Skip to main content

Die ökologischen Beziehungen stoffwechselnder Systeme vom Standpunkt der Regelungstheorie

The ecological relations of metabolizing systems from the view point of cybernetics

Abstract

An attempt has been made to classify the patterns of change that occur in metabolizing biological systems under the influence of environmental changes. It was found useful to distinguish between three types of changes: a) control: the system responds to environmental changes by analogous changes of one or several of its variables. b) homoeostasis: the system responds to environmental changes by activation of compensating mechanisms which tend to minimize the deviation of the system from a given state. c) “switching” phenomena: the system responds to environmental changes by the activation of new processes which cause the system to move from one state into another state. — It is emphasized that the presently known mechanisms of cellular regulation (regulation of gene activity, end-product inhibition, enzymatic regulation) in combination with nervous and hormonal factors suffice to suggest a few, albeit crude, models for the explanation of adaptive phenomena in organisms. To improve these models the interactions between components of living systems as well as the transmission and integration of information on the cellular level will have to be studied in more detail.

Zusammenfassung

1. Es wurde ein Versuch gemacht, die Veränderungen, die sich in stoffwechselnden Systemen unter dem Einfluß von Umweltänderungen abspielen, zu klassifizieren. Dabei erwies sich als günstig, zwischen drei Formen der Veränderung zu unterscheiden, nämlich: a) Steuerung: das System reagiert auf Umweltsänderungen mit analogen Veränderungen einer oder mehrerer seiner Variablen; b) Regelung: das System reagiert auf Umweltsänderungen mit der Aktivierung kompensierender Mechanismen, die die Abweichung des Systems von einem Sollzustand so gering wie möglich zu halten trachten; c) Umschaltung: das System reagiert auf Umweltsänderungen mit der Aktivierung neuer Prozesse, die die Überführung des Systems von einem Zustand in den nächsten bewirken.

2. Die bisher bekannt gewordenen Mechanismen zellulärer Regulation erlauben in Verbindung mit nervösen und hormonalen Faktoren die Formulierung einiger Modelle zur Erklärung von Anpassungserscheinungen bei Organismen.

3. Eine Verbesserung dieser Modelle bedarf eines genaueren Studiums der Verknüpfungsweisen der Bauelemente lebendiger Systeme sowie der Übertragung und Verarbeitung von Information auf zellulärer Ebene.

Zitierte literatur

  1. Ashby, R., 1960. Design for a Brain. 2nd ed. John Wiley & Co., New York, 286 pp.

    Google Scholar 

  2. Baldwin, E., 1952. Dynamic Aspects of Biochemistry. Cambridge Univ. Press, 544 pp.

  3. Barnes, H., 1957. Processes of restoration and synchronization in marine ecology.Ann. biol., Paris, 3. ser.33, 67–85.

    Google Scholar 

  4. Barron, G. E. S., 1958. The regulatory mechanisms of cellular respiration.In: Perspectives in marine biology (edited by A. A. Buzzati-Traverso). Univ. of California Press, pp. 211–232.

  5. Bullock, T. H., 1955. Compensation for temperature in the metabolism and activity of poikilotherms.Biol. Rev. 30, 311–342.

    Google Scholar 

  6. Bünning, E., 1963. Die physiologische Uhr. 2. Aufl. Springer, Berlin-Göttingen-Heidelberg, 153 pp.

    Google Scholar 

  7. Chance, B., 1961. Control characteristics of enzyme systems.Cold Spr. Harb. Symp. quant. Biol. 26, 289–299.

    Google Scholar 

  8. Clever, U. &Karlson, P., 1960. Induktion von Puff-Veränderungen in den Speicheldrüsenchromosomen vonChironomus tentans durch Ecdyson.Exp. Cell Res. 20, 623–626.

    Google Scholar 

  9. Davis, B. D., 1961. The teleonomic significance of biosynthetic control mechanisms.Cold Spr. Harb. Symp. quant. Biol. 26, 1–10.

    Google Scholar 

  10. Dehnel, P. A., 1955. Rates of growth of gastropods as a function of latitude.Physiol. Zoöl. 28, 115–144.

    Google Scholar 

  11. Dunbar, M. J., 1962. The life cycle ofSagitta elegans in arctic and subarctic seas.J. Mar. Res. 20, 76–91.

    Google Scholar 

  12. Giese, A. C., 1959. Comparative physiology: annual reproductive cycles of marine invertebrates.Annu. Rev. Physiol. 21, 547–576.

    Google Scholar 

  13. Goldman, S., 1960. Cybernetic aspects of Homeostasis.In: Mineral Metabolism. (edited by C. L. Comar & F. Bronner). vol. I, Part A, Academic Press, New York and London, pp. 61–100.

    Google Scholar 

  14. Gorini, L., 1958. Regulation en retour (feedback control) de la synthése de l'arginine chezEscherichia coli. Bull. Soc. Chim. biol., Paris40, 1939–1952.

    Google Scholar 

  15. Grainger, J. N. R., 1958. First stages in the adaptation of poikilotherms to temperature change.In: Physiological adaptation (edited by C. L. Prosser) Am. Physiol. Soc. Washington, D. C., pp. 79–91.

    Google Scholar 

  16. Hassenstein, B., 1960. Die bisherige Rolle der Kybernetik in der biologischen Forschung.Naturw. Rdsch. Jg. 13, Heft 9–11, 1–24.

  17. Hensel, H., 1955. Mensch und warmblütige Tiere.In: Temperatur und Leben. Springer, Berlin, Göttingen, Heidelberg, pp. 329–466.

    Google Scholar 

  18. Holzer, H., 1961. Wirkungsmechanismus der Zytostatika.Dtsch. med. J. 12, 312–317.

    Google Scholar 

  19. —— 1963. Intrazelluläre Regulation des Stoffwechsels.Naturwissenschaften. Jg. 50, 260–270.

    Google Scholar 

  20. Jacob, F. &Monod, J., 1961. On the regulation of gene activity.Cold Spr. Harb. Symp. quant. Biol. 26, 193–212.

    Google Scholar 

  21. Jungstand, W., 1962. Untersuchungen über die Neurosekretion und deren Abhängigkeit von verschiedenen Außenfaktoren bei der LungenschneckeHelix pomatia L.Zool. Jb. allgem. Zool. 70, 1–23.

    Google Scholar 

  22. Korringa, P., 1957. Water temperature and breeding throughout the geographical range ofOstrea edulis.Ann. biol., Paris, 3. ser.33, 1–17.

    Google Scholar 

  23. Lasiewski, R. C., 1963. Oxygen consumption of torpid, resting, active and flying humming birds.Physiol. Zoöl. 36, 122–140.

    Google Scholar 

  24. Loosanoff, V. L. &Davis, H. C., 1952. Repeated semiannual spawning of northern oysters.Science 115, 675–676.

    Google Scholar 

  25. Lynen, F., Hartmann, G., Netter, K. F. &Schuegraf, A., 1959. Phosphate turnover and Pasteur effect. Ciba Foundation Symp. Regulation of Cell Metabolism. J. & A. Churchill, London, pp. 256–273.

    Google Scholar 

  26. McLean, F. C., 1960. Introduction: Homeostasis in Mineral Metabolism.In: Mineral Metabolism (edited by C. L. Comar & F. Bronner), vol. I, Part A, Academic Press, New York and London, pp. 1–10.

    Google Scholar 

  27. Mittelstaedt, H., 1954. Regelung in der Biologie.Regelungstech. 2, 177–181.

    Google Scholar 

  28. —— 1961. Die Regelungstheorie als methodisches Werkzeug der Verhaltensanalyse.Naturwissenschaften 48, 246–254.

    Google Scholar 

  29. Monod, J., 1956. Remarks on the mechanism of enzyme induction.In: Units of Biological Structure and Function. Academic Press, New York and London, pp. 7–28.

    Google Scholar 

  30. Morgan, A. H. &Fales, C. H., 1942. Seasonal conditions and effects of low temperatures in the thyroid glands of amphibians.J. Morph. 71, 357–387.

    Google Scholar 

  31. Munday, K. A. &Thompson, B. D., 1962. The effect of osmotic pressure on the activity ofCarcinus maenas mitochondria.Comp. Biochem. Physiol. 6, 277–288.

    Google Scholar 

  32. Orton, J. H., 1920. Sea-temperature, breeding and distribution in marine animals.J. Mar. biol. Ass. U. K. 12, 339–366.

    Google Scholar 

  33. Peiss, C. N. &Field, J., 1950. The respiratory metabolism of excised tissues of warm- and cold-adapted fishes.Biol. Bull., Woods Hole 99, 213–224.

    Google Scholar 

  34. Precht, H., 1951. Der Einfluß der Temperatur auf die Atmung und einige Fermente beim Aal (Anguilla vulgaris L.).Biol. Zbl. 70, 71–85.

    Google Scholar 

  35. —— 1955. Wechselwarme Tiere und Pflanzen.In: Temperatur und Leben. Springer, Berlin, Göttingen, Heidelberg, pp. 1–177.

    Google Scholar 

  36. Prosser, L. C., Editor, 1950. Comparative Animal Physiology. W. B. Saunders Co. Philadelphia and London, 888 pp.

    Google Scholar 

  37. Ranke, O. F. &Keidel, W. D., 1960. Physiologie des Zentralnervensystems vom Standpunkt der Regelungslehre. Urban & Schwarzenberg, München-Berlin, 133 pp.

    Google Scholar 

  38. Roberts, J. L., 1961. The influence of photoperiod upon thermal acclimation by the crucian carp,Carassius carassius L.Zool. Anz. 24 (Suppl.), 73–77.

    Google Scholar 

  39. Roots, B. I. &Prosser, C. L., 1962. Temperature acclimation and the nervous system in fish.J. exp. Biol. 39, 617–630.

    Google Scholar 

  40. Rosenblueth, A., Wiener, N. &Bigelow, J., 1943. Behaviour, Purpose and Teleology.Philosoph. Sci. 10.

  41. Schlieper, C., 1952. Versuch einer physiologischen Analyse der besonderen Eigenschaften einiger eurythermer Wassertiere.Biol. Zbl. 71, 449–461.

    Google Scholar 

  42. Scholander, P. F., Flagg, W., Walters, V. &Irving, L., 1953. Climatic adaptation in arctic and tropical poikilotherms.Physiol. Zoöl. 26, 67–92.

    Google Scholar 

  43. Smith, R. E., 1956. Quantitative relations between liver mitochondria metabolism and total body weight in mammals.Ann. N. Y. Acad. Sci. 62, 403–422.

    Google Scholar 

  44. Strangways-Dixon, J., 1961. The relationship between nutrition, hormones and reproduction in the blowflyCalliphora erythrocephala (Meig.). I.J. exp. Biol. 38, 225–235.

    Google Scholar 

  45. Umbarger, H. E., 1956. Evidence for a negative-feedback mechanism in the biosynthesis of isoleucine.Science 123, 848.

    Google Scholar 

  46. Valèn, E., 1958. Oxygen consumption in relation to temperature in some poikilotherms.Acta physiol. scand. 42, 358–362.

    Google Scholar 

  47. Wiener, N., 1948. Cybernetics. The Mass. Inst. Technol. Press, 165 pp.

  48. Wieser, W., 1963a. Parameter des Sauerstoffverbrauches. II.Z. vergl. Physiol. 47, 1–16.

    Google Scholar 

  49. —— 1963b. Die Organisation der Lebewesen als technisches Problem.Mathematik, Technik, Wirtschaft, Wien, Jg. 10, 17–22.

    Google Scholar 

Download references

Author information

Affiliations

Authors

Rights and permissions

Reprints and Permissions

About this article

Cite this article

Wieser, W. Die ökologischen Beziehungen stoffwechselnder Systeme vom Standpunkt der Regelungstheorie. Helgolander Wiss. Meeresunters 9, 356–370 (1964). https://doi.org/10.1007/BF01610049

Download citation

  • Issue Date:

  • DOI: https://doi.org/10.1007/BF01610049