Еще более тонкий механизм регулирования заключается в использовании влияния на процессы синтеза ферментов, принимающих участие в данной реакции (см. ниже). [c.121]

В следующей главе мы и обсудим вопросы регулирования в биологических системах. [c.155]

Ю. Ж. Медведев [7] в своей интересной книге Моле-кулярно-генетические механизмы развития совершенно правильно заметил, что молекулярно-генетическая память клетки... есть управляющая система развития , т. е. те специфические особенности, которые заложены в РНК и ДНК, проявляют себя не только в поддержании надлежащих функций клетки, но и управляют всем процессом развития биологической системы. Этот процесс есть развертывание во времени кодовых систем управления, заложенных в ДНК и РНК. Важнейшая особенность организации вырастающих из первичных нуклеиновых матриц заключается в том, что в любой структуре, образующейся из исходных матриц, параметрические процессы не могут подавить кодовой системы регулирования. Если бы программа, заложенная в матрицах, содержала какой-либо просчет и на некоторой стадии развития вдруг обнаружилась бы возможность появления, например, мощных потоков энергии или массы, не поддающихся управлению, вся система была бы разрушена и все пришлось начинать сначала . Вероятно, бесчисленные пробы с неудачным концом и были ценой, которую природа платила в течение миллиардов лет за [c.155]

РЕГУЛИРОВАНИЕ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ [c.185]

В биологических системах регулированию подвергаются и относительно простые процессы, совершающиеся на уровне ферментов, и сложные совокупности процессов, охватывающие участки нервной сети, железы внутренней секреции и весь организм в целом. [c.186]

В биологических системах развитие нервной системы и мозга означало и появление высшего и наиболее мощного кодового управления, который способен, регулируя отношения между организмом и средой, изменять среду посредством расширения области регулирования параметрических процессов далеко за пределы собственно биологической системы. Таким образом, в среде, где возникает жизнь, неизбежен процесс, ведущий к доминированию кодовых механизмов и распаду системы на неорганизованную и высокоорганизованную части. Этот процесс, в зависимости от условий, может оборваться на ранних стадиях или, наоборот, приобрести тенденции к непрерывному развитию. [c.237]

Между техническими устройствами и биологическими системами имеется в этом отношении сходство, и современные методы управления с использованием счетно-решающих устройств для автоматического регулирования производственных операций во многом аналогичны системам регулирования в организмах. Часто исследователи стремятся воспроизвести в различных конструкциях компьютеров те же схемы связей, которые существуют между нервными клетками различных органов и мозга. Работа как отдельной клетки, так и целого организма не может происходить в любых условиях вполне очевидно, что слишком медленное или, наоборот, слишком быстрое протекание какой-либо реакции, чрезмерное повышение концентраций определенного вещества, резкая смена температурного режима и т. д., могут нарушить нормальную жизнедеятельность и привести к гибели клеток. Во избежание этого и необходимо иметь механизм, позволяющий возвращать к нормальным значениям переменные величины, в случае если их отклонение от нормы приобретает угрожающие масштабы. Изучение свойств сложных организмов показывает, что для биологических машин допустимые отклонения [c.142]

Как отмечалось выше, при удалении состава исходной смеси от равновесного концентрация активных центров возрастает, и наблюдаемая активность катализатора увеличивается. Напротив, приближение состава реакционной смеси к равновесному вызывает уменьшение наблюдаемой активности катализатора. Таким образом, самопроизвольное изменение активности катализатора влияет на состав продуктов, компенсируя колебания состава исходной смеси. Можно полагать, что это свойство используется в биологических системах. Тогда наша трактовка позволяет раскрыть один из механизмов биологи ческого регулирования на уровне отдельных реакций. [c.322]

Итак, современный этап развития биофизики характеризуется тем, что на первый план выступает проблема формулировки исходных теоретических понятий, отражающих фундаментальные механизмы взаимодействий в биологических системах на молекулярном уровне. Вместе с тем специфика биологических систем проявляется в своеобразии физических механизмов молекулярных процессов. Принципиальная особенность заключается в том, что характерные параметры элементарных взаимодействий могут изменяться в зависимости от условий их протекания в организме. Папример, эффективность скоростей отдельных элементарных актов переноса электрона в реакционном центре фотосинтеза не только изменяется направленно в течение жизненного цикла развития, но и различна у сортов растений, отличающихся по физиолого-биохимическим показателям и продуктивности. Это означает, что молекулярные процессы и механизмы взаимодействий не только зависят от локального окружения в биологических системах, но и сами являются объектом направленного физиолого-биохимического регулирования. Здесь видна определяющая роль биологических закономерностей, проявляющаяся уже на низших уровнях организации живого. Одновременно это создает неразрывную связь между молекулярными взаимодействиями и характером биологических явлений, развивающихся на их основе. Именно поэтому изучение глубоких биофизических механизмов в связи с физиолого-биохимическими особенностями биологических объектов создает базу и для практического применения результатов биофизических исследований. Достаточно сослаться на разработку различных методов ранней диагностики состояния биологических систем, основанных на данных о молекулярных механизмах биологических процессов, которые [c.12]

Биологические системы управления по Р. Розену также подвергаются действию естественного отбора, и поэтому из принципа оптимальной конструкции непосредственно следует, что можно говорить и об оптимальных механизмах регулирования их функций. В книге, однако, круг биосистем, где реализуется принцип оптимальности, ограничен лишь организмами по мнению ее автора, в популяциях возникают хотя и хорошие, но не оптимальные способы защиты от изменений условий среды [175, стр. 119—120]. [c.104]

В животных организмах калий необходим для нормальной ра боты мышечных клеток и нервной системы. Нормальный ритм ра боты организма, в частности ритм сокращения сердца, поддержи вается при определенном соотношении концентраций ионов калия и натрия. Оценивая роль ионов калия и натрия в развивающихся системах — клетках и организмах, — приходится констатировать, что не химическое сходство, казалось бы такое очевидное, а довольно тонкие различия между ионами стали основой для того распределения биохимических функций, которое необходимо для действия биологических систем связи и регулирования. [c.153]

Накопление в реагирующей системе активных продуктов или тепла может приводить к колебательному протеканию реакции во времени. При этом условия устойчивости становятся сложнее, чем в простых случаях, рассмотренных выше. Наряду с простой непериодической неустойчивостью, с которой мы имели дело до сих пор, становится возможной также и колебательная неустойчивость, т. е. самовозбуждение колебаний. Химические колебания имеют важное значение для ряда вопросов науки и техники. Так, одной из основных особенностей живого организма является наличие биологических ритмов, которые могут быть связаны с периодическими химическими процессами. С другой стороны, возникновение самовозбуждающихся колебаний при техническом осуществлении экзотермического химического процесса может привести к опасным разогревам и, следовательно, химик-технолог должен уметь взять такие колебания под свой контроль. Эти вопросы привлекают большой интерес в последнее время в связи с проблемой автоматизации химических производств. Тем самым возникает связь химической технологии с теорией автоматического регулирования и ее основой — теорией колебаний [1]. [c.430]

Оптимизацию процессов биологической технологии можно расчленить на три уровня сложности Первый — низший, решаемый обычно с помощью микро-ЭВМ, связан с регулированием параметров биотехнологического процесса с помощью системы обратной связи (рис 83) [c.282]

Вопросы, решаемые химической кинетикой, исключительно важны для биологических систем. Биологические системы являются неравновесными. Однако многие реакции в них, которые в соответствии с термодинамикой должны протекать самопроизвольно, идут с пренебрежимо малыми скоростями только из-за кинетических ограничений (например, гидролиз нуклеиновых кислот, полисахаридов, белков). Кинетические исследования позволяют понять механизмы регулирования скорости биопроцессов, действия ферментов и ингибиторов, протекания фотохимических и цепных реакций. [c.246]

Существование замкнутой системы регулиро1вания определяется наличием В1нешней свяЗ И между выходным параметром объекта — регулируемым параметро.м и регулирующим воздействием, приложенным к его входу. В самом объекте направление передачи сигнала противоположно — от входа к выходу. Поэтому внешнюю связь, осуществляемую регулятором, называют обратной связью. В настоящее время понятия обратной связи и замкнутой системы регулирования стали основными в теории автоматического регулирования и учения об управлении биологическими системами. [c.50]

Переход к биологическим системам составляет, конечно, самую-трудную часть этих рассуждений, так как неизвестны все особенности, отличающие биологические структуры от небиологических. Тем не менее, стабилизация в мире живого так тесно связана с самоорганизацией и регулированием, что можно с большой долей уверенности говорить о саморегулировании как о характерной черте механизмов биологической стабилизации. Саморегулирование свойственно и системам низщего-ранга в постулате Ле-Шателье, в поведении стационарного потока при попытках отклонить его от стационарного режима можно видеть признаки того, что и простые системы способны к авторегулированию. Ниже мы рассмотрим сложную систему, объединяющую системы второго-и третьего ранга, в которой также имеются признаки регулирования. [c.24]

Регулирование, опирающееся на закон действия масс, не имеет большого значения в биологических системах потому, что, как указывают Ж. Моно и Ф. Жакоб [6], большинство путей обмена включает одно или несколько необратимых звеньев, а концентрации многих метаболитов в клетке очень малы. Большую ценность имеет регуляция посредством воздействия на фермент или его активную группу. Белки как будто спеии- [c.113]

Переход к биологическим системам составляет саглую трудную часть этих рассуждений. Стабилизация в мире живого так тесно связана с самоорганизацией и регулированием, что можно говорить о саморегулировании как о характерной черте механизмов биологической стабилизации. Саморегулирование свойственно и системам низшего ранга в постулате Ле-Шателье, в поведении стационарного потока при попытках отклонить его от стационарного режима можно видеть признаки того, что и простые системы способны к авторегулированию. Однако регулирование, с которым исследователь встречается в биологии, отличается тем, что в нем сохраняются и воспроизводятся динамические структуры, выполняющие роль элементов, регулирующих устройства. Эти структуры велики по сравнению с размерами большинства молекул и наделены свойствами, которых нет у молекул мало того, для регулирования используются такие свойства, как механическая прочность, эластичность, электропроводность, каталитические функции и т. п., которые можно воспроизвести при помощи совершенно иных материалов. Все другие особенности молекул, из которых созданы биологические структуры, иногда могут мешать совокупностям молекул действовать в соответствии с задачами стабилизации и регулирования. Именно поэтому регулирующие структуры должны быть динамическими, т. е. должны постоянно возникать и разрушаться тогда их индивидуальные мешающие свойства не успеют проявиться. [c.39]

Ф. Гродинз. Теория регулирования и биологические системы. Изд-во Мир , 1906. См. также Процессы регулирования в биологии . Сб. статей, ИЛ, 1960, Концепция информации и биологические системы . Сб. статей. Изд-во Мир , 1966. Л. А. Николаев. ЖФХ, 1966, 11, 2665. [c.73]

Воспринимающие свет пигменты обеспечивают сложный механизм концентрирования световой энергии (рис. 4.6, а). Световая энергия, воспринимаемая большим числом (около 200) молекул хлорофилла, передается на единый активный центр. При этом фотосинтетические системы I и II имеют световоспринимающие пигменты различного типа, благодаря чему осуществляется постепенная передача энергии на активный центр от пигментов, поглощающих световые кванты более высокой энергии (т. е. коротковолновые кванты). Поскольку расстояние между молекулами хлорофилла около 1,8 нм, для процесса передачи энергии синглетной формой хлорофилла за время жизни возбужденного состояния может осуществиться около 300 актов передачи энергии. При соотношении числа активных центров и числа воспринимающих пигментов 1/200 активные центры всегда получают достаточное количество энергии. Порядок расположения пигментов еще окончательно не выяснен. Обычно хлорофилл в биологических системах связан с белками, образуя с ними пигмент-белковые комплексы. При обработке пигментов поверхностно-активными веществами происходит сдвиг в длинах волн поглощаемого света. Этот факт сразу наводит на мысль об использовании полимерных матриц для моделирования и регулирования процессов описываемого типа. [c.119]

В большинстве случаев желательно располагать биологическими системами несколько больших размеров, например значительным числом отдельных клеток или небольшим количеством ткани. При этом можно использовать респирометр с чувствительностью приблизительно 0,1 X в 1 час. Исследуемые системы могут представить собой взвеси бактерий или простейших микроорганизмов, культуры тканей, срезы тканей или небольшие количества растительных тканей, например единичные пыльники. Было показано, что для исследования процесса дыхания таких систем очень удобным и надежным является дифференциальный респирометр. Конструкцию этого прибора описали Каннинхэм и Кирк [19]. Он состоит из двух камер, укрепленных в металлическом блоке и соединенных между собой тонким капилляром, в котором находится капелька очищенного керосина, служащая указателем. Если прибор изготовлен из металла, регулирование температуры достигается легко. За исключением тех случаев, когда используют очень тонкие капилляры, регулирование температуры обычно даже не бывает нужным. [c.260]

Множественность стационарных состояний и связанные с ней гистерезисные и триггерные явления играют важную роль как средства регулирования биологических систем. Действительно, при наличии гисте-резисных свойств поведение системы в ответ на изменение параметров, отражаюш ее изменение внешних условий, будет зависеть от ее предыстории. Таким образом, свойственный ферментативным системам гистерезис может являться основой динамической памяти, присущей всем биологическим объектам. [c.69]

Эффективность процессов биологической очистки зависит от ряда факторов, одни из которых поддаются изменению и регулированию в широких диапазонах в пределах биологической системы, регулирование же других, таких, например, как состав поступаюших на очистку сточных вод, практически исключено. Среди основных факторов, определяющих пропускную способность системы и степень очистки сточных вод, - температура и активная реакция среды, содержание биогенных элементов, кислородный режим и токсичное действие некоторых органических и неорганических примесей на биологические процессы. [c.80]

Таким образом, принятые при математическом моделировании определения специфического (силового) и неспецифического (параметрического) переключения стационарных состояний биологической системы не соответствуют физиологическому пониманию специфических и неспецифических процессов. В математике эти понятия характеризуют направленость действия фактора, переключающего систему влияет ли он на ее переменные или параметры (постоянные). С позиции триггерного принципа регулирования живой системы, специфику поведения клетки определяет соотношение процессов, которые развиваются в ответ на возмущение, не выходящее за границу толерантной области. Неспецифической физиологической реакцией живой системы является сам акт ее переключения в новое устойчивое стационарное состояние. [c.113]

Ацилированные препараты хитозана в водной среде набухают, образуя системы, обладающие высокой селективной сорбционной способностью по отношению к аминокислотам, красителям, а также к разделению рацемических смесей. Это обусловливает интерес, который представляют данные препараты в качестве полимерного носителя в гель-хроматофафии, а также при изготовлении волокнистых и пленочных материалов медико-биологического назначения. Под влиянием гидрофобных ацильнЫх радикалов сорбированная этими препаратами при набухании вода частично гидратирует полимерный субстрат, а частично остается инклюдйрованной в порах геля. При этом изменяется структура жидкой воды, обусловливая возможность регулирования интенсивности гидрофобных взаимодействий в системе. В табл. 6.6 приведены результаты экспериментов по изучению взаимодействия воды в изотермических условиях (298 К) с ацилированными препаратами хитозана. [c.334]

Огромные успехи исследований механизмов кодирования наследственной информации и биосинтеза белка, ферментативного катализа и регулирования активности ферментов, действия антибиотиков и гормонов, всей той области изучения живого, которую принято называть молекулярной биологией, приучили всех к мысли о том, что в структурах молекул жизни положение буквально каждого атома строго обусловлено и подчинено выполнению предназначенных для этих молекул биологических функций. Именно в атом смысле принято обычно говорить о специфичности биополимеров, прочно ассоциировавшейся в сознании исследователей с однозначным соответствием между структурой и выполняемой функцией. При таком комплексе стр>т<турного детерминизма трудно было освоиться с представлением о специфичности полисахаридов, для многих из которых характерна статистичность структур, микрогетерогенность и, нередко, хаотичность распределения различных моносахаридных остатков по цепи. И, тем не менее, накапливающийся материал по сложному и высоко специализированному функционированию углевод ных полимеров в живых системах убеждает в том, что и в этой области возможен и необходим перевод функций- нальных свойств биополимеров на язык молекулярных структур, т. е. применим основной принцип молекулярной) [c.162]

Температура. Большинство очистных сооружений аэробного типа работают под открытом небом и не предусматривают системы регулирования температуры. Изменение температуры вниз происходит циклически, в зависимости от времени года и климатических условий температура может колебаться от 2-5 до 25-35°С. Эти колебания в первую очередь влияют на состав биологического ценоза - с понижением температуры до 10-15°С происходит преимущественное развитие психрофильных форм микроорганизмов, снижается общее количество представителей микрофлоры и микрофауны. Скорость процессов очистки также существенно уменьшается снижение температуры от 20 до 6 °С приводит к падению скорости очистки в 2 раза одновременно с этим снижается и флокулирующая способность микроорганизмов, что приводит к вымьшанию активного ила из систем вторичных отстойников. Для интенсификации [c.104]

Несмотря на большие трудности, современная биофизика достигла крупных успехов в объяснении ряда биологических явлений. Мы узнали многое о строении и свойствах биологически функциональных молекул, о свойствах и механизмах действия клеточных структур, таких, как мембраны, биоэнергетические органоиды, механохимические системы. Успешно разрабатываются физико-математические модели биологических процессов, вплоть до онтогенеза и филогенеза. Реализованы общетеоретические подходы к явлениям жизни, основанные на термодинамике, теории информации, теории автоматического регулирования. Все эти вопросы будут с той или иной степенью детализации рассмотрены в книге. При этом, в соответствии с пониманием биофизики как физики явлении жизни, мы будем исходить из физических закономерностей, а не из физиологической классификации. Так, например, рецепция внешних воздействий органами чувств рассматривается в различных разделах книги — зрение в главе, посвященной фотобиологическим явлениям, слух и осязание в связи с механохпмическими процессами, обоняние — в связи с физикой молекулярного узнавания. [c.10]

Концентрация водородных ионов оказывает непосредственное влияние на биологические очистные системы, которые лучше всего работают в нейтральной среде. Аэрационные системы работают в диапазоне pH от 6,5 до 8,5. При pH более 8,5 микробная активность ингибируется, а при pH менее 6,5 метаболизм органических веществ, присутствующих в сточных водах, осуществляют в основном грибы. Обычно бикарбоиатно-буферная емкость сточной воды достаточна для противодействия росту кислотности и соответственно уменьшению значения pH, вместе с тем выработка микроорганизмами углекислого газа способстует регулированию щелочности сточной воды с высоким значением pH. Если при смешивании промышленных стоков с городскими сточными водами значение pH последних выходит за пределы оптимального диапазона, для их нейтрализации может потребоваться добавление химических соединений. В этом случае будет более правильным не искать способы контроля pH на городских очистных сооружениях, а требовать, чтобы промышленное предприятие до слива своих сточных вод в канализационную сеть предварительно проводт ло их обработку путем выравнивания состава и нейтрализации. [c.86]

Точные измерения и контроль содержания остаточного хлора чрезвычайно важны для эффективной и экономичной эксплуатации систем дезинфекции. Автоматическое регулирование концентрация остаточного хлора и контролирующая система обратной связи необходимы, чтобы обеспечить введение достаточных доз хлора и вместе с тем предотвратить чрезмерное хлорирование, в результате которого выпускаемые сточные воды становятся токсичными для биологических процессов, протекающих в водной среде. Для существующих установок моукет потребоваться конструктивная переделка для обеспечения надлежащей дезинфекции, исключающая выпуск сточных вод с опасным содержанием остаточного хлора. Некоторые агентства по охране окружающей среды приняли, что максимальное содержание остаточного хлора в неразбавленном отводимом потоке не должно превышать 0,1 — 0,5 мг/л. В случае неправильно запроектированных хлорирующих установок может потребоваться дехлорирование для удаления токсичности стоков после дезинфекции. Наиболее дешевый и эффективный способ дехлорирования — добавление двуокиси серы для небольших расходов может использоваться гидросульфит натрия. [c.331]