Саморегуляция гомеостаз: «Чем отличается гомеостаз от саморегуляции в биологии?» — Яндекс Кью

Концепция саморегуляции живых систем. Гомеостаз : Farmf

КОНЦЕПЦИЯ САМОРЕГУЛЯЦИИ ЖИВЫХ СИСТЕМ

Концепции современного естествознания. Биология. — Анисимов А.П.

• Саморегуляция и гомеостаз.
• Внутриклеточная саморегуляция
• Саморегуляция многоклеточного организма
• Саморегуляция в экосистемах

САМОРЕГУЛЯЦИЯ И ГОМЕОСТАЗ

Саморегуляция в системе — это внутреннее регулирование процессов с подчинением их единому стабильному порядку. При этом даже в меняющихся условиях среды живая система сохраняет относительное внутреннее постоянство своего состава и свойств — гомеостаз (от греческих homoios — подобный, одинаковый и stasis — состояние).

Действительно, окружающая среда очень переменчива. Изменяются температура, освещенность, влажность. Для животных, да и для растений не регулярна доступность пищи. Донимают паразиты, хищники и просто конкуренты за среду обитания. Тем не менее, животные и растения выносят эти колебания среды, живут, растут, размножаются. Экологические сообщества долгое время сохраняют некий средний состав.

Человек как высший представитель животного царства также поддерживает свой внутренний гомеостаз — благодаря работе многочисленных управляющих механизмов. Так, несмотря на смену дня и ночи, зимы и лета, температура нашего тела поддерживается на одном и том же уровне — около 37 градусов (под мышкой 36,6 градуса). Кровяное давление варьирует в ограниченных пределах, так как регулируется благодаря иннервации стенок сосудов. Солевой состав крови и межклеточных жидкостей, содержание сахаров и других осмотически активных веществ (способных вызвать нежелательное перераспределение воды между структурами организма) также поддерживаются на оптимальных уровнях. Даже простое и, казалось бы, самопроизвольное стояние на двух ногах требует ежесекундной согласованной работы вестибулярного аппарата и многих мышц тела.

Основоположник идеи о физиологическом гомеостазе Клод Бернар (вторая половина XIX века) рассматривал стабильность физико-химических условий во внутренней среде как основу свободы и независимости живых организмов в непрерывно меняющейся внешней среде.

Саморегуляция происходит на всех уровнях организации биологических систем — от молекулярно-генетического до биосферного. Поэтому проблема гомеостаза в биологии носит междисциплинарный характер. Внутриклеточный гомеостаз изучают цитология и молекулярная биология, организменный — физиология животных и физиология растений, экосистемный — экология. Конкретные проявления этих механизмов мы рассмотрим ниже. Здесь же отметим, что для поддержания гомеостаза во всех системах используются кибернетические принципы саморегулирующихся систем. Кибернетика — наука об управлении — объясняет принцип саморегуляции системы на основе прямых и обратных связей между ее элементами. Вспомним, что система — это совокупность взаимодействующих элементов. Прямая связь между двумя элементами означает передачу информации от первого ко второму в одну сторону, обратная связь — передача ответной информации от второго элемента к первому. Суть в том, что информационный сигнал — прямой или обратный — изменяет состояние системы, принимающей сигнал. И тут принципиально важно, какой по знаку будет ответный сигнал — положительный или отрицательный. Соответственно и обратная связь будет положительной или отрицательной.

В случае обратной положительной связи первый элемент сигнализирует второму о некоторых изменениях своего состояния, а в ответ получает команду на закрепление этого нового состояния и даже его дальнейшее изменение. Цикл за циклом первый элемент с помощью второго (контрольного) элемента накапливает одни и те же изменения, его состояние стабильно изменяется в одну сторону (рис. 18 а). Эта ситуация характеризуется как самоорганизация, развитие, эволюция, и ни о какой стабильности системы говорить не приходится. Это может быть любой рост (клетки, организма, популяции), изменение видового состава в сообществе организмов, изменение концентрации мутаций в генофонде популяции, ведущее через отбор к эволюции видов. Естественно, что обратные положительные связи не только не поддерживают, но, напротив, разрушают гомеостаз.

Рис. 18

Обратная отрицательная связь стимулирует изменения в регулируемой системе с противоположным знаком относительно тех первичных изменений, которые породили прямую связь. Первоначальные сдвиги параметров системы устраняются, и она приходит в исходное состояние. Цикличное сочетание прямых положительных и обратных отрицательных связей может быть, теоретически, бесконечно долгим, так как система колеблется около некоторого равновесного состояния (рис. 18б). Таким образом, для поддержания гомеостаза системы используется принцип отрицательной обратной связи. Этот принцип широко применяется в автоматике. Так регулируется температура в утюге или холодильнике — с помощью термореле, уровень давления пара в автоклаве — с помощью выпускного клапана, положение судна, самолета, космического корабля в пространстве — с помощью гироскопов. В живых системах универсальный принцип обратной отрицательной связи работает во всех случаях, когда сохраняется гомеостаз.

Далее на конкретных примерах покажем саморегуляцию биологических систем разного уровня сложности.

ВНУТРИКЛЕТОЧНАЯ САМОРЕГУЛЯЦИЯ

В клетке для поддержания гомеостаза используются в основном химические (молекулярные) механизмы регуляции. Наиболее важна регуляция генов, от которых зависит производство белков, в том числе многочисленных и разнообразных ферментов.

Самая простая модель для демонстрации генного гомеостаза — регуляция выработки фермента для расщепления пищевого сахара у кишечной палочки. Эта бактерия является типичным гетеротрофом и поглощает из внешней среды несложные органические вещества, в том числе молочный сахар лактозу. Для расщепления и усвоения лактозы с определенного структурного гена, входящего в состав лактозного оперона (ген вместе с регуляторной областью) синтезируется информационная РНК и, далее, фермент. Если сахар в среде отсутствует, фермент не вырабатывается, а при добавлении сахара активируется ген и идет синтез фермента. Но как только весь сахар будет клеткой использован, ген перестает работать. Как клетка узнает о присутствии сахара и его расходовании? Как оберегает свои гены от бесполезной работы и траты энергии? Регуляция генов у бактерий, как у всех прокариот, в целом организована гораздо проще, чем в эукариотных клетках. Оказывается, лактозный оперон у кишечной палочки работает по принципу отрицательной обратной связи, где в роли регуляторного «клапана» выступает особый участок оперона — оператор, а в роли регулятора сам пищевой субстрат — лактоза (рис. 19). Лактоза, поступившая в клетку, сама раскрывает структурный ген, используя для этого в качестве ключика операторный участок. Исчезновение лактозы автоматически приводит к закрытию гена.

Рис. 19

Лактозный оперон — участок молекулы ДНК — состоит из трех частей: промотора, оператора и структурного гена. Промотор — стартовый участок гена, сюда садится фермент РНК-полимераза, ведущий транскрипцию. Оператор — пусковой барьер, в отсутствие лактозы закрытый специальным белком-репрессором. Структурный ген (точнее — здесь находится цепочка, семейство генов) — основной участок ДНК, кодирующий и производящий через иРНК нужный белок-фермент. Пока оператор связан с белком-репрессором, полимераза не может стартовать и структурный ген не работает, синтез фермента отсутствует (см. рис. 19 а). Когда в клетку попадает лактоза, одна ее молекула связывается с репрессором и отнимает его от оператора. Теперь путь полимеразе открыт, идет синтез иРНК (транскрипция) и, далее, синтез соответствующего белка-фермента (трансляция) (рис. 19 б). Ферменты расщепляют поступивший в клетку сахар и в последнюю очередь ту его молекулу, которая связана с репрессором. Но когда будет переварена и эта последняя молекула, белок-репрессор освобождается и вновь блокирует оператор. Производство иРНК и фермента прекращается до поступления новой порции сахара. По своей простоте система регуляции гена концентрацией субстрата похожа на простые технические регуляторы. Напомним, однако, что у эукариот регуляция генной активности более сложная. Она включает возбуждение клеточных рецепторов гормонами или другими биологически активными веществами, запуск каскада реакций вторичных мессенджеров, которые поступают в ядро и избирательно активируют гены.

Другой пример простых саморегулирующихся систем, использующих обратную отрицательную связь, представляют ферментативные цепи, ингибируемые конечным продуктом (рис. 20). Такие цепи обычно локализуются на поверхности внутриклеточных или наружных мембран и проводят комплексную переработку сложного субстрата в простой продукт. Суть регуляции состоит в том, что конечный продукт имеет стереохимическое сродство с первым ферментом. Связываясь с ферментом, продукт ингибирует (подавляет) его активность, так как полностью искажает его третичную структуру. Работает следующий регуляторный цикл. При повышении концентрации конечного продукта выше необходимого уровня его избыток ингибирует ферментную цепь (для этого достаточно остановить самый первый фермент). Ферментация прекращается, а свободный продукт расходуется на нужды клетки. Через некоторое время возникает дефицит продукта, блок с ферментов снимается, цепь активируется, и производство продукта снова растет.

Рис. 20

Третий пример- поддержание внутриклеточного осмотического гомеостаза. В сегменте 19 мы говорили о механизме возникновения нервных импульсов и отмечали важную роль ионов натрия, концентрация которых снаружи клетки должна поддерживаться на более высоком уровне, чем внутри. Благодаря натриевым насосам, встроенным в мембрану клетки, удерживается нужный градиент ионов. Как только клетка получает избыток натрия, активируется натриевый насос (его фермент, расщепляющий АТФ и дающий энергию). Натрий выкачивается, его концентрация в клетке падает, что служит сигналом для отключения насоса.

Аналогично в клетках растений с помощью плазмалеммы (наружной мембраны) и вакуолей регулируется состав солей и питательных веществ. Плазмалемма обеспечивает приток в клетку необходимых ионов и воды из внешней среды и выделение балластных и избыточных ионов водорода, натрия, кальция. Мембрана вакуоли регулирует поступление в протоплазму запасных субстратов из вакуоли при их недостатке и удаление в вакуоль — при избытке.

Во всех рассмотренных случаях действует один и тот же принцип — саморегуляция системы на основе обратной отрицательной связи. Заметим, однако, что регулируемые параметры — концентрация солей, питательных веществ, конечного продукта ферментации или продукта генной активности — не бывают абсолютно постоянными, они поддерживаются в допустимых границах. В каждом случае это свои физиологические границы, позволяющие нормально осуществлять клеточные функции. Аналогичный принцип мы увидим и на организменном уровне.

САМОРЕГУЛЯЦИЯ МНОГОКЛЕТОЧНОГО ОРГАНИЗМА

Как мы только что видели, уже на клеточном уровне возникает необходимость поддержания специфических физико-химических условий, отличающихся от условий окружающей среды. У многоклеточных организмов появляется внутренняя среда, в которой находятся клетки различных органов и тканей, происходит усложнение и совершенствование механизмов гомеостаза. В ходе эволюции формируются специализированные органы кровообращения, дыхания, пищеварения, выделения и др., участвующие в поддержании гомеостаза.

У морских беспозвоночных имеются механизмы стабилизации объема, ионного состава и рН жидкостей внутренней среды. Для животных, перешедших к жизни в пресных водах и на суше, а также у позвоночных, мигрировавших из пресных вод в море, сформированы механизмы осморегуляции, обеспечивающие постоянство концентрации солей внутри организма.

Наиболее совершенен гомеостаз у млекопитающих, что способствует расширению возможностей их приспособления к окружающей среде. В частности, обеспечивается постоянство объема крови и других внеклеточных жидкостей, концентрации в них ионов, осмотически активных веществ, постоянство рН крови, состава в ней белков, липидов и углеводов. У млекопитающих, а также у птиц, в узких пределах регулируется температура тела — их называют теплокровными животными.

Основную роль в поддержании гомеостаза организма играют нервная и гормональная системы регуляции (см. рис. 17 г).

Наиболее важную интегрирующую функцию выполняет центральная нервная система, особенно кора головного мозга. Большое значение имеет и вегетативная нервная система, в частности ее симпатический отдел — система ганглиев (скоплений нервных клеток), расположенных по бокам позвоночника, в брыжейке и других частях тела (например, солнечное сплетение). Чувствительные нервные волокна охватывают сетью все внутренние органы, кровеносные сосуды, обеспечивая рефлекторную взаимосвязь между ними.

Гормональная регуляция обеспечивается системой эндокринных желез (от греческих endon — внутрь и krino — выделяю) — желез внутренней секреции. Центральная эндокринная железа — гипофиз — находится в голове и имеет прямую связь с головным мозгом (через посредство гипоталамуса), а ее гормоны через кровь воздействуют на все местные эндокринные железы- такие как щитовидная, паращитовидная, надпочечники, а также скопления эндокринных клеток в поджелудочной и слюнной железах, семенниках, яичниках, тимусе, плаценте и даже в сердце, желудке, кишечнике, почках. Выделяемые эндокринными железами гормоны с током крови (гуморально) распространяются ко всем органам-мишеням и участвуют в регуляции их роста и функционирования. Таким образом, фактически благодаря связи нервной и эндокринной систем осуществляется единая нейрогормональная саморегуляция организма.

В рамках данного пособия придется ограничиться лишь некоторыми примерами, демонстрирующими нейрогормональную регуляцию, без какой-либо претензии на комплексное освещение вопроса.

Примером сложной гомеостатической системы является система обеспечения оптимального артериального давления. Изменение давления крови воспринимается барорецепторами сосудов — чувствительными нервными окончаниями, реагирующими на растяжение стенок сосудов при изменении внутреннего давления. Сигнал передается в сосудистые нервные центры, которые обратным сигналом изменяют тонус сосудов и сердечную деятельность. Одновременно включается система нейрогормональной регуляции и кровяное давление возвращается к норме.

Интересна и показательна регуляция пищевого поведения у позвоночных животных и человека (рис. 21). В гипоталамусе — отделе головного мозга, ответственном за регуляцию вегетативных функций и связующем нервную и эндокринную системы (см. выше) — находятся центры голода и насыщения. В крови голодного животного (или человека) возникает недостаток глюкозы — простейшего сахара (углевода), который всасывается всеми клетками и расходуется для получения энергии. Низкая концентрация глюкозы в крови приводит к раздражению центра голода. По нервным связям отдаются команды в мозг, на мышцы, и организуется поиск пищи. Когда пища найдена, включаются механизмы питания, пищеварения и всасывания продуктов в кровь. При этом белки перевариваются (расщепляются) до аминокислот, липиды до жирных кислот, а сложные углеводы до простых сахаров, в том числе глюкозы. Концентрация глюкозы в крови растет, что приводит к раздражению центра насыщения, далее к подавлению аппетита и прекращению питания. Когда глюкоза расходуется, ее концентрация в крови вновь понижается, отчего раздражается центр голода. Цикл повторяется. Поскольку гипоталамус связан и с нервными центрами, и со всей эндокринной системой, цикл пищевого поведения синхронизирован также с нервно-рефлекторной и гуморальной регуляцией желез пищеварительного тракта: выделяется слюна, желудочный сок, ферменты поджелудочной железы и кишечника, мобилизуется перистальтика.

Рис. 21

На основе процессов саморегуляции происходит морфологическая и функциональная гипертрофия органов в ответ на усиление нагрузки, на инфекцию, стрессовое воздействие. В результате постоянных тренировок увеличиваются мышцы спортсмена, легкие ныряльщика. Увеличение нагрузки по прокачиванию крови ведет к гипертрофии сердца у тучного человека. Увеличивается и печень у больного человека. Характерная функциональная реакция развивается в ответ на гипоксию (недостаток кислорода): учащение пульса и увеличение числа эритроцитов, приводящие вместе к более быстрому обороту газов через организм. Или — реакция испуга, страха: выброс в кровь стрессового гормона адреналина ведет к повышению потребления кислорода, повышению концентрации глюкозы в крови, учащению пульса и мобилизации мышечной системы — все для мобилизации организма на оборону или избежание опасности. Другие системы при этом угнетаются — пропадают пищевые реакции, половые рефлексы и др. После исчезновения опасности все системы возвращаются в норму.

Механизм обратной отрицательной связи вовлечен в поддержание постоянства числа клеток в обновляющихся тканях, таких как кровь, кишечный или кожный эпителий (рис. 22). В этих тканях имеется резерв недифференцированных клеток (например, красный костный мозг для крови), которые многократно делятся, дифференцируются, работают, стареют и отмирают. Считают, что зрелые клетки выделяют вещества, ингибирующие молодые делящиеся клетки. Выстраивается цепь взаимозависимых реакций: при избытке зрелых клеток продукция ингибитора высока и размножение клеток подавляется; уменьшение числа зрелых клеток в результате их естественной гибели сопровождается снижением концентрации ингибитора в среде; блок клеточных делений снимается; размножение молодых клеток усиливается; число зрелых клеток восстанавливается. Далее вновь возрастает продукция ингибитора и цикл повторяется. Общее число зрелых клеток в ткани колеблется около некоторого среднего уровня, резко не снижается и не повышается. По механизму передачи сигнала здесь мы имеем гуморальную систему, ингибитор работает как внутритканевой «гормон».

Рис. 22

К числу регуляторных систем, обеспечивающих внутреннее постоянство организма, кроме нервной и эндокринной, следует отнести иммунную систему, которая отслеживает и поддерживает генетическую чистоту внутренней среды и тканей организма, устраняя проникшие вирусы, микробы или собственные мутантные клетки. Состав и принципы функционирования иммунной защиты были рассмотрены в сегменте 18. Теперь можно добавить, что сложный цикл выработки неспецифических и специфических защитных факторов (различных белков, в том числе антител), их взаимодействие с разнообразными чужеродными агентами (антигенами) и восстановление нормальной внутренней среды организма представляют звенья саморегулирующегося механизма. Это очень сложный, многокомпонентный механизм, в котором не сразу видны отдельные узлы саморегуляции, так как над ними или параллельно с ними работают другие управляющие механизмы.

Как и в случае с внутриклеточной регуляцией, мы должны заметить, что гомеостаз организма не бывает абсолютным. Любые параметры: температура тела, артериальное давление, пищевое поведение, частота сердечных сокращений, число клеток в ткани и многие другие — находятся в колебательном режиме. Это вытекает из самой природы механизма регуляции — прямая и обратная связи замкнуты в цикл, на оборот которого требуется определенное время. За это время регулируемая система успевает измениться в ту или иную сторону, что и выражается в колебании ее параметров. Но средний уровень параметра должен соответствовать норме, а коридор его колебаний не должен выходить за физиологические пределы. Если это все же происходит, говорят о патологических (болезненных) отклонениях в состоянии организма.

Нормальные колебания функциональных характеристик организма происходят постоянно и называются биоритмами. Скорость синтеза белков в клетке колеблется в околочасовом (1,5 — 2 часа) ритме, большинство организменных ритмов имеют околосуточную периодичность, есть месячные, годичные и даже многолетние ритмы. Внутренний механизм, управляющий ритмами, принято называть биологическими часами, что подчеркивает связь биоритмов с астрономическим временем. Но заметим, что подавляющее большинство биоритмов являются наведенными, они сформированы под действием абиотических (небиологических) ритмов внешней среды. Это очевидно связанные с вращением Земли околосуточные ритмы, связанные с лунным циклом месячные ритмы и т. д. Поэтому биоритмы могут перестраиваться, и это происходит, например, когда мы перелетаем с востока на запад и наоборот. Но для этого требуется время, так как в один и тот же цикл (особенно суточный) бывают включены и жестко связаны друг с другом многие частные ритмы. И вообще колебательное состояние системы является наиболее устойчивым. Именно поэтому колебательное состояние внутренней среды организма выступает как важный фактор поддержания гомеостаза.

 

Гомеостаз организма человека | Саморегуляция внутренней среды организма

Гомеостаз — это свойство системы, в которой процессы и переменные регулируются так, что внутренние условия остаются стабильными и относительно постоянными.

В 1775 году д-р Чарльз Благден (Dr. Charles Blagden) из Лондонского королевского общества протестировал способность человеческого организма выдерживать высокую температуру. У него была специальная комната, нагретая до 126 ° C, что значительно выше точки кипения воды.

Он вошел в комнату с собакой и куском сырого мяса. Через 45 минут он вышел из комнаты без каких-либо побочных эффектов, за исключением частоты пульса, которая увеличилась до 144 ударов в минуту (примерно в два раза больше обычной скорости). Собака тоже была в порядке, однако мясо приготовилось.

Регуляция температуры тела (терморегуляция)

Здоровые люди имеют определенные физиологические константы, которые поддерживаются организмом на относительно постоянном уровне:

1. Концентрация глюкозы в крови составляет около 100 мг/мл,
2. РН крови — примерно 7,4,
3. Кровяное давление — 160/106 кПа (120/80 мм рт. ст.),
4. Температура тела — приблизительно 37° С.

Гомеостаз

1. Сохранение динамического равновесия (динамическое равновесие — это состояние равновесия, достигаемое в среде в результате внутренних механизмов контроля, которые постоянно противостоят внешним силам, стремящимся изменить эту среду).
2. Большинство гомеостатических механизмов работают как циклы отрицательной обратной связи (отрицательная обратная связь — это процесс, который обнаруживает и корректирует отклонения от нормальных констант тела).

Системы обратной связи

Для поддержания гомеостаза петли отрицательной обратной связи существуют на всех уровнях организма.

Эти системы предотвращают повышение уровня сахара в крови, артериального давления, температуры и других констант.

sweat — пот, vasodilation — расширение сосудов, vasoconstriction — сужение сосудов, goosebumps — мурашки, shivering — дрожь

Циклы с положительной обратной связью также существуют, но они обычно связаны с болезнью.

Примером положительной обратной связи является высокое кровяное давление.

Повреждение артерий из-за высокого кровяного давления приводит к образованию рубцовой ткани. Ткань рубца является ловушкой для холестерина, что препятствует потоку крови через артерии и тем самым повышает кровяное давление еще больше.

Различные виды ПЦР часто является отправной точкой в серии экспериментов для того, чтобы получить информацию о ДНК.

Подробнее…

Полимеразная цепная реакция была впервые разработана в 1983 году Кари Муллисом. На сегодняшний день существует много разных видов ПЦР.

Подробнее…

5 стандартных компонентов ПЦР играют решающую роль в амплификации ДНК.

Для полимеразной цепной реакции требуется набор подходящих олигонуклеотидных праймеров, ДНК матрица и полимераза, буфер и дезоксинуклеотиды.

Подробнее…

Благодаря технологии CRISPR/Cas9, быстро расширяющаяся область редактирования генов породила множество CRISPR компаний.

Подробнее…

Атомы углерода могут соединяться друг с другом и образовывать прямые, разветвленные цепи, а также кольцевые структуры органических соединений. Эти структуры образуют биологические полимеры и выступают в качестве основ различных типов органических соединений клетки.

Подробнее…

Гомеостаз: динамический саморегулирующийся процесс, поддерживающий здоровье и защищающий от болезней

• title={Гомеостаз: динамический саморегулирующийся процесс, поддерживающий здоровье и защищающий от болезней}, автор={Джордж Эдвард Биллман}, год = {2013} }
  • Г. Биллман
  • Опубликовано в 2013 г.
  • Психология, биология

  Гомеостаз, как его определяют в настоящее время, представляет собой саморегулирующийся процесс, посредством которого биологические (или механические) системы сохраняют стабильность, приспосабливаясь к изменяющимся условиям. Эта концепция объясняет, как организм может поддерживать более или менее постоянные внутренние условия, которые позволяют ему выживать перед лицом меняющейся и часто враждебной внешней среды. Наше понимание гомеостаза медленно появлялось на протяжении веков и стало центральным принципом физиологии. Если кто этого не понимает… 

  Посмотреть через издателя

  Гомеостаз: недооцененный и слишком часто игнорируемый центральный организующий принцип физиологии

  Целью этого эссе является описание эволюции понимания гомеостаза и роли физиологической регуляции и дисрегуляции в норме и болезни .

  «Мультиморбидность» как проявление сетевых нарушений

  Мы утверждаем, что «мультиморбидность» — это проявление взаимосвязанных физиологических сетевых процессов внутри человека в его или ее социокультурной среде. Сети включают геномные,…

  О стабильности и адаптивности физиологии человека: гауссоны встречаются с тяжелыми хвостами

  • R. Fossion, Ariel Andrés Sáenz Burrola, Leonardo Iván Zapata Fonseca

  • Environmental Science

  • 2020499999

  • Environments Science

    9000
  • 20204999999

  • Environmental Science

    9000
  • 202049999999999999999
  • . контролировать в бака неинвазивным и непрерывным способом широкий спектр физиологических переменных. Сюрпризом последних десятилетий стало то, что большинство — если не все — из…

    Количественные модели для микроскопических и макроскопических биологических макромолекул и тканей

    Вклад молекулярно-динамического моделирования в определение энергетики сворачивания ˇ-шпильки, механики включения β-бочонка в мембрану с помощью BAM-комплекса, динамики конформационного переключения ·шпильки и структур вызывающих заболевание амилоидов пересматриваются.

    Самолидерство: руководящие принципы для адаптивных лидеров и организаций

    • Р. Пирчер, Кристиана Зойс-Шоллер

    • Бизнес

    • 2015

    Для адаптации к меняющейся среде требуется соответствующее восприятие текущего состояния. Поэтому мы тщательно изучили теоретические и эмпирические данные об индивидуальном человеческом восприятии в качестве основы…

    Самолидерство в целеустремленных организациях: анализ человеческого восприятия для более комплексного принятия решений

    • Р. Пирчер

    • Бизнес

    • 2014 900

      Продуктивное принятие решений требует надлежащего восприятия фактов, имеющих отношение к решению. Может оказаться необходимым воспринимать и интегрировать различные и противоречивые точки зрения, возникающие внутри…

      Восстановление доверия – реальная задача для улучшения системы здравоохранения

      • J. Sturmberg

      • Медицина, политология

        Европейский журнал клинических исследований

      • 2015

      «клинические взаимодействия в рамках доверия к системе здравоохранения», но что «медицинская профессия в настоящее время не пользуется большим доверием, как это было исторически».

      Hypotalamický zápal a somatické choroby

      • Boris Mravec, Alena Szelle Černáčková

      • Medicine

      • 2018

      Poznanie pricin a mechanizmov, ktore sa podieľaju na vzniku hypotalamickeho zapalu umožňuje komplexnejsi pohľad na etiopatogenezu somatick ých chorob a vytvara tak podklad pre zavedenie nových postupov.

      Гомеостаз с точки зрения временных рядов: интуитивная интерпретация изменчивости физиологических переменных

      • R. Fossion, J. Fossion, B. Estañol

      • Психология

      • 2018

      Утверждается, что в оптимальных условиях молодости и здоровья регулируемые переменные и большие различия, соответственно, и что при неблагоприятных обстоятельствах, таких как старение и/или хроническое дегенеративное заболевание, эти статистические данные вырождаются в противоположных направлениях.

      Могут ли эмоции быть смоделированы посредством обработки информации

      • Эбрахим Ошни Альванди

      • Психология

      • 2015

      эмоциональный стук в мозгу.

      ПОКАЗАНЫ 1-10 ИЗ 21 ССЫЛОК

      СОРТИРОВАТЬ ПОРелевантность Наиболее влиятельные документыНедавность

      Регуляция и контроль в физиологических системах: 1960–1980

      • Л. Гудман

      • Науки об окружающей среде

        Анналы биомедицинской инженерии

      • 2006

      Характер регуляции в целом и регуляция физиологического изостаза в частности рассмотрены и динамика изостаза в частности на примере стационарных «предельных циклических» колебаний в метаболизме млекопитающих.

      Гомеостаз: призыв к единому подходу.

      В этой статье предлагается более единый подход к гомеостазу и делается попытка показать, как такой подход может быть представлен.

      Великая задача физиологии: интегрировать функции от молекул к человеку

      • Г. Биллман

      • Медицина

        Фронт. Physiology

      • 2010

      Традиционный английский детский ритм (самая ранняя опубликованная версия 1803 г.) (Opie and Opie, 1997) часто считается отцом современной физиологии, поскольку он был первым человеком, который использовал тщательно спланированные эксперименты на людях и животных для установления функция основной системы органов тела с его описанием кровообращения.

      От Клода Бернара Уолтеру Кэннону. Появление концепции гомеостаза

      • S. Cooper

      • Психология

        Аппетит

      • 2008

      Артериальные барорефлексы Сброс. во время физической активности описывается с исторической точки зрения с особым акцентом на человеческие исследования.

      

      Поведение, цель и телеология

      Это эссе преследует две цели. Во-первых, определить бихевиористское исследование природных явлений и классифицировать поведение. Во-вторых, подчеркнуть важность концепции цели. Учитывая любой…

      Музыка жизни: биология за пределами генов

      • Д. Ноубл

      • Искусство

      • 2008

      : это записано? 4. Дирижер: нисходящая каузальность 5. Ритм-секция: сердцебиение и другие ритмы 6.…

      Клод Бернард «Пересмотренное издание своего знакомства». Experimente — Premiere partie Du raisonnement Experiment — Deuxieme partie De l’experimentation chez les etres vivants — Troisieme party Applications de la…

      Кибернетика, или управление и связь в животном и машине, 2-е изд.

      • Н. Винер

      • Искусство

      • 1961

      В этой книге автор намерен выразить и проиллюстрировать свои идеи о кибернетике и показать некоторые из своих личных философских размышлений.

      I. На регуляторах

      Регулятор — это часть машины, с помощью которой скорость машины поддерживается почти постоянной, несмотря на изменения в приводной мощности или сопротивлении. Большинство губернаторов зависят от…

      Синтетические гомеостатические материалы с химико-механо-химической саморегуляцией

      • Опубликовано: 11 июля 2012 г.
      • XIMIN HE ^1,2 ,
      • Майкл Айзенберг ² ,
      • Ольга Куксенок ³ ,
      • Lauren D. Zarzar ⁴ ,
      • Ankit Ankit Ankitri Ankitri
      • 1. ³ и
      • …
      • Джоанна Айзенберг ^1,2,4  

      Природа том 487 , страницы 214–218 (2012 г. )Процитировать эту статью

      • 14 тыс. обращений

      • 361 цитат

      • 39 Альтметрический

      • Сведения о показателях

      Предметы

      • Биомедицинские материалы
      • Синтетическая биология

      Abstract

      Живые организмы обладают уникальными гомеостатическими способностями, сохраняя строгий контроль над своей локальной средой посредством взаимных преобразований химической и механической энергии и саморегулирующихся петель обратной связи, организованных иерархически во многих масштабах длины ^{1,2,3,4,5,6,7} . Напротив, большинство синтетических материалов не способны к непрерывному самоконтролю и саморегулированию поведения из-за их ограниченных однонаправленных химико-механических ^{7,8,9,10,11,12} или механохимических ^13,14 режимов. Применение концепции гомеостаза к разработке автономных материалов ¹⁵ окажет существенное влияние в самых разных областях: от медицинских имплантатов, помогающих стабилизировать функции организма, до «умных» материалов, регулирующих потребление энергии ^2,16,17 . Здесь мы представляем универсальную стратегию создания саморегулирующихся, автономных, гомеостатических материалов, способных точно настроить химико-механо-химические петли обратной связи на нано- или микроуровне. Мы разрабатываем двухслойную систему с нанесенными на гидрогель микроструктурами, содержащими катализатор, которые отделены от содержащего реагент «питательного» слоя. Реконфигурация геля в ответ на раздражитель вызывает обратимое срабатывание микроструктур в питательном слое и из него и служит высокоточным переключателем «вкл. /выкл.» для химических реакций. Мы применяем этот дизайн для запуска органических, неорганических и биохимических реакций, которые проходят обратимые, повторяющиеся циклы, синхронизированные с движением микроструктур и движущим внешним химическим стимулом. Используя непрерывную петлю обратной связи между различными экзотермическими каталитическими реакциями в питательном слое и механическим действием чувствительного к температуре геля, мы затем создаем образцовые автономные, самоподдерживающиеся гомеостатические системы, которые поддерживают заданный пользователем параметр — температуру — в узком диапазоне. диапазон. Экспериментальные результаты подтверждаются с помощью компьютерного моделирования, которое качественно фиксирует основные черты саморегулирующегося поведения и предоставляет дополнительные критерии оптимизации гомеостатической функции, впоследствии подтвержденные экспериментально. Эта конструкция легко настраивается благодаря широкому выбору химических элементов, настраиваемой механике и ее физической простоте и может привести к множеству приложений в автономных системах с химико-механо-химической трансдукцией в основе.

      Это предварительный просмотр содержимого подписки, доступ через ваше учреждение

      Соответствующие статьи

      Статьи открытого доступа со ссылками на эту статью.

      • Гидрогели с обратной связью с гомеостатическими колебаниями и диссипативной передачей сигнала

        • Ханг Чжан
        • , Хао Цзэн
        •  … Олли Иккала

        Природа Нанотехнологии Открытый доступ 28 ноября 2022 г.

      • Возникающие микророботные осцилляторы через порядок, индуцированный асимметрией

        • Цзин Фан Ян
        • , Томас А. Берруэта
        •  … Майкл С. Страно

        Связь с природой Открытый доступ 13 октября 2022 г.

      • Переключаемые водные каталитические системы для органических превращений

        • Никита Дас
        • и Чандан Майти

        Химия связи Открытый доступ 26 сентября 2022 г.

      Варианты доступа

      Подпишитесь на этот журнал

      Получите 51 печатный выпуск и онлайн-доступ

      199,00 € в год

      всего 3,90 € за выпуск

      Узнайте больше

      Просто возьмите напрокат или купите эту статью

      9 эту статью до тех пор, пока она вам нужна

      $39,95

      Подробнее

      Цены могут облагаться местными налогами, которые рассчитываются при оформлении заказа

      Рисунок 1: Общий проект СМАРТС. Рис. 2: Колебания в типичных химических реакциях, вызванные изменениями pH. Рис. 3: Гомеостаз в SMARTS через саморегулирующиеся химико-термомеханические петли обратной связи. Рис. 4: Компьютерное моделирование автономного теплового регулирования.

      Ссылки

      1. Bao, G. et al. Молекулярная биомеханика: молекулярная основа того, как силы регулируют клеточную функцию. Сотовый. Мол. биоинж. 3 , 91–105 (2010)

         Статья Google Scholar

      2. Fratzl, P. & Barth, F.G. Биоматериальные системы для механосенсорных и приводных устройств. Природа 462 , 442–448 (2009)

         Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar

      3. Guyton, A.C. & Hall, J.E. Human Physiology and Mechanisms of Disease 6th edn 3–8 (Saunders, 1997)

         Google Scholar

      4. Prosser, B. L., Ward, C.W. & Lederer, WJ. Передача сигналов X-ROS: быстрая механохимическая трансдукция в сердце. Наука 333 , 1440–1445 (2011)

         Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar

      5. Sambongi, Y. et al. Механическое вращение олигомера субъединицы с в АТФ-синтазе (F0F1): прямое наблюдение. Наука 286 , 1722–1724 (1999)

         Статья КАС Google Scholar

      6. Spaet, TH Аналитический обзор: гемостатический гомеостаз. Кровь 28 , 112–123 (1966)

         CAS пабмед Google Scholar

      7. Гесс, Х. Инженерные применения биомолекулярных двигателей. год. Преподобный Биомед. англ. 13 , 429–450 (2011)

         Статья КАС Google Scholar

      8. Fritz, J. et al. Перевод биомолекулярного распознавания в наномеханику. Наука 288 , 316–318 (2000)

         Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar

      9. Лаханн Дж. и Лангер Р. Интеллектуальные материалы с динамически управляемыми поверхностями. МИССИС Бык. 30 , 185–188 (2005)

         Статья КАС Google Scholar

      10. Ли, Д. Б. и др. Молекулярные, супрамолекулярные и макромолекулярные моторы и искусственные мышцы. МИССИС Бык. 34 , 671–681 (2009)

          Статья Google Scholar

      11. Пакстон В.Ф., Сундарараджан С., Маллук Т.Е. и Сен А. Химическая локомоция. Анжю. хим. Междунар. Эд. 45 , 5420–5429 (2006)

          Статья КАС Google Scholar

      12. Сидоренко А. , Крупенкин Т., Тейлор А., Фратцл П. и Айзенберг Дж. Обратимое переключение гидрогелевых наноструктур в сложные микроструктуры. Наука 315 ​​ , 487–490 (2007)

          Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar

      13. Арига К., Мори Т. и Хилл Дж. П. Управление нано/молекулярными системами путем применения макроскопических механических стимулов. Хим. науч. 2 , 195–203 (2011)

          Статья КАС Google Scholar

      14. Todres, Z. V. Органическая механохимия и ее практическое применение (CRC/Taylor & Francis, 2006)

          Книга Google Scholar

      15. Харрис, Т.Дж., Сеппала, К.Т. и Десборо, Л.Д. Обзор методов мониторинга и оценки производительности для одномерных и многомерных систем управления. J. Управление процессом. 9 , 1–17 (1999)

          Статья КАС Google Scholar

      16. Stuart, M. A. C. et al. Новые области применения полимерных материалов, реагирующих на раздражители. Природа Матери. 9 , 101–113 (2010)

          Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google Scholar

      17. Йерушалми, Р., Шерц, А., ван дер Бум, М. Э. и Краатц, Х. Б. Материалы, реагирующие на стимулы: новые пути к интеллектуальным органическим устройствам. Дж. Матер. хим. 15 , 4480–4487 (2005)

          Артикул КАС Google Scholar

      18. Дас, М., Мардьяни, С., Чан, В. К. В. и Кумачева, Е. Биофункциональные рН-чувствительные микрогели для нацеливания на раковые клетки: рациональный дизайн. Доп. Матер. 18 , 80–83 (2006)

          Статья КАС Google Scholar

      19. Murthy, N. et al. Макромолекулярный носитель для белковых вакцин: кислоторазлагаемые микрогели, наполненные белком. Проц. Натл акад. науч. США 100 , 4995–5000 (2003)

          Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar

      20. Nayak, S., Lee, H., Chmielewski, J. & Lyon, L. A. Опосредованное фолатом нацеливание на клетки и цитотоксичность с использованием термочувствительных микрогелей. Дж. Ам. хим. соц. 126 , 10258–10259 (2004)

          Статья КАС Google Scholar

      21. Siegel, R. A. in Chemomechanical Instabilities in Responsive Materials (eds Borckmans, P., Kepper, P.D. & Khokhlov, A.R.) 139–173 (Springer, 2009)

          Google Scholar

      22. Horváth, J., Szalai, I., Boissonade, J. & De Kepper, P. Колебательная динамика, вызванная в чувствительном геле неколебательной химической реакцией: экспериментальные данные. Мягкая материя 7 , 8462–8472 (2011)

          Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google Scholar

      23. Ковач К. , Леда М., Ванаг В.К. и Эпштейн И.Р. Малоамплитудные и смешанные колебания рН в системе бромат-сульфит-ферроцианид-алюминий(III). J. Phys. хим. А 113 , 146–156 (2009)

          Статья КАС Google Scholar

      24. Маэда С., Хара Ю., Сакаи Т., Йошида Р. и Хашимото С. Гель для самостоятельной ходьбы. Доп. Матер. 19 , 3480–3484 (2007)

          Статья КАС Google Scholar

      25. Ванаг В.К. и Эпштейн И.Р. Резонансные осциллоны в системе реакции-диффузии. Физ. E 73 , 016201 (2006)

          Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google Scholar

      26. Кога, С., Уильямс, Д. С., Перриман, А. и Манн, С. Микрокапли пептид-нуклеотид как шаг к безмембранной модели протоклетки. Природа Хим. 3 , 720–724 (2011)

          Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar

      27. Рихтер, А. и др. Обзор сенсоров pH и микросенсоров на основе гидрогеля. Датчики 8 , 561–581 (2008)

          Артикул КАС Google Scholar

      28. Зарзар, Л. Д., Ким, П. и Айзенберг, Дж. Био-вдохновленный дизайн полимерных микроструктур, приводимых в действие гидрогелем, работающих в зависимости от pH. Доп. Матер. 23 , 1442–1446 (2011)

          Статья КАС Google Scholar

      29. Schild, HG Poly( n -изопропилакриламид) — эксперимент, теория и применение. Прог. Полим. науч. 17 , 163–249 (1992)

          Артикул КАС Google Scholar

      30. Окано, Т., Бэ, Ю. Х., Джейкобс, Х. и Ким, С. В. Полимеры с термическим включением и выключением для проникновения и высвобождения лекарств. Дж. Контроль. Выпуск 11 , 255–265 (1990)

          Артикул КАС Google Scholar

      31. Куксенок О. , Яшин В. В., Балаш А. С. Трехмерная модель химиочувствительных полимерных гелей, подвергающихся реакции Белоусова-Жаботинского. Физ. E 78 , 041406 (2008)

          Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google Scholar

      32. Яшин В. В., Балаш А. С. Формирование рисунка и изменение формы в автоколебательных полимерных гелях. Наука 314 , 798–801 (2006)

          Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ MathSciNet КАС Google Scholar

      33. Яшин В. В., Куксенок О. и Балаш А. С. Моделирование автономно колеблющихся химиочувствительных гелей. Прог. Полим. науч. 35 , 155–173 (2010)

          Статья КАС Google Scholar

      Ссылки на скачивание

      Благодарности

      Мы благодарим П. Кима за помощь в составлении геля, М. Хана за изготовление микроструктуры, Р. С. Фридлендера за помощь в конфокальной визуализации, М. Колле и А. Эрлихера за техническую помощь и А. Гринталу за помощь в подготовке рукописи. Работа была поддержана Министерством энергетики США по награде DE-SC0005247 (эксперимент) и NSF США по награде CMMI-1124839.(вычислительное моделирование).

      Информация о авторе

      Авторы и принадлежности

      1. Школа инженерных и прикладных наук, Гарвардский университет, Кембридж, 02138, Массачусетс, USA

         Whimin He & Joanna Aizenberg,

      2. 9

         Werlogral Engiinere,

      3. 8

         Whanlical Engiinere,

      4. 8

         ,

         Whanlizal Engiineer. , Кембридж, 02138, Массачусетс, США

         Химин Хе, Майкл Айзенберг и Джоанна Айзенберг

      5. Факультет химической и нефтяной инженерии, Университет Питтсбурга, Питтсбург, 15260, Пенсильвания, США

         Olga Kuksenok & Anna C. Balazs

      6. Department of Chemistry and Chemical Biology, Harvard University, Cambridge, 02138, Massachusetts, USA

         Lauren D. Zarzar, Ankita Shastri & Joanna Aizenberg

      Authors

      1. Ximin He

         Посмотреть публикации автора

         Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

      2. Майкл Айзенберг

         Посмотреть публикации автора

         Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

      3. Ольга Куксенок

         Посмотреть публикации автора

         Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

      4. Lauren D. Zarzar

         Просмотр публикаций автора

         Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

      5. Ankita Shastri

         Посмотреть публикации автора

         Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Академия

      6. Anna C. Balazs

         Просмотр публикаций автора

         Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

      7. Джоанна Айзенберг

         Просмотр публикаций автора

         Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

      Contributions

      М. А. и Дж.А. планировал проект и руководил исследованиями. Х.Х. и М.А. разработали и провели эксперименты и анализ данных. Х.Х., Л.Д.З. и в качестве. провел характеристику. Х.Х. и Л.Д.З. выполнен дизайн микрожидкостного устройства. КАК. провели оптимизацию нанесения гидрогеля. ХОРОШО. и А.С.Б. разработали модель и числовой код и провели вычислительное моделирование. Все авторы написали рукопись.

      Автор, ответственный за переписку

      Переписка с Джоанна Айзенберг.

      Декларация этики

      Конкурирующие интересы

      Авторы не заявляют о конкурирующих финансовых интересах.

      Дополнительная информация

      Дополнительная информация

      Этот файл содержит дополнительный текст и данные 1-5, дополнительные рисунки 1-10 и дополнительные ссылки. (PDF 1813 kb)

      Дополнительный фильм 1

      В этом фильме показан импульсный O ₂ Генерация газа, контролируемая активацией микроребер в микрожидкостном канале. Попеременный поток водного раствора с pH 3 (желтый) и pH 6 (фиолетовый) использовали для контроля срабатывания микроструктур из слоя H ₂ O ₂ и в него и, таким образом, циклического образования пузырьков. Цвет возникает из-за индикатора бромфенолового синего. Фильм воспроизводится с реальной скоростью. (MOV 8431 kb)

      Дополнительный фильм 2

      В этом фильме показана саморегулирующаяся химико-механическая система с обратной связью, демонстрирующая автономные автономные колебания и соответствующее регулирование температуры в течение 6 часов. В фильме представлены три цикла в начале, два цикла через 3 часа и два цикла через 6 часов. Фильм воспроизводится на скорости 60x. (MOV 11769KB)

      PowerPoint Slide

      PowerPoint Slide для рис. 1

      PowerPoint Slide для рис. 2

      PowerPoint Slide для рис. 3

      . разрешения

      Перепечатка и разрешения

      Об этой статье

      Эта статья цитируется

      • Саморегулирующиеся невзаимные движения в одноматериальных микроструктурах

        • Шуконг Ли
        • Майкл М. Лерх
        • Джоанна Айзенберг

        Природа (2022)

      • Мышцы из наноструктурированного блок-сополимера

        • Чао Ланг
        • Элизабет С. Ллойд
        • Роберт Дж. Хики

        Природа Нанотехнологии (2022)

      • Гидрогели с обратной связью с гомеостатическими колебаниями и диссипативной передачей сигнала

        • Ханг Чжан
        • Хао Цзэн
        • Олли Иккала

        Природа Нанотехнологии (2022)

      • Узорчатый рост кристаллов и генерация тепловых волн в гидрогелях

        • Томас Б. Х. Шредер
        • Джоанна Айзенберг

        Nature Communications (2022)

      • Возникающие микророботные осцилляторы через порядок, индуцированный асимметрией

        • Цзин Фан Ян
        • Томас А. Берруэта
        • Майкл С. Страно

        Nature Communications (2022)

      Комментарии

      Отправляя комментарий, вы соглашаетесь соблюдать наши Условия и Правила сообщества. Если вы обнаружите что-то оскорбительное или не соответствующее нашим условиям или правилам, отметьте это как неприемлемое.

      No related posts.