Homeostasis is one of the fundamental principles of physiology. It involves a balance achieved through a series of complex control mechanisms that regulate physiological processes. The human body is governed by thousands of control systems essential for organ function and the regulation of internal processes. The models of these systems allow us to understand qualitatively and quantitatively how physiological processes are controlled: they can be developed to estimate unmeasurable parameters, predict the future behavior of the system, or describe complex dynamic systems. This paper analyzes the importance of such mechanisms in physiological systems, starting with an overview of systems theory. This theory, an integral part of control engineering, studies how to guide a system towards a set goal by introducing control. In the first chapter, the most general characteristics of control systems are explored, starting from the definition of the control problem and leading to the description of some main models. The work then focuses on linear, compartmental, and, most importantly, feedback control systems. In the second chapter, the characteristics of physiology and homeostatic balance are analyzed. Homeostasis represents the ability of living organisms to maintain nearly constant internal conditions, regardless of external variability. It happens through control systems which are essential for vital activities, such as gas exchanges, glucose-insulin dynamics, and blood pressure regulation. In the third chapter, the focus is on the role of control, with attention to some examples, such as the activity of hormones and enzymes, in order to highlight how control is intrinsic to their physiological function. The role of control in the previously mentioned processes is also analyzed, along with the model that best describes them. In conclusion, the aim is to highlight how control mechanisms play an essential role in the physiological processes that keep us alive, and to recognize that an in-depth understanding of these processes is key to a more advanced future.
L’omeostasi è uno dei principi fondamentali della fisiologia. Si tratta di un equilibrio ottenuto grazie a una serie di complessi meccanismi di controllo che regolano i processi fisiologici. Il corpo umano, infatti, è governato da migliaia di sistemi di controllo essenziali per il funzionamento degli organi e per la regolazione dei processi interni. I modelli di questi sistemi consentono di comprendere in maniera qualitativa e quantitativa come i processi fisiologici vengano controllati: essi, infatti, possono essere sviluppati per stimare parametri non misurabili direttamente, per predire il comportamento futuro del sistema, o anche per descrivere sistemi dinamici complessi. Questo elaborato analizza l'importanza di tali meccanismi nei sistemi fisiologici, partendo da una panoramica sulla teoria dei sistemi. Questa teoria, parte integrante dell'automatica, studia come guidare un sistema verso un obiettivo prefissato mediante l'introduzione di un controllo. Nel primo capitolo, vengono approfondite le caratteristiche più generali dei sistemi di controllo, partendo dalla definizione di problema di controllo, fino ad arrivare alla descrizione di alcuni modelli principali. Di seguito, il lavoro svolto si concentra sui sistemi di controllo lineari, compartimentali e, soprattutto, a retroazione. Nel secondo capitolo, vengono analizzate le caratteristiche della fisiologia e dell’equilibrio omeostatico. L’omeostasi, infatti, rappresenta la capacità degli organismi viventi di garantire il mantenimento delle condizioni interne pressoché costanti, a prescindere dalla variabilità delle condizioni esterne, tramite sistemi di controllo che sono funzionali alle attività vitali come, ad esempio, gli scambi gassosi, la dinamica glucosio-insulina e la regolazione della pressione arteriosa. Nel terzo capitolo, ci si sofferma sul ruolo che il controllo assume con attenzione ad alcuni esempi, ovvero l’attività di ormoni ed enzimi, per evidenziare come esso sia intrinseco al loro fisiologico funzionamento. Si analizza anche il ruolo che il controllo gioca nei processi menzionati precedentemente, i quali vengono analizzati insieme al modello che meglio li descrive. In conclusione, lo scopo è quello di mettere in luce quanto i meccanismi di controllo rivestano un ruolo essenziale nei processi fisiologici che ci tengono in vita, e di riconoscere che un’approfondita conoscenza di tali processi sia la chiave per un futuro sempre più all’avanguardia.
IL RUOLO DEI MECCANISMI DI CONTROLLO NELL’OMEOSTASI E NEI PROCESSI FISIOLOGICI
GRANDIS, DIANA
2023/2024
Abstract
Homeostasis is one of the fundamental principles of physiology. It involves a balance achieved through a series of complex control mechanisms that regulate physiological processes. The human body is governed by thousands of control systems essential for organ function and the regulation of internal processes. The models of these systems allow us to understand qualitatively and quantitatively how physiological processes are controlled: they can be developed to estimate unmeasurable parameters, predict the future behavior of the system, or describe complex dynamic systems. This paper analyzes the importance of such mechanisms in physiological systems, starting with an overview of systems theory. This theory, an integral part of control engineering, studies how to guide a system towards a set goal by introducing control. In the first chapter, the most general characteristics of control systems are explored, starting from the definition of the control problem and leading to the description of some main models. The work then focuses on linear, compartmental, and, most importantly, feedback control systems. In the second chapter, the characteristics of physiology and homeostatic balance are analyzed. Homeostasis represents the ability of living organisms to maintain nearly constant internal conditions, regardless of external variability. It happens through control systems which are essential for vital activities, such as gas exchanges, glucose-insulin dynamics, and blood pressure regulation. In the third chapter, the focus is on the role of control, with attention to some examples, such as the activity of hormones and enzymes, in order to highlight how control is intrinsic to their physiological function. The role of control in the previously mentioned processes is also analyzed, along with the model that best describes them. In conclusion, the aim is to highlight how control mechanisms play an essential role in the physiological processes that keep us alive, and to recognize that an in-depth understanding of these processes is key to a more advanced future.File | Dimensione | Formato | |
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https://hdl.handle.net/20.500.12608/71622