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聊一聊生命系统的负反馈

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负反馈是自然界形成平衡或稳定状态的典型机制。中国古代哲学通常会说阴阳平衡,但阴阳为什么要平衡呢?这个机制并没有阐述清楚。控制论的出现逐渐回答了一些复杂系统现象,也奠定了人类机械、电子设备中的控制理论基础。如图,负反馈就是指一个系统的输出,能否对输入产生负向的影响,从而让输出弱化。而弱化的输出,使得它对输入的弱化作用变弱,输入又呈现强化的趋势,从而产生往复的震荡最终形成稳定。生命系统存在怎样的负反馈呢?我从微观到宏观,逐一讨论。


IP属地:湖南来自Android客户端1楼2017-11-30 15:36回复
    分子水平。生命系统在分子水平,主要表现为基因调控网络和代谢网络。有很多例子表现,为了维持体内环境相对稳定的状态,形成了一些负反馈局部网络。例如,A基因激活B基因的表达,B基因表达产物反过来抑制A基因的表达;糖代谢时,当细胞内部ATP浓度过高时,就会抑制糖酵解的正向反应。因此,人体内部的平衡,并不是所谓的“正气”或者“阴阳”的作用,而是自然演化而来的这种负反馈控制机制发挥了调控作用。科学家在利用微生物合成生物能源时就发现产量始终上不去,因为产物在抑制合成的正向反应,于是就通过培养环境改造、基因改造等方式减弱或去除负反馈机制,实现人类的生产目的。


    IP属地:湖南来自Android客户端2楼2017-11-30 15:43
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      细胞水平。细胞周期通过检查点查看DNA复制质量,当出现损伤时,检查机制会暂停DNA的复制,直到修复完成后再继续。
      器官水平。激素的分泌通常会形成负反馈的平衡,例如,下丘脑分泌激素作用到垂体,再作用到肾上腺,分泌肾上腺素。而过多的肾上腺素又会起到抑制作用,从而产生平衡。


      IP属地:湖南来自Android客户端4楼2017-11-30 15:57
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        甚至生态水平。捕食者和被捕食者通常可以通过负反馈来调节。捕食者大量繁殖导致被捕食者种群密度降低,捕食者食物减少,种群密度也随之降低。被捕食者有了喘息机会,又大量繁殖…而人类种群密度增长后,被传染病袭击,同样是负反馈机制。所以,也有科学家认为碳排放的增加,有可能刺激森林的恢复。


        IP属地:湖南来自Android客户端5楼2017-11-30 15:59
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          负反馈实际上就是一种最简单的稳定机制。但它也有一定的问题,两个因素的反馈作用如果过强,有可能导致一个因素完全被消灭。还有,如果两个因素一开始偏离平衡太远,也难以回复平衡状态。所以,一般来说,生物系统会通过多套负反馈以及正反馈相互组合,形成复杂网络,来实现生物系统的稳健型。


          IP属地:湖南来自Android客户端6楼2017-11-30 16:02
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            负反馈的“函数”是周期函数。


            来自Android客户端7楼2017-12-30 23:13
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              IP属地:山东来自iPhone客户端8楼2017-12-31 09:12
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                生克制化,动态平衡


                IP属地:山东来自iPhone客户端9楼2017-12-31 09:13
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