Управление в многоклеточных организмах

Межклеточные системы управления (регуляции) подразделяются на три вида – трофический, гормональный(биохимический) и электрофизиологический (биоэлектрический)[39].

Трофическое управление,– основанное на применении питательных веществ – самое простое. Суть его в том, что одни клетки поставляют другим вместе с питательными веществами витамины или биологически активные вещества, инициирующие развитие тех или иных тканей организма. В основном трофическая регуляция не имеет собственной обратной связи и носит количественный вспомогательный характер – влияет лишь на размеры и активность того или иного органа,а не на его биологические функции. Гормональная система управления является доминирующей в растительных организмах. На рисунке 5.10 дана принципиальная схема потоков гормонов в растении от центра управления, который расположен у основания развивающихся почек (а у цветущего растения – у основания цветка). Гормоны, вырабатываемые в этом центре, инициируют рост листьев, корней, ветвей, ствола. В свою очередь в клетках этих органов вырабатываются гормональные ответы, “сообщающие” центру о степени развития растения и тем самым о необходимости дополнительной выработки активных гормонов или, наоборот, прекращении их подачи.

Рисунок 5.10

Схема управления жизнедеятельностью растений с помощью фитогормонов: ОУ – орган управления; АБК – абсцизовая кислота; ГА – гиббереллины; ИУК – индолил–3-уксусная кислота; ЦК – цитокинины

Кроме этой, основной системы управления растениями, у них имеется электрофизиологическая система, включающая в себя возникновение градиентов биоэлектропотенциалов (порядка 0,1...0.2 В). Их роль в основном информационная – они сообщают центру о возникновении в той или иной части растения стрессовой ситуации [2]. Иногда они оказывают влияние на размеры растения. Во всяком случае, внешнее напряжение способствует интенсивности его роста.

Биохимическая (гормональная) система управления у животных также регулирует деление клеток. Дело в том, что во взрослом состоянии размеры всех органов животных практически не меняют свои размеры. Однако клетки, из которых они состоят, продолжают делиться. Ясно, что для сохранения размеров делиться

должна только половина клеток. Другая половина отмирает и рассасывается. Процессом отбора клеток, допускаемых к дальнейшему делению, занимаются гормональные системы. Ясно, что они выбирают наиболее здоровые клетки. Вот почему от надежного функционирования гормональной системы зависит здоровье всего организма.

Особую роль биохимическая система регуляции играет в отношении центральной нервной системы. И хотя нервная система – система биоэлектрического управления многоклеточных организмом – является главной, сама её организация существенно зависит от биохимических процессов.

Устройство нейрона и его принцип действия описаны в § 5.4. В основном там было сказано о работе так называемого промежуточного нейрона, т.е. такой нервной клетки, которая возбуждается под действием других нейронов (предсинаптических) и передает это вожбуждение тоже нейронам. Однако общая структура нейронной сети, как бы сложна она ни была, следующая

эффекторы

промежуточные нейроны

рецепторы

Рецепторные нейроны предназначены для получения (рецепции) внешних сигналов: электромагнитных (в частности, световых), акустических, химических (обонятельных), механических (осязательных) и тепловых. Особые нейроны – болевые – следят за сохранностью и нормальным состоянием органов животного. Для анализа всех этих видов воздействия и используются дендриты (см. рисунок 4.6). В зависимости от назначения конфигурация дендритов видоизменяется [2]. Функционируют рецепторные нейроны так же, как промежуточные: при получении того сигнала, на который каждый из них настроен, они возбуждаются – между их протоплазмой и окружающей средой начинает происходить электрический разряд, который через аксон и коллатерали передается промежуточному нейрону.

Коллатерали эффекторных нейронов расположены в тканях того органа животного, которым они управляют. Наибольшее их число в мышечных волокнах. Таким образом, они управляют не только движением конечностей, но и весьма тонкими и сложными движениями пальцев рук, мимикой лица, многообразными положениями губ и языка. Кроме этого, они инициируют химическую активность органов внутренней секреции, половых органов, органов пищеварения.

Но наиболее информационно насыщенные процессы протекают в органах, образованных множеством промежуточных (процессорных) нейронов – головном и спинном мозге. Как указывалось в § 4.5, одна промежуточная нервная клетка, имея несколько сотен коллатералей и несколько сотен синапсов, в состоянии передавать информацию порядка 10³⁰ байт, если осуществлять формирование нейронной цепи путем изменения порядка соединения колатераллей предсинаптических нейронов с синапсами постсинаптических. Дело в том, что при одном соединении вход нейрона является инверсным, а при другом – прямым [33]. Процесс построения нейронных цепей соответствует процессу запоминания (обучения). Сам по себе этот процесс очень сложен и охватывает от нескольких десятков тысяч до нескольких миллионов нейронов. Существенную роль здесь играют особые белки – нейромедиаторы. Таким образом, совмещаются две системы управления – биохимическая и электрофизиологическая.

Впрочем, кроме химических реагентов, вырабатываемых сами нейронами, большое влияние на функционирование нейронных путей в мозге оказывают органические соединения, доставляемые в мозг кровью: алкалоиды, галюциогены, адреналины и т.п. Все они активизируют или, наоборот, тормозят процессы обмена сигналами между нейронами и группами нейронов.

Особенностью нервных клеток является то обстоятельство, что у взрослых особей они не делятся. Поэтому мозг, например, человека ежесекундно теряет по 1-2 нейрона – следовательно, в год 50 миллионов нейронов, а за 100 лет – биологическом интервале жизни человека – порядка 5% всех нейронов. Однако, судя по всему, формирование нейронных цепей происходит путем создания нескольких параллельных участков. Поэтому выход из строя одного из них не должен влиять на весь сложный процесс интеллектуальной деятельности. Правда, с возрастом ухудшается качество кровоснабжения мозга. В нейронах накапливаются вредные вещества, например, свинец, (агрессивность, ухудшение памяти, утомляемость, раздражительность, головная боль, головокружение), алюминий (нарушение речи, памяти, ориентации, помутнение рассудка, конвульсии, болезнь Альцгеймера, старческий маразм), ртуть (микромеркуриализм и его последствия), диоксины (утрата способности к длительным умственным усилиям).

Основная функция головного мозга – взаимодействие организма с окружающей средой. Основная функция спинного мозга – управление органами животного. Оба центра управления связаны между собой, и если необходимо, то спинной мозг подает сигналы (в основном болевые) головному мозгу, сигнализируя о внутренних неполадках и необходимости принятия мер с использованием объектов окружающей среды.

Сходство принципа действия нейрона и электронной микросхемы позволяет придти к выводу о том, что нервная система человека – это сложная кибернетическая машина, отличающаяся от современных компьютеров значительно большей информационной емкостью процессора и органа долговременной памяти. А также значительно большим набором алгоритмов и их более сложной архитектурой. Однако детальное сопоставление структуры мозга и компьютера позволяет вывести довольно существенные различия:

1. Электронные цепи компьютера в процессе работы не перестраиваются: электрические связи между микроэлементами сохраняются до конца использования ресурса такими, какими были установлены изготовителем. Нейронные цепи мозга в процессе его жизнедеятельности подвергаются перестройке путем варьирования синаптических связей.

2. Электрофизиологическая (нервная) система управления животных функционирует во взаимодействии с биохимической и трофической системами. Обе последние системы оказывают возбуждающее или тормозящее воздействие на нервную систему. Аналогов такого воздействия в электронных сетях компьютеров нет.

3. Программная система мозга включает в себя не только алгоритмы управления всевозможными действиями и процессами (рефлексами, секрециями, возбуждением, торможением и другие), но и системы, организующие их совместную деятельность. В первую очередь, к таким системам относятся эмоции, каждая из которых определяет совместную реализацию тех или иных алгоритмов. Одни эмоции побуждают человека к спокойному логическому анализу чего-либо, другие – к быстрым решительным действиям. У компьютеров таких организующих информационных систем нет.

Разумеется, трудно утверждать, что с течением времени компьютерные системы не удастся насытить устройствами оперативной перестройки процессорных цепей, или разработать аналоги биофизиологического или эмоционального воздействия на эти цепи. Если это произойдет, то удастся создать кибернетические машины, предельно близкие к живым организмам. Ясно, что человек пока что в самом начале этого пути.

Есть ещё одно свойство живых организмов, которое вряд ли будет реализовано техническими средствами. Это – наличие у биологических систем цели. Можно придумать кибернетическую машину, которая бы играла лучше человека в шахматы. Однако придумать машину, которая бы хотела выиграть в шахматы, которая связала бы игру в шахматы со всеми своими мечтами и надеждами, которая бы имела такие мечты, невозможно. Любой машине всё равно, выиграла она или нет. В отличие от своих создателей, она ни радуется выигрышу, не расстраивается от проигрыша. И вряд ли людям удастся создать компьютер, который обладал бы внутренней потребностью к действию, такой, которой обладает любое животное. Тем не менее, приходится признать, что любая биологическая система обладает конечным количеством порядка, информацией. На рисунке 6.10 дана блок-схема [25] модели управляющей системы живого организма.

Как видим, организм следующим образом реагирует на внешнее воздействие. Сначала рецепторы воспринимают это воздействие в виде простейших сигналов типа "да" - "нет". Затем совокупность этих сигналов они отправляют в дешифратор, который преобразует их в сложный сигнал, именуемый паттерном (от английского pattern – образец, шаблон, рисунок, узор, мозаика). Далее эти паттерны обрабатываются командными нейронами и в соответствии с заложенной в памяти живого организма программами вызывают действие эффекторов. Таким образом, разработаны модели аплазии (морской брюхоногий моллюск), собаки, черепахи, белки [25].

Согласно расчетам советского биофизика Л.А. Блюменфельда [16], организм человека содержит 10²⁶ байт информации. Надо полагать, что это не считая информации, заключенной в головном мозге, так как только один его нейрон обладает информацией, как было указано выше, 10³⁰ байт, а таких нейронов 10¹¹. Следовательно, информация заключённая в головном мозге – не менее 10⁴¹ байт. Таким образом, живой организм вполне может быть сведен к кибернетической машине очень большой сложности. Причем выходным продуктом этой машины является совокупность сигналов, подаваемых на эффекторы – клетки организма, обеспечивающего его механическую (мышцы) или химическую (гормоны) деятельность.

Дата добавления: 2015-08-27