Лекция 18. Концепции современного естествознания. Термодинамика живых систем. Жизнь как информационный процесс. 1 Термодинамика живых систем закон (начало) термодинамики Теорема Пригожина закон (начало) термодинамики Теорема Пригожина 2 Управление и регуляция в живых системах 2.1 Задачи управления и регулирования 2.2 Информационные связи внутри организма 2.3 Цели и специфика управления в живых системах

1. Термодинамика живых систем Состояние живых систем в любой момент времени (динамическое состояние) характерно тем, что элементы системы постоянно разрушаются и строятся заново. Этот процесс носит название биологического обновления. Для обновления элементов в живых системах требуется постоянный приток извне веществ и энергии, а также вывод во внешнюю среду тепла и продуктов распада. Это означает, что живые системы обязательно должны быть открытыми системами.

Благодаря этому в них создается и поддерживается химическое и физическое неравновесие. Именно на этом неравновесии основана работоспособность живой системы, направленная на поддержание высокой упорядоченности своей структуры (а. значит, на сохранение жизни) и осуществление различных жизненных функций. Кроме того, живая система, благодаря свойству открытости, достигает стационарности, т.е. постоянства своего неравновесного состояния.

I закон (начало) термодинамики. Первый закон термодинамики гласит: изменение энергии системы равно количеству тепла, полученному системой, плюс работа внешних сил, совершенная над системой DE = Q + А

II закон (начало) термодинамики. Второй закон термодинамики утверждает, что в изолированной термодинамической системе энтропия никогда не может уменьшаться. Она равна нулю при обратимых процессах и может только увеличиваться при необратимых процессах. Переход системы из неравновесного состояния в равновесное необратим.

Для организмов - гетеротрофов (питающихся только органической пищей) - энергия в виде химических связей и низкая энтропия поглощаемых высокоструктурированных органических веществ. В этом случае поглощаемые пищевые вещества обладают больше упорядоченностью (меньшей энтропией), чем выделяемые продукты обмена. Организмы гетеротрофы переносят упорядоченность (негэнтропию) из питательных веществ в самих себя.

Для организмов - автотрофов (самостоятельно синтезирующих для себя питательные вещества из неорганических соединений с участием солнечного излучения) - энергия солнечного света, представляющего электромагнитное излучение с низкой энтропией. Таким образом, обмен веществ с точки зрения термодинамики необходим для противодействия увеличению энтропии, обусловленному необратимыми процессами в живой системе.

2.Управление и регулирование в живых системах 2.1 Чадами управления и регулирования Управление и регулирование - близкие понятия, однако, между ними есть определенная разница. Управление - функция организованных систем, обеспечивающая выполнение следующих задач: сохранение определенной структуры системы; поддержание режима деятельности системы; Эти задачи решаются с помощью регулирования.

Регулирование - функция управляющих систем, обеспечивающая выполнение таких задач, как: поддержание постоянства регулируемой величины на некотором определенном уровне; изменение регулируемой величины по заданному закону (программное регулирование); изменение регулируемой величины в соответствии с ходом некоторого внешнего процесса (следящее регулирование).

Гомеостазис. В целом регулирование направлено на поддержание гомеостазиса -относительно динамического постоянства характеристик внутренней среды организма.

Уровни управления. В организме существует несколько уровней управления. Внутриклеточный механизм регуляции осуществляет биохимическую регуляцию в соответствии с генетической информацией, которая содержится на молекулярном уровне.

Механизм тканевой регуляции - более высокий уровень регуляции, чем клеточный. Ткани взаимодействуют в рамках организма путем обмена определенными химическими веществами. Регулирует это взаимодействие еще один, более высокий уровень - железы внутренней секреции. Они вырабатывают гормоны, циркулирующие в крови, которые управляют организмом как целым.

Высший уровень регуляции - центральная нервная система, которая присутствует у всех много клеточных организмов. Она воздействует на все другие уровни регуляции. Управление организмом имеет многоуровневый «иерархический» характер. На каждом уровне управление направлено на решение задач, присущих этому уровню. Главная же цель, общая для живой системы в целом ставится и решается на высшем уровне управления. Цели и задачи нижележащих уровней носят вспомогательную роль по отношению к общей цели.

2.2 Информационные связи внутри организма Гормональная связь. Гормон, то есть химический сигнал, по кровотоку посылает во все части организма, но только в определенные органы, способные принять данный сигнал, реагируют на него как приемники.

Нервные связи (только у многоклеточных организмов). Информационным параметром нервных связей служит частота следования импульсов. Частота импульсов увеличивается при росте интенсивности стимула.

Генетическая связь. Источником сообщения в этом случае является молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Функционирование этой связи будет рассмотрено позже.

Таким образом, процесс управления в информационном смысле носит антиэнтропийный характер: получая информацию об окружающей среде, живая система уменьшает информационную энтропию внутри себя, использует получаемую информацию для поддержания своей организованности.

2.3 Цели и специфика управления в живых системах Цели управления в живых системах чрезвычайно разнообразны. В любой системе цель управления в общем виде заключается в достижении системой множества полезных для нее свойств при разнообразных внешних воздействиях. Биологической системой, которой присущи все свойства живого и все задачи управления, является организм, в том числе одноклеточный. Клетка, хотя и самоуправляемая, не является автономной системой, так как регуляция в клетке подчинена организму.

Обратные связи. Важной стороной управления в живых системах является наличие обратных связей. Принцип обратных связей является одним из основных принципов самоуправления, саморегуляции и самоорганизации. Без наличия обратных связей процесс самоуправления невозможен. С помощью обратных связей сами отклонения объекта от заданного состояния формируют управляющие воздействия, которые приводят состояние объекта в заданное.

Иными словами, обратная связь - это обратное воздействие результатов процесса на его протекание.Обратная связь может быть положительной и отрицательной. Положительная обратная связь - такая обратная связь, когда результаты процесса усиливают его. Если же результаты процесса ослабляют его действие, говорят об отрицательной обратной связи.

Иерархия целей управления в живых системах. Рассмотрим наиболее общую цель всех живых систем - сохранение и продолжение жизни. Здесь цель достигается в следующем порядке:

Цель I порядка - обеспечить существование систем (достигается поддержанием стационарного неравновесного состояния при котором прирост энтропии будет минимальным.

Цель II порядка - обеспечить высокое качество существования системы - поддержание Гомеостазиса. Гомеостазис - необходимое условие высокого качества функционирования системы.

Цель III порядка - достижение максимально высоких показателей существования системы (максимальная энергетическая эффективность и надежность).

Контрольные вопросы 1. В чем заключается особенность применения II начала термодинамики к живым системам? 2. Что означает переход живой системы в равновесное состояние? 3. В чем суть теоремы Пригожина для открытых термодинамических систем при неизменных условиях? 4. Что извлекает организм из окружающей среды для того, чтобы энтропия системы не возрастала?

5. В чем состоит задача управления в живой системе? 6. Каким путем живая система решает задачу управления? 7. Какие функции организованных систем обеспечивает управление? 8. Какие функции организованных систем обеспечивает регулирование? 9. Дайте определение гомеостаза. то такое обратная связь? Поясните понятие положительной и отрицательной обратной связи. 10. Объясните иерархию целей управления в живых системах.