ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Утилизация компонент из "Теория управления и биосистемы Анализ сохранительных свойств" Чтобы жить, биосистема должна непрерывно расходовать энергию, потребляя для этого нужные ей вещества. Постоянный приток свободной энергии — это только одно из условий поддержания стационарного состояния. Другое условие — наличие организации, позволяющей поглощать и использовать эту энергию [98]. [c.177] В ней процессов метаболизма, хотя интимные процессы клеточной регуляции темпов метаболизма изучены далеко не полностью. Каким именно образом химическая энергия подается к местам ее утилизации (ретикулярным мембранам, актомиозину, клеточным мембранам, рибосомам и т. д.) и какими средствами обеспечивается регуляция направления движения и объема потоков, основанная на потребностях, в точности не известно. Но что мощная внутриклеточная система (или системы) должна существовать — это очевидно [363, стр. 29]. [c.178] Согласно так называемому энергетическому правилу поверхности (или закону Рубнера) основной обмен организма определяется генетическими факторами и пропорционален поверхности тела. Темпы обмена веществ тем интенсивнее, чем меньше весовые и линейные параметры организмов. Хотя в современной физиологии связь законов Рубнера с регулированием темпов процессов в организме не выдвигается на первый план, для нас важно следующее обстоятельство. Закон Рубнера численно определяет заданную величину темпов метаболизма, которая затем поддерживается физиологическими механизмами, несмотря на колебания условий внешней среды (таких, например, как снижение или повышение концентрации кислорода). [c.178] Темп эиерготрат каждой клетки в конечном счете зависит в организме только от генетически предопределенной реакции высших координирующих центров. Каждая клетка должна выполнять свои специфические функции в темпе, устанавливаемом этими высшими координирующими центрами. Темпы всех клеток, складываясь, дают то, что принято называть темпом обмена веществ целостного организма. Интенсивность метаболизма обычно выражается через темпы теплопродукции (например, в ккал1час). [c.178] Минимально возможное значение темпов метаболизма в организме (так называемый основной обмен) достигается у человека после сна и тридцатиминутного покоя при снятии всех психических и эмоциональных факторов, при комфортной температуре и при условии, что человек не ел в течение 12 часов. Факторами, изменяющими темп метаболизма, в физиологии считаются физическая нагрузка, специфическое действие пищи (когда после приема пйщи темп обмена веществ автоматически повышается), введение тироидных и некоторых других гормонов, возраст, лихорадки любого происхождения, сон и нарушения питания. Наконец, темпы метаболизма у человека зависят от климатических условий — темпы обмена веществ в тропиках на 10— 20% ниже, чем в Арктике [304]. [c.178] Говоря о темпах утилизации вещества и энергии в биосистемах, мы хотим отразить одну характерную особенность, которой в литературе по биокибернетике уделяется недостаточно внимания. Речь идет о том, что потоки вещества и энергии, входящие в компартменты системы и покидающие их, не равноправны по своей сути. Одна часть потоков обусловлена самим фактом протекания процессов жизнедеятельности эти потоки нарушают равновесие в системе и ее компартментах. [c.179] Другая часть потоков, напротив, является реакцией системы на исходное нарушение баланса вещества и энергии в компартментах, она носит восстановительный, регуляторный характер и направлена на поддержание этого баланса. Темпы таких потоков целиком зависят от регуляторных механизмов системы, их величина регулируется, подстраивается в соответствии с жизненными потребностями системы. [c.179] Чтобы подчеркнуть принципиальное различие между двумя типами темпов, мы введем для них специальные обозначения. Темпы процессов, непосредственно связанных с выполнением биологических функций, мы будем называть первичными темпами. Для процессов, направленных на восстановление непрерывно нарушаемого в ходе жизнедеятельности системы баланса вещества и энергии, будет использоваться термин вторичные темпы. [c.179] Понятие О первичных и вторичных темпах легко получается при рассмотрении процессов расхода и восполнения энергии в ходе функционирования живых клеток. Роль первичных темпов здесь играют темпы энерготрат, например, темп обмена веществ или интенсивность энерготрат при основном обмене. [c.180] Расход энергии в каждой клетке должен в среднем покрываться ее доставкой. Так, при резкой физической нагрузке в первое время вторичные темпы отстают от увеличившихся первичных, и баланс веществ в компартментах системы нарушается. Содержание гликогена в мышцах падает почти до нуля, резко возрастает концентрация молочной кислоты в крови. Эти сдвиги стимулируют регуляторные механизмы на всех уровнях организма и его систем, так что и по окончании работы вторичные темпы остаются повышенными для восполнения энергетических трат в клетках. В среднем темпы потоков энергии и веществ, направленных на восстановление нарушенного баланса, должны быть равны темпам первичных процессов во всех компартментах. [c.180] Темп утилизации кислорода в энергетической системе организма можно трактовать как первичный (именно он задается высшими координирующими центрами, когда животное переходит от одного режима функционирования к другому, и энергетические потребности меняются — см. рис. 1.2, в в общей схеме регуляции в организме животного). Темп поступления кислорода в метаболическую систему должен в среднем следить за заданным темпом утилизации, и темп поступления Ог можно считать вторичным. Темп возникновения СОг жестко связан с темпом потребления Ог и не зависит от физиологических механизмов регуляции. Поэтому и этот темп должен рассматриваться как первичный. Темп удаления СОг из организма, величина которого определяется физиологическими механизмами, является вторичным. Темпы теплопродукции при данном обмене веществ являются первичными, темпы теплоотдачи, находящиеся во власти физиологических регуляций, — вторичными. Величина вторичных темпов с помощью механизмов физиологической регуляции в организме должна поддерживаться на уровне первичных темпов. [c.180] Несколько сложнее дело обстоит с расходами энергии на функционирование биосистемы. В предыдущих разделах мы рассмотрели некоторые процессы переноса и превращения компонент в биосистемах. Часть этих процессов происходит пассивно , т. е. механизмы, ответственные за их осуществление, не расходуют метаболической энергии (см. разд. 1.6). Таковы процессы диффузии (6.10) или (6.14), а также излучение тепловой энергии (6.23). Если процессы переноса веществ (6.15) осуществляются пассивно (например, в экосистемах — перенос семян и биомассы потоками воздуха или воды), то такие процессы также не связаны с активной затратой энергии в биосистеме. Часто процессы преобразования компонент на основе закона действующих масс (6.34) или в ходе некоторых ферментативных реакций (6.40) также представляют собой пассивные процессы, не приводящие к расходу метаболической энергии биосистемы. [c.181] Таким образом, темпы утилизации вещества и энергии (или темпы возникновения, появления веществ, аналогичные этим темпам) играют особую роль в компартментальных моделях биологических систем. Именно они выступают в качестве первичных темпов, определяющих потребности живых систем. Рассмотренные же в двух предыдущих разделах процессы транспорта и процессы превращения компонент чаще всего выступают в роли генератора вторичных темпов. Изучение соотнощения между первичными и вторичными темпами лежит в основе компартментального моделирования. Мы поэтому постараемся представить схему компартментальной модели общего вида в такой форме, чтобы первичные и вторичные темпы процессов в ней были основными элементами структуры. [c.182] Вернуться к основной статье