Системы с обратными связями

3

Лекция

I. Системы с обратными связями

Система - взаимосвязанная совокупность элементов, нечто большее, чем сумма ее составляющих.

Контур обратной связи - замкнутая цепь причинных связей.

Контур положительной обратной связи - цепь причинно-следственных связей, в которой увеличение любого из элементов контура вызывает последовательность изменений, которая еще больше увеличивает исходный элемент (саморазгоняющаяся обратная связь)

Контур отрицательной обратной связи - цепь причинно-следственных связей, в которой изменение одного элемента распространяется по кругу, вновь возвращается к этому элементу и изменяет его в направлении, противоположном первоначальному; служит для поддержания системы в рамках устойчивого состояния.

Пример: система гомеостаза

Элементы - рецепторы (сенсор)

- сравнительный элемент

- преобразователь

Запаздывание - период времени между причиной и ее проявлением (реакцией на причину).

Пример: курение и рак (запаздывание в 20-30 лет).

Небольшое время запаздывания необходимо для защиты системы от поспешных действий до получения более точной информации; длительная задержка запаздывания опасна. Чем длительнее время запаздывания, тем меньше вероятность того, что мы успеем вовремя отреагировать и предотвратить опасные изменения.

Пример запаздывания отклики - разрушение озонового слоя - время запаздывания ~15 лет.

Устойчивое общество

Есть множество определений устойчивости. Самое простое из них таково: устойчивое общество - это общество, способное существовать в течение жизни многих поколений, общество достаточно дальновидное, гибкое и мудрое, чтобы не разрушать поддерживающие его физические или социальные системы.

Всемирная комиссия по окружающей среде и развитию облекла это определение в памятные слова: устойчивое общество - это общество, «удовлетворяющее нужды сегодняшнего поколения, не лишая будущие поколения возможности удовлетворять их собственные нужды».

С точки зрения системной динамики устойчивое общество - это общество, обеспеченное информационными, социальными и институциональными механизмами, способными осуществлять контроль за контурами положительных обратных связей, обуславливающих экспоненциальный рост численности населения и капитала. Это означает, что в таком обществе рождаемость приблизительно равна смертности, а темпы инвестирования - темпам амортизации капитала, если только изменения в технологии и социальная политика не сделают оправданными запланированное и контролируемое изменение численности населения и запасов капитала. В социально устойчивом обществе численность населения, запасы капитала и технология должны обеспечивать достаточный и гарантированный материальный уровень жизни для всех. В физически устойчивом обществе потребление сырья и энергии должно осуществляться в соответствии с тремя условиями, сформулированными экономистом Г.Дейли:

· темпы потребления возобновимых ресурсов не должны превышать темпов их восстановления;

· темпы потребления невозобновимых ресурсов не должны превышать темпов разработки их устойчивой возобновимой замены;

· интенсивность выбросов загрязняющих веществ не должна превышать возможности окружающей среды поглощать их.

Устойчивость и обратная информационная связь

Живые организмы обладают свойством поддерживать некоторые свои характеристики в допустимых пределах, если изменяющиеся внешние условия не являются катастрофическими. Например, наш организм имеет системы поддерживания достаточно постоянного кровяного давления и температуры. Такие регуляторные процессы живых организмов называются гомеостазом (от греч. stasis - неподвижность).

Обратная информационная связь состоит в получении сигнала, вызывающего определенные изменения для сохранения равновесного состояния. Существует два типа обратной информационной связи: отрицательная и положительная.

Отрицательная обратная связь - это поток информации в систему, противодействующий изменениям внешних условий.

Отрицательная обратная связь также поддерживает температуру тела человека около 37С.

Человек и все живые существа, являющиеся саморегулирующимися гомеостатичными системами, живут главным образом благодаря негативной обратной связи.

Положительная обратная связь, известная также как «саморазгоняющаяся» обратная связь, наблюдается в тех случаях, когда однонаправленные изменения в системе сопровождаются усиливающей эти изменения информации.

Обычно отрицательная обратная связь служит для поддержания системы в относительно постоянном или равновесном состоянии; в то же время положительная обратная связь служит для разрушения стабильности системы - по принципу: чем сильнее действие, тем сильнее и ответ.

Временная задержка

Другой характеристикой системы, регулируемой с помощью информационной обратной связи, является временная задержка - задержка между временем получения возбуждающего сигнала и временем, когда система вносит коррективы под действием обратной связи.

Временная задержка может защитить систему от информационной перегрузки и предостеречь от поспешных действий до поступления дополнительной информации. Но слишком длительная задержка во времени между причиной и последующей реакцией часто делает корректирующие действия не столь эффективными.

II. Вмешательство в природные экосистемы

Мы никогда не делаем что-то одно. Любое вмешательство в природу имеет различные последствия, часто непредсказуемые.

Например: 1.кролики в Австралии;

2.борьба с малярией на о. Северное Борнео (сейчас Бруней)

1950-е гг. - эпидемия малярии

1955 г. - распыление диэлдрина (пестициды) для борьбы с комарами

эпидемия прекратилась, комары исчезли

но: погибли другие насекомые, в т.ч. мухи и тараканы

погибли маленькие ящерицы, которые жили в домах и питались тараканами

погибли кошки, наевшиеся дохлых ящериц

быстро размножились крысы

угроза чумы

для исправления ситуации на остров на парашютах сбросили здоровых кошек

III. Антропогенные экосистемы

Сельскохозяйятвенные системы - экосистемы на ранних стадиях сукцессий (высокопродуктивные, но сильно упрощенные). Проблема - вторжение других видов (сорняков, вредителей, болезней). Требуются большие затраты энергии и ресурсов для поддержания таких экосистем.

Задача - сохранить баланс между упрощенными антропогенными экосистемами и соседствующими более сложными природными экосистемами, от которых в итоге зависят антропогенные экосистемы.

IV. Законы экологии (в виде афоризмов)

- все связано со всем (принципы взаимосвязи);

- мы не можем делать что-то одно (принцип сопутствующих последствий);

- все куда-либо движется (любое химическое вещество рано или поздно попадает в окр. среду);

- всему есть предел (ресурсы и системы жизнеобеспечения Земли не бесконечны, никакая

популяция не может расти бесконечно);

- природа знает лучше (принцип сложности: природа не только более сложна, чем мы о ней думаем, она гораздо сложнее, чем мы можем себе это представить).

Человеческий организм состоит из химических соединений, химических элементов, и окружающая его среда, живая и неживая, также состоит из химических соединений и элементов. Жизнь всего живого на планете сопровождается перемещением и превращениями веществ. Но вещества в природе должны находиться в определенном месте и в определенном количестве и перемещаться с определенной скоростью. При нарушении пределов, случайном, непреднамеренном или искусственно вызванном, возникают серьезные нарушения в функционировании природных объектов и систем или в жизни человека.

Проблема влияния веществ на живые организмы насчитывает более чем тысячелетнюю историю. Вглубь веков уходят предания о встречах людей с ядовитыми растениями и животными, об использовании ядов для охоты, в военных целях, в религиозных культах и т.п. Учение о вредном действии веществ на организм человека разрабатывали Гиппократ (около 460-377 г г. до н.э.), Гален (около 130-200 г г.), Парацельс (1493-1541 г г.), Рамацзини (1633-1714 г г.).

Развитие химии в XVIII-XIX веках дало новый толчок развитию учения о ядах, потерявших к тому времени свое мистическое значение. Это учение начало опираться на знание строения и свойств вещества. Научно-техническая и промышленная революция ХХ века сделала проблему воздействия веществ на живые объекты особенно актуальной. Научная и хозяйственная деятельность человека привела в настоящее время к воздействию на человека и окружающую среду миллионов химических соединений, многие из которых раньше были несвойственны нашей биосфере.

Следует отметить, что факторы вредного воздействия хозяйственной деятельности на человека и окружающую среду бывают разнообразными. Можно выделить три группы факторов воздействия: физические, химические и биологические. По этому же принципу классифицируются загрязнения и загрязнители. К физическим относятся механические, тепловые, шумовые, радиационные; к биологическим - микроорганизмы и продукты их жизнедеятельности.

Основные определения

Токсикология (от греческого toxicon - яд, logos - учение) - наука о потенциальной опасности вредного воздействия веществ на живые организмы и экосистемы. Она изучает также механизмы токсического действия, диагностику, профилактику и лечение отравлений.

Токсикологию можно подразделить на три обобщенных и взаимосвязанных направления:

Экспериментально-теоретическое, профилактическое (гигиеническое) и клиническое. Первая из них изучает основные закономерности взаимодействия вещества с биологическими объектами.

Профилактическая токсикология занимается предупреждением потенциальной опасности вредного воздействия веществ на живые организмы и экосистемы.

Клиническая токсикология исследует заболевания, возникающие вследствие влияния на человека химических веществ окружающей среды.

Особое место принадлежит промышленной токсикологии, изучающей действие на человека вредных веществ, встречающихся в производственных условиях, с целью разработки санитарно-гигиенических и лечебно-профилактических мероприятий, направленных на создание наиболее благоприятных условий труда

Токсикология экологическая - относительно молодой раздел токсикологии, изучающей действие веществ на живые объекты, популяции, экосистемы. При этом основное внимание уделяется не отдельным организмам, а их связям, т.е. биоценозам и экосистемам, а также трансформации веществ в окружающей среде.

Понятие о вредном веществе

Одним из центральных понятий токсикологии является понятие о вредном веществе.

По этому поводу еще Парацельс говорил: «Все есть яд и ничто не лишено ядовитости.». То есть одно и то же вещество может быть вредным (ядом), лекарством и необходимым для жизни средством в зависимости от его количества и условий взаимодействия с организмом. Графически его иллюстрирует рис. 1.

Рис. 1 Эффекты воздействия веществ на живой объект.

Ксенобиотики (от греч. xenos - чужой и bios - жизнь) чужеродные для организмов соединения. К ним относятся промышленные загрязнения, пестициды, препараты бытовой химии, лекарственные средства и т.п., т.е. вещества не образующиеся в живом объекте, а синтезируемые искусственно человеком.

Для некоторых веществ может не быть зоны отрицательного воздействия при малых дозах веществ. Это так называемые заменяемые вещества, недостаток которых может быть компенсирован другими веществами.

Для большинства веществ существуют зоны отрицательных эффектов как при больших, так и при малых концентрациях. Например, соединения хрома, присутствующие в некоторых биогеохимических аномалиях и попадающие в окружающую среду также с промышленными и хозяйственно-бытовыми сточными водами, представляют опасность для живых организмов.

В то же время, хром - биологически активный элемент, он участвует в обмене нуклеиновых кислот, входит в состав ферментных систем. Среднесуточная физиологическая потребность взрослых людей в хроме составляет 150-200 мкг/сут. При недостатке хрома у животных наблюдались угнетение роста, сокращение продолжительности жизни, нарушение обмена глюкозы, белка, поражение роговицы.

Вредные вещества, образующиеся в организме, называются эндогенными, образующиеся вне организма экзогенными (чуждые живому организму).

Вредные вещества характеризуются степенью токсичности и опасности. Под токсичностью вещества понимают способность наносить вред живому. Токсичность (toxicity) - это мера несовместимости вещества с жизнью (И. В. Саноцкий, 1970). Опасность вещества (hazard) - это довольно широкое понятие, характеризующее вероятность вредного воздействия вещества в реальных условиях производства и применения. Поэтому опасность веществ не может характеризоваться одной величиной для всех случаев, а имеет ряд параметров. Эти параметры будут подробно рассмотрены в разделе токсикометрии.

.Толерантность - способность организма переносить воздействие определенных количеств веществ без развития токсических эффектов.

Основные типы классификаций вредных веществ (ядов) и отравлений

Имеется большое количество различных классификаций вредных веществ и отравлений, отражающих с одной стороны многообразие свойств веществ и их биологического действия, с другой - разнообразие подходов к данной проблеме различных специалистов.

Классификация по «избирательной токсичности» делит вредные вещества на «сердечные яды», «нервные яды», «яды печени», «почечные яды», «яды крови», «желудочно-кишечные яды», и т.п.

В классификации отравлений вещества делят по причине возникновения отравлений, по характеру развития отравлений и по химической природе вредных веществ и их групп или классов. По характеру развития отравлений различают острые отравления и хронические . Острые отравления развиваются при однократном поступлении в организм токсической дозы и резким, ярко выраженным началом заболевания. При хронических отравлениях происходит длительное, иногда дискретное поступление вредных веществ в малых (субтоксических) дозах. При этом признаки заболевания появляются не сразу и не так ярко выражены, как при острых отравлениях.

Химические вещества могут оказывать разнообразное вредное воздействие на живой организм. Они могут вызывать воспаление, дистрофические изменения; лихорадку, аллергические заболевания. Вредные вещества вызывают изменения в нервной системе, поражение органов дыхания, изменения в сердечно-сосудистой системе, в крови, в органах пищеваренния, в мочевыделительной и половой системах, в эндокринной системе, вызывают изменения костной системы, кожи, ее придатков. Вредные химические вещества могут вызывать отдаленные последствия воздействия их на биологический объект. К ним относится нарушение развития плода (эмбриотропное и тератогенное действие), повреждение наследственного аппарата клетки (мутагенное действие) и злокачественное перерождение клетки (канцерогенное действие).

Основные стадии взаимодействия вредного вещества с биологическим объектом

В первой фазе - токсикогенной наиболее сильно проявляется специфическое воздействие вредного вещества на организм. В этом случае вредное вещество находится в организме в больших концентрациях. Одновременно могут начинаться процессы, лишенные «химической» специфичности, носящие в начале характер защитных реакций. Эти процессы наиболее ярко проявляются во II клинической стадии острых отравлений - самотогенной. Она наступает после удаления или «обезвреживания» вредного вещества в организме, т.е. общий токсический эффект, как мы уже отмечали выше, является результатом специфического токсического действия - «химической травмы» и неспецифических реакций орагнизма. Основной стадией, когда концентрация достигает максимума, является стадия разорбции (поглощения) токсического вещества, когда мы имеем возрастание общей и действующей дозы на фоне поступления токсического вещества. При прекращении поступления вещества, концентрация его может снижаться за счет компенсаторских и выделительных (экскреторных) возможностей организма. Например, за счет метаболических процессов, процессов его выделения (экскреции), также за счет определенной детоксикации биологически активными веществами организма. Эта стадия определяется как элиминация, т.е. удаление вредного вещества или снижение его действующей концентрации вблизи рецептора.