Системы типа “объект” и “процесс”

Системы-объекты – элементами являются предметы, другие объекты.

Системы-процессы – элементами являются операции над объектами.

Естественные системы - созданные природой.

Искусственные системы – созданные человеком с целью осуществления необходимых или желательные для него изменений.

Преобразования – искусственные процессы, в которых те или иные свойства объекта претерпевают изменения при участии людей и технических средств, в следствии чего достигается желаемое состояние объекта

6- Особенности живых систем (ЖС), как объектов исследования.

ЖС обладает морфологической и функциональной сложностью.

↓

ЖС состоит из множества различных подсистем с многообразными связями и функциями.

ЖС можно исследовать в присутствии организма или без него.

3 аспекта исследования (для получения аналитической inf)

1) Физиологический.

2) Психологический.

3) Аналитический.

На живой организм воздействует множество факторов и это вызывает затруднение при выборе функциональных дозированных воздействий для диагностики и выборе лечебно-терапевтического воздействия (ЛТВ) для управления состоянием организма.

Набор физиологических процессов и большое количество медико-биологических показателей.

В этом наборе представлены как макропараметры, которые характеризуют организм как целую систему, так и микропараметры, которые описывают отдельные биохимические и физиологические процессы (для исследования используют те и другие).

Показатели и процессы неоднозначно определяют состояние системы (так называемая индивидуальная норма), т.к. состояние ее равновесия может обеспечиваться при различных величинах определяющих параметров.

Не разработан математический аппарат, пригодный для описания связи между различными параметрами, физиологическими процессами и медико-биологическими показателями.

Качественная неоднородность живых систем в рамках одной и той же ФС совместно и слажено работают разнородные подсистемы разного уровня с различными управляющими сигналами.

Для ЖС характерен разброс медико-биологических показателей, внутригрупповая изменчивость.

При изучении ЖС необходимо учитывать генетические, эмоциональные, клинические и другие эффекты.

Сложность выполнения измерений связана:

1. сравнительно малые абсолютные значения измеряемых величин

2. большие уровни внутренних шумов

3. низкие границы в спектре физиологических сигналов лежат в области инфракрасных частот (0,001 – 0,01Гц); большой динамический диапазон измерений сигналов по величине и спектру

4. специфичность сигнала

5. большой уровень внешних помех, который нередко совпадает по частотному спектру.

7- Организм с позиций системного анализа

Рассмотрим организм с позиции системного анализа.

Преимущество высших форм по сравнению с низшими формами.

1. Существование организма, как целостной системы в условиях частых изменении физико-химических свойств внешней среды связано со значительными энергозатратами. Для выживания живые системы должны обладать адаптацией к изменению этих свойств, при этом важно не только некоторое количество энергии, а важна ее определенная организация во времени и пространстве и динамика передачи энергии биосистеме.

2. Сравнение высших и низших форм показывает, что простейшие одноклеточные организмы находятся в негативных условиях: 1. несовершенство форм преобразования энергии питательных веществ (брожение); 2. большая площадь контакта организма с внешней средой по отношению к объему организма → значительные энергозатраты и затруднения контроля со стороны организма за собственные обменные процессы (жизненное существование ↓ → размножение ↑ - закон выживания).

3. Появление внутренней среды, необходимость поддержания параметров этой среды на уровнях оптимальных для нормального функционирования организма. Все это ведет к появлению специализированных систем регулирования параметров внутренней среды (t, pH, p и т.д.). Происходит формирование систем кровообращения, газообмена, пищеварения, нейрогуморальной регуляции.

4. На более высоких уровнях развития клетки, объединенные в одно целое организма, изолируют себя от управляющей внешней среды, создавая промежуточную, более регулируемую внутреннюю среду (↑ вес, ↑ объем, ↓ контакт клеток с внешней средой, ↓ удельный расход энергии).

5. Усложнение структуры живых систем в процессе эволюции сопровождается увеличением вероятности отказа в отдельных подсистемах. У высших форм организмов постоянный контроль за работой органов и систем обеспечивается разветвленной, рецепторной подсистемой (хемо-, баро-, термосенсорная, пропреоцептивная и др. подсистемы).

6. Происходит обособление восприятия и обработки inf от двигательной деятельности. Формируется Н.С., функция которой не производит, а целиком управляет inf и организует ее.

У низших: раздражение – ответная реакция;

У высших: раздражение – учет характеристик и ответ более дифференцируемый.

7) Сравнение строения внутренних органов у организмов на разных стадиях эволюционного развития показывает, что все системы совершенствуются. Из этих систем наиболее отличается Н.С. (головной мозг имеет большие размеры, новые отделы; у человека – возможность к обучению, усвоению знаний, приобретению навыков, осознанию ситуации и выработке приемов решения задач).

8) Формирование специальной управляющей системы, которой подчиняются все органы и физиология подсистем организма. Это приводит к выработке более гибких алгоритмов функционирования, при которых подсистемы оказываются взаимосвязанными и взаимозависимыми.

9) Выполнение функций может происходить сразу под влиянием нескольких подсистем, а само влияние выражаться в различных физико-химических способах передачи управляющих сигналов ( гидродинамические, гуморальные, нервные). В процессе эволюции скорость передачи сигналов↑ → ускорение реакций на внешнее воздействие.

10) Усложнение управленческих задач обуславливает возникновение более эффективных способов управления всей внутренней средой организма.

11) В процессе эволюции выявляется оптимальность однотипности структурного подобия взаимозаменяемости элементов в отдельных подсистемах тканевых и нервных клеток, и в некоторых подсистемах (легкие, печень, почки) полуторократного и трехкратного запаса этих элементов. Этот запас элементов в системах способствует увеличению разнообразия в поведении, обеспечивает большой динамический диапазон функционирования, позволяет сохранять жизнедеятельность системы в экстремальных, стрессовых ситуациях.

Сложность выполнения измерений связана:

• со сравнительно малыми абсолютными значениями измеряемых величин;

• большими уровнями внутренних шумов;

• нижняя граница в спектре физиологических сигналов лежит в области инфранизких частот (сотых, тысячных долей герца);

• большим динамическим диапазоном изменения сигналов по величине и спектру;

• специфичностью формы сигналов;

• большим уровнем внешних помех, часто совпадающих по частотному спектру.

8- Виды биологических объектов

Биологические объекты (БО) и методы их исследования.

Виды БО:

СОЦИОЛОГИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ

- системы популяций

- колонии органических популяций

- организмы

ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЙ И ПОПУЛЯЦИОННЫЙ УРОВЕНЬ

- группы органов и физиологические системы

- отдельная система или отдельный орган

- группа клеток

- клетка

БИОХИМИЧЕСКИЙ И ХИМИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ

- элементы клетки

- компоненты элемента.

Группы БО.

Изучение БО включает проблему обеспечения max безвредности исследования самого БО (организм, популяция).

Изучение можно проводить в условиях, когда они удалены от организма и в дальнейшем уже не будут участвовать в процессе жизнедеятельности организма – источника (БО – жидкие и твердые компоненты организма, биологические жидкости, компоненты внешней среды, группы клеток и тканей, клетки, элементы клеток).

Необходимое знание особенностей БО возникает при решении медицинских задач (диагностика, лечение заболеваний, контроль состояния организма, профилактика заболеваний, диспансеризация, санаторно-курортное лечение).

При решении биологических задач используют: лабораторное исследование биосубстратов (3 агрегатных состояния: тв., жид., газообр.), санитарно-гигиенические исследования, контроль качества среды обитания, разработка и изучение лекарственных препаратов. Для решения задач ботаники, зоологии и других наук – человек-машина.

9- Особенности биологических субстратов как объектов исследования

При решении биологических задач используют: лабораторное исследование биосубстратов (3 агрегатных состояния: тв., жид., газообр.), санитарно-гигиенические исследования, контроль качества среды обитания, разработка и изучение лекарственных препаратов. Для решения задач ботаники, зоологии и других наук – человек-машина.

Наиболее удобное для изучения жидкое состояние биосубстрата.

ПР: биологически жидкие среды (бжс) – кровь, моча, спинномозговая жидкость и др. Для изучения биосубстратов – любой субстрат переводят в жидкое состояние

Сложность в исследовании бжс:

- они являются многокомпонентными структурами

- многофазными

- очень чувствительны к физико-химическим воздействиям.

Обычно исследуют min изменения физико-химических свойств при очень ↓ концентрации, при воздействии различных фонов в условиях дефицита и в условиях крайней нестабильности. При изучении применяются легкие методы.

Реологические свойства бжс. Основные параметры:

- τ –напряжение сдвига, напряжение внутреннего трения;

- dw/dn – градиент скорости потока;

- η – динамический коэффициент вязкости;

- ρ – плотность жидкости.

Вязкость зависит от режима течения жидкости (число Рейнольдца Re = Wd/dv, v = η/ρ)

- η_к – кажущееся вязкость; η _п – пластическая вязкость

Классификация бжс по реологическим свойствам:

- ньютоновская ( τ = ηdW/dn )

- псевдопластическая (τ = - η(dW/dn)^m; m<1)

- вязкопластическая (τ – τ_о = η_odW/dn)

- дилатоптные (τ = - η_к(dW/dn)^m; m>1)

- тиксотропные

- реопектаптные

- вязкоупругие.

При исследовании биожидкостей могут возникать те или иные искажения или эффекты:

- методические эффекты ( воздействие методики исследования) – следствие физ., хим., физ.- хим. биологических воздействий на биопробу, в процессе подготовки ее исследования;

- внутренние эффекты (внутри клеток и молекул) – неправильное хранение, транспортировка;

- внешние эффекты – дозирование, термостатирование, высушивание, центрифугирование;

- измерительные эффекты.

БО – биообъект (организм)

БП – биопроба, взятая из БО

П – параметры, характеризующие БП

ФП – физпараметры, на которые реагирует ИП

П^* - параметры, не имеющие физического эквивалента

λ - порождающее поле на которое реагируют ИП

ИП – измерительный преобразователь

ТП – трансформация биопробы

РИ – результаты измерений.

Воздействия по стабилизации параметров биопроб:

- термостатирование (t – const);

- рН-статирование;

-баростатирование (р – const);

- герметизация (предотвращение доступа в исследуемую систему компонентов внешней среды);

- центрифугирование (разделение по массе);

- различные химические трансформации.

Химические трансформации:

- преобразование, присоединение

mA + nB ↔ A_mB_n

- образование новых соединений

mA + nB↔рС

- обменное взаимодействие

mA + nB↔рС +qD

- образование ионизированных диссоциаций

A_mB_n↔рК^q+ + qL^p-

- электрическая диссоциация

[ pK^q+]*[qL^p-]↔pK^q+ + qL^p-

- ассоциативно-диссоциатвный процесс

Ах + mхS↔хАSm; nyAx + xSy ↔ xyAnS.

Виды операций при исследовании бжс:

- подготовка лабораторного оборудования

- контакт измерительного преобразователя с биопробой

- измерение физических величин, связанных с исследуемым свойством

- сбор и обработка результатов измерения

- отбор, хранение и доставка биопробы к анализатору, мерные операции с жидкостями и твердыми реагентами, модификация и химическая трансформация.

- мерные операции с жидкостями и твердыми реагентами;

- модификации или химическая трансформация.

Технологические схемы аналитических исследований складываются из этих операций.

10- Уровни исследования биологических объектов

Органы и подсистемы организма, управляемые нервными центрами решают отдельные частные задачи регулирования в соответствии со своей сложноорганизованной внутренней структурой.

Организм – совокупность клеток или группы клеток с многочисленными связями между ними.

Клетка – элементарная частица живого, существующего в определенной среде (эта среда – система, организм).

Каждая клетка сложная система, в которой можно выделить большое количество автономных подсистем (иерархическое описание)

Клетка (биолог.) – элементарная универсальная единица живой материи.

Клетки все разные, но имеют общебиологические признаки строения (ядро, цитоплазма, которая заключена в клеточную оболочку).

Клетка – ограниченная активной мембраной, упорядоченная структурируемая система биополимеров, образующих ядро, цитоплазму, и участвующая в единой совокупности метаболических процессов, осуществляющих поддержание и воспроизведение всей системы в целом.

Основные свойства клеток: раздражимость и проводимость (нервные клетки, железы внешней и внутренней секреции), сократимость (мышечные клетки), поглощение (ж.к.т., печень), усвоение (все клетки), секреция (производство чего-либо: железы, гормоны, БАВ), экскреция (выведение: слюна, пот, кровь, сперма), дыхание (эритроциты), рост, размножение.

Жизнь поддерживается благодаря клеточному делению, суть которого лежит в удвоении ДНК и равномерном распределении ДНК между двумя дочерними клетками (эта функция есть не у всех клеток, например нервные клетки не размножаются, клетки печени в обычных условиях не делятся, но делятся после удаления и повреждения).

Высокоспециализированные клетки крови, эпителии не подвергаются делению, но размножаются благодаря делению стволовых клеток (дифференцирование).

СМИ: обновление стволовыми клетками.

Клеточные структуры могут иметь упрощенное строение (клетки крови не имеют некоторых органелл) или усложненное строение (мышечная клетка (миоцит) или нейрон).

Структура клетки находиться в динамическом равновесии, в результате чего происходит взаимодействие клеток между собой и с внешней средой, что является необходимым условием для поддержания жизни клеток и их колоний.

Клетка самая элементарная система и в то же время самая сложная. Внутриклеточная структура представляет собой субклеточный уровень организации живой материи. Клетка окружена межклеточным веществом (продукт жизнедеятельности клеток, который состоит из основного вещества и расположенных в нем волокон соединительной ткани).

В организме более 100 000 000 000 клеток

Совокупность клеток и межклеточного вещества, имеющих общее происхождение, одинаковое строение и функции называется тканью. Ткань представляет собой систему, следующую за клеткой по уровню организации живой материи в целостном организме. Ткани присущи общебиологические закономерности, свойственные живой материи и в то же время имеющие собственные особенности: строение, развитие, жизнедеятельность.

Сами ткани служат элементами развития строения и жизнедеятельности органов и их морфофункциональных единиц.

Для каждой из 4 основных тканевых систем (эпителиальной, мышечной, соединительной, нервной) характерны присущие только им особенности строения, развития и жизнедеятельности.

Каждая группа тканей организма (кроме нервной) объединяет в своем строении несколько разновидностей тканей (мышечная ткань – гладкая, поперечнополосатая, сердечная).

Причина различия между тканями: клетки каждой ткани специализированы строго для определения функций, необходимых организму.

По морфологическим, физическим свойствам выделяют 4 вида ткани:

1. Эпителиальная – покровная, защитная, всасывательная, выделительная, секреторная.

2. Соединительная (рыхлая – рубцы, межклеточное вещество; плотная – фасцы, сухожилия; хрящевая; костная; кровь).

3. Мышечная – поперечнополосатая, гладкая, сердечная.

4. Нервная – нейроны (проведение нервных импульсов).

Из тканей состоят органы (часть целого организма, обусловленная в виде комплекса тканей, сложившегося в процессе эволюционного развития и выполняющего определенные специфические функции).

В создании органов участвуют все 4 вида тканей, но одна из этих видов тканей для данного органа является рабочей.

Совокупность органов, выполняющих определенную для них функцию, называется системой органов (дыхательная, пищеварительная, кровеносная).

Органные системы

- группа органов, действующих координировано (взаимосвязано)

Функциональные системы – это органы, связанные функционально, т.е. объединенные для выполнения или достижения определенных функций.

Функциональные системы:

- система анализаторов

- костная

- мышечная

- кровеносная

- дыхательная

- пищеварительная

- система желез внутренней секреции

- организм.

ОРГАНИЗМ – единая, целостная, сложноустроенная, саморегулирующаяся живая система, состоящая из органов и тканей.

Метаболизм (основа жизни) – совместимость химических и физических превращений, происходящих в живом организме и обеспечивающих его жизнедеятельность во взаимосвязи с внешней средой.

Основные специфические функции метаболизма:

- извлечение из окружающей среды в форме органических веществ;

- превращение экзогенных веществ в строительные блоки из которых в дальнейшем формируются предшественники микромолекулярных компонентов клетки

- сборка белков, жиров и других клеточных компонентов из этих строительных блоков

- синтез разрушения тех биомолекул, которые необходимы для выполнения различных специфических функций данной клетки.

Р _{работающей клетки} = 0,123Вт.

За 40 лет организм потребляет 40 тонн воды; 8 млн. литров ≈ 12 тонн О₂ ; от 3 до 5000 ккал в день.

Размеры клеток менее 10 мкм.

11- Технические средства, применяемые в диагностическом процессе