生物控制系统

生物体内由器官和组织有机地联系起来，能实现某种控制或调节功能的有组织的系统称为生物控制系统。例如血压系统，它由心血管中枢、心血管系统以及压力感受器、化学感受器等器官组织构成，在身体中维持着血压的稳定。从更广的范围来看，在生物体的分子水平、细胞水平、器官水平、系统水平等各级水平上，都存在着功能各异的生物控制系统。
控制系统的具体结构多种多样，通常可分为控制部分（控制器），被控制部分（效应器）和反馈部分（感受器）三部分。
❶控制部分接受来自外界或体内的输入信号与反馈信号，进行比较并分析判断和处理，然后发出控制信号。例如血压、呼吸等系统中的控制部分由相应各级中枢构成，前庭动眼系统中由小脑皮质等组织构成；血糖系统中由胰腺β细胞和α细胞构成；
❷被控制部分接受并执行来自控制部分的控制信号，产生控制作用，实现相应的控制功能，其输出可能被反馈或输送到其它系统。例如在血压、呼吸等系统中，心肌、血管壁肌、膈肌、肋间肌等为被控制部分；在前庭动眼系统中，眼肌系统等为被控制部分；在血糖系统中，肝脏组织、外周组织等为被控制部分；
❸反馈部分负责监视和测量被控制部分的输出，产生相应的反馈信号送入控制部分。它的主要构成包括各系统相应的感受器和传入传出神经组织，有的还包括外周血循环系统等。典型的生物控制系统如图所示。

典型的生物控制系统

生物控制系统按传输特性可分为闭环系统和开环系统两类。
❶闭环系统： 由控制部分→被控制部分→反馈部分→控制部分形成闭环系统，称为闭环控制系统。闭环控制系统是生物控制系统中最普遍的形式，它有负反馈闭环和正反馈闭环两种形式。负反馈闭环系统的作用是使输出量与目标值的偏差减小，如血压、血糖、呼吸等系统都是负反馈闭环系统。正反馈闭环系统则是加强输出量的变化，其中有的系统可出现周期性变化的生理现象，如月经周期性变化现象等。闭环控制系统中只有一个反馈回路的称为单回路闭环系统，具有多个反馈回路的称为多回路闭环系统；
❷开环系统：由控制部分→被控制部分直接构成的系统称为开环控制系统。只有一个输出，一个输入的系统称为单变量控制系统； 具有多个输出或多个输入的系统称为多变量控制系统。例如将血中二氧化碳分压、氧分压、氢离子浓度同时作为呼吸系统的三个输出，则该系统为多变量控制系统。
生物控制系统可按控制目的分为生物调节系统和生物随动系统两大类。
生物调节系统 保持被控变量为目标值的系统称为生物调节系统。系统的输入为定值，它可被认为是由体内其它生物控制系统形成的综合信号。系统控制的目的是克服和消除体内外干扰的影响，保证输出维持在一定允许范围内。血压、呼吸、体温和血糖等系统都属于生物调节系统。控制过程可用单变量血糖控制系统为例说明。正常人饮食后血糖浓度的迅速增加，可认为是扰动引起的，即食物中的糖量作为干扰信号进入系统的被控制部分，引起血糖增高。血糖的增加量和变化率被系统中反馈部分——人体胰腺的β细胞所感知，产生反馈信号，直接送入β细胞中的细胞核和β颗粒等组织，形成与血糖变化率成比例的快速相胰岛素分泌和与血糖变化量成比例的慢速相胰岛素分泌，两者共同作为控制信号输入到被控制部分。血糖系统的被控制部分主要由肝脏、外周组织等组成，胰岛素控制信号通过降低肝脏糖的释放率以及促进外周组织糖的利用率使血糖迅速恢复到正常。生物随动系统 系统控制的目的是使输出按某种规律自动跟随输入的变化。眼球对目标运动的跟踪以及肢体运动等系统都属于生物随动系统。当人们观测一个运动的物体时，为保证视象落在视网膜中央凹附近，眼球和头部甚至躯体都随着目标移动而运动，使被追踪的目标不被丢失。此系统中，输入是目标运动，输出为眼球运动。目标在视网膜上运动产生视象偏移，视网膜细胞测出这种变化，经视神经将信息传给外侧膝状体及大脑皮质枕叶视中枢，高位中枢发出的信息与眼球运动中枢相联系，产生控制命令，控制眼球运动，使视象偏移减少，最终使眼球跟随目标的运动而运动。实际系统中还应包括前庭器官以及头部、眼外肌等本体感受器的反馈作用，它们将有助于减少跟踪的误差。