Глава 4 процессы управления в живых системах

ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Управление — один из важнейших процессов в живом организме. В литературе часто слова «управление» и «регуляция» используются как синонимы.

Итак, управление — это совокупность действий, производимых над органом или систе-. мой (над органами или системами), направленных на достижение определенной цели или положительного для организма результата.

Управление может осуществляться за счет: а) регуляции, б) инициации, в) координа­ции. Под регуляцией можно понимать управление деятельностью органа (системы), кото­рый работает в автономном режиме (обладает свойством автоматии). Например, сердце обладает свойством автоматии, поэтому управление его деятельностью может происходить за счет усиления или торможения его сокращений. Регуляция может проявляться в двух вариантах: торможение или активация (стимуляция) деятельности органа.

Инициация — это процесс управления, при котором происходит запуск деятельности органа, не обладающий свойством автоматии. Например, инициируется деятельность ске­летных мышц (совершение фазных сокращений или поддержание позы). Отметим, что в физиологической литературе не выделяется такой способ управления как инициация, хотя он очевиден.

Координация — это вид управления, при котором согласуется деятельность нескольких органов или систем одновременно и такое управление направлено на получение положи­тельного (полезного для организма) результата. По сути этот вид управления — функцио­нальные системы в понимании П. К. Анохина.

СРЕДСТВА УПРАВЛЕНИЯ (РЕГУЛЯЦИИ)

В организме существует ряд структур, которые участвуют в процессах управления.

1. БАВ-лродуцирующие клетки.

2. Эндокринные железы.

3. Центральная нервная система.

4. Органы и системы, которые управляются^ Они содержат механизмы, используемые в процессах регуляции. Например, в сердце есть периферические рефлекторные дуги, или в органе — гладкие мышцы, которые в ответ на растяжение могут повышать свой тонус, или в мембране клетки содержатся ионные каналы, управляемые рецепторами и т. д.

Все эти конкретные материальные образования (субстраты) участвуют в процессах уп­равления. Различают три основных вида регуляции — гуморальную, местную и нервную.

Местная регуляция осуществляется в трех вариантах. 1) По типу нервной регуляции — за счет наличия в органе периферической рефлекторной дуги, например, Мейсснерово и Ауэрбахово сплетения в желудочно-кишечном тракте, внутрисердечные рефлекторные дуги. Эти внутриорганные системы получили, по А. Д. Ноздрачеву, название — метасимпатиче-ская нервная система. 2-й вариант.-— по типу гуморальной регуляции — в мышце во время работы могут накапливаться метаболиты, и они служат участниками процесса регуляции микроциркуляции в этой мышце. Например, в скелетных мышцах имеются сосуды, иннер-вируемые симпатическими адренергическцми волокнами. В условиях покоя адренергичес-кие влияния за счет взаимодействия норадреналина с альфа-адренорецепторами ГМК сосу­да вызывают сужение сосуда. В работающей мышце появляются метаболиты — молочная

34

кислота, аденозиндифосфат, ионы К — они могут «маскировать» альфа-адренорецепторы ГМК и блокировать суживающее действие адренергических волокон. В работающих мыш­цах диаметр сосудов возрастает, что создает условие для гиперемии (рабочая гиперемия мышцы). 3-й вариант местной регуляции осуществляется за счет использования физичес­ких, физико-химических, биохимических и физиологических свойств объекта регулирова­ния. Например, в мышцах имеется система регуляторных белков — тропонина и тропоми-озина, которая позволяет регулировать состояние актина и миозина (сокращение — рас­слабление). Другой пример: кровенаполнение в сосудах мозга не должно зависеть от сис­темного давле!шя (давления в сонной артерии). Когда давление возрастает (по каким-либо причинам), то просвет сосудов, питающих головной мозг в ответ на это остается прежним — это обусловлено тем, что при повышенном давлении активность ГМК возрастает, сохра­няя прежний диаметр (просвет) сосуда. Так регулируется диаметр сосуда с участием мест­ных механизмов.

Гуморальная регуляция — это регуляция (управление) деятельностью органа или систе­мы за счет воздействия на них через специфические,рецепторы гормонов или БАВ. Гормо­ны и БАВ могут выделяться в общее русло крови, но их конечный эффект определяется в основном наличием в соответствующем органе-мишени специфических рецепторов. При их наличии орган будет отвечать на воздействия, при отсутствии — прямое влияние гормо­на или БАВ почти исключено. Частные вопросы гуморальной регуляции будут подробно рассмотрены в лекциях по эндокринологии.

Нервная регуляция — это регуляция (управление) с помощью специально предназна­ченной для этих целей структуры — ЦНС. Можно говорить о двух вариантах нервной регу­ляции: соматической — регуляции деятельности скелетной мускулатуры и анализаторов, и вегетативной — регуляции деятельности внутренних органов.

Прежде чем осуществить знакомство с принципами устройства нервной системы и ме­ханизмами, посредством которых ЦНС способна управлять деятельностью органов и сис­тем, целесообразно рассмотреть некоторые общие представления о процессах управле­ния. Они сформулированы в кибернетике и отражены в теории функциональных систем (П.К. Анохин).

Кибернетика — это наука об общих принципах управления в машинах, живых системах и обществе. Биологическая (и как ее варианты — физиологическая и медицинская) кибер­нетика изучает процессы управления в организме. Рассмотрим основные принципы управ­ления, которые сформулированы кибернетикой.

«Кибернетическая система» — это такая система, в которой можно выделить: 1) управ­ляющее устройство, 2) объект управления, 3) канал прямой связи, по которому к объекту управления идет управляющее воздействие. Результатом деятельности объекта управле­ния является какой-то параметр или группа параметров. Именно из-за результата действия (обозначим его как X_L) происходит процесс управления. Конечно, это самая простая систе­ма. Более сложные кибернетические системы могут включать в себя много других атрибу­тов, например, канал обратной связи, измерительное устройство, предназначенное для оцен­ки результата действия или для измерения возмущающего сигнала, действующего на объ­ект управления.

В кибернетике выделяют три основных принципа управления, аналоги которых мы до­статочно легко находим в организме: I) по рассогласованию (по ошибке), 2) по возмуще­нию и 3) по прогнозированию. В организме имеет место комбинация этих трех принципов. Задача физиолога (и студента при изучении основ физиологии) — выделить все компонен­ты кибернетической системы, принцип управления.

1. Принцип управления по рассогласованию (по ошибке). Имеется УУ (управляющее ус­тройство), ОУ (объект управления), канал прямой связи, управляющее воздействие — У, результат деятельности системы — X,, а также — канал обратной связи, который содержит измерительное устройство, позволяющее оценить величину X, и передать информацию о ней в УУ. На входе этой информации в УУ имеется так называемый аппарат сравнения (АС), в котором происходит сравнение величины Xj с величиной Хд — с уставкой (эта величина

35

задается вышерасположенной системой, выше по рангу, по иерархии). Если имеет место ошибка (е-эпсилон), т. е. разность между Х„ и X, существенна, то в УУ вырабатывается такая система команд, которая, доходя до ОУ, меняет его деятельность таким образом, что­ бы X, приблизился к уставке, X, -^ Х_о. . . , . ...

2. Принцип управления по возмущению. В этом случае замеряется величина возмущаю­ щего воздействия (М), информация о чем поступает в управляющее устройство, которое вырабатывает систему команд (управляющее воздействие), в результате чего меняется дея­ тельность объекта управления так, что регулируемый параметр остается на постоянном уровне, несмотря на действие возмущения. Пример: при низкой температуре на улице тер­ морецепторы улавливают эту ситуацию и в результате, еще до того, как возникнет смеще­ ние температуры крови, произойдут такие изменения в исполнительных органах, которые приведут к сохранению постоянства температуры крови.

3. Принцип управления по прогнозированию. Ситуация такова: на объект еще не дейст­ вует возмущающее воздействие, но уже имеется сигнал (сообщение) о том, что в ближай­ шее время возмущение будет действовать на объект управления* и это может привести к отклонению параметра от задаваемого уровня. Для того чтобы сохранить регулируемый параметр на заданном уровне, досрочно (загодя) меняется деятельность объекта управле­ ния. Это осуществляется на основе поступления в УУ информации о предстоящем дейст­ вии возмущения. . .

В организме человека и животных часто эти три принципа управления соединены в еди­ное целое, т, е. в комбинацию трех принципов управления. Такую схему несложно «постро­ить» на основании вышеизложенного.

Задача физиологов — обнаружить, какой принцип управления действует в данной сис­теме, что является УУ, ОУ, какой конкретно вид имеет канал прямой связи, канал обратной связи, что является измерительным устройством и т. п., провести идентификацию физиоло­гических процессов с позиций кибернетики. Это упрощает анализ физиологических меха­низмов, стандартизует процедуру исследования и является своеобразным алгоритмом.

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

Еще в 30-е годы ученик И.П. Павлова — Пётр Кузьмич Анохин, в последующем академик АН СССР — поставил вопрос; каким образом организм как совокупность отдельных органов. и систем выполняет свои задачи, каким образом он достигает положительных для организма целей. С позиций классической физиологии того времени, в том числе учения о рефлексах (безусловных и условных) нельзя было дать ответ на этот вопрос. Ц, предвосхищая развитие кибернетики, П. К. Анохин предложил свою концепцию для объяснения проблем управления. Она получила название теории функциональных систем. В последующие годы теория была развита и в настоящее время, по мнению ряда физиологов, является ведущей теорией, объяс­няющей принципы нервной регуляции, принципы управления в живых системах.

Теория функциональных систем предполагает, что в организме имеется управляющее устройство (по терминологии П.К. Анохина — «центральная архитектура'»), которое уп­равляет многими органами или системами, входящими в данную функциональную систему и работающими ради получения определенного конкретного результата действия, а точнее — положительного приспособительного результата. Иначе говоря, системы создаются, ради получения положительного результата. Отсюда, по П.К. Анохину, результат действия — это системообразующий фактор, именно результат организует систему. С точки зрения ФС (функциональных систем) можно говорить о 4-х вариантах результатов.

1. Показатели внутренней среды организма, которые определяют нормальный метабо­ лизм тканей (например, рН, рСО₂, рО₂, величина артериального давления и т.п.).

2. Результаты поведенческой деятельности, которые удовлетворяют основные биологи* ческие потребности организма — в том числе, пищевые, питьевые, половые и т. п.

3. Результаты стадной деятельности животных, удовлетворяющие потребности сооб­ ществ.

36

4) Результаты социальной деятельности человека, удовлетворяющие его социальные потребности.

По мнению П.К. Анохина, любая ФС состоит из 5 основных компонентов (он называ­ет, в целом, общее представление о структуре ФС как операционная архитектоника ФС): 1) Полезный приспособительный результат (ведущее звено ФС). 2) Рецептор результата (в кибернетических представлениях — это измерительное устройство). 3) Обратная аффе-рентация — информация, идущая от рецептора в центр (в кибернетике — это канал обратной связи). 4) Центральная архитектура (нервные центры, а в кибернетике — это управляющее устройство). 5) Исполнительные компоненты (в кибернетике — это объект управления).

Таким образом, данное представление мало чем отличается от схем кибернетики. В этом, кстати, и проявилось предвосхищение идей кибернетики. Но главное отличие состоит в том, что по П.К. Анохину, ФС — это динамические образования: если результат получен, то система может быть ликвидирована. И второе важное положение: П.К. Анохин подроб­но рассмотрел деятельность (функционирование) центра, центральной архитектуры. Со­гласно П.К. Анохину, центральная архитектура включает в себя ряд логических блоков, решающих вполне определенную задачу, и в итоге вся ФС получает искомый полезный результат. Что же включает в себя центральная архитектура?

По П.К. Анохину, здесь имеется следующая последовательность блоков.

1. Блок афферентного синтеза, который па основе механизмов памяти и мотивации «про­сеивает» всю поступающую информацию (а за 1 с в мозг поступает огромное количество информации) и отбирает из нее наиболее нужную для организма в данный момент времени.

2. Блок принятия решения: в этом блоке на основе поступившей (отобранной) информа­ ции и на основе опыта (памяти) и мотивации принимается решение (что делать?). Копия этого решения передается в блок акцептора результата действия, а основная информация о принятом решении поступает в блок эфферентного синтеза.

3. Блок эфферентного синтеза — это блок, содержащий набор стандартных программ, отработанных в ходе индивидуального и видового опыта для получения положительных результатов. Задача блока — в данный момент времени выбрать наиболее адекватную, наи­ более удобную программу для получения положительного результата, для достижения по­ ставленной цели.

37

4. Блок акцептора результата действия: в нем хранится копия принятого решения и про­ исходит сравнение получаемого реального результата с желаемым. Информация поступает сюда, следовательно, от двух источников — от блока принятия решения и от блока оценки результата действия.

5. Блок оценки результатов действия: когда система функционирует, то получается опре­ деленный результат ее деятельности. Этот результат оценивается (рецептор результата — см. выше) и информация о результате подается по каналу обратной связи (по П. К. Анохи­ ну — это обратная афферентация) в центры, в блок оценки результата действия, откуда она поступает в акцептор результата действия и сличается с копией (с планом). Если имеется достаточное соответствие между планом и фактическим результатом, то система выполни­ ла свою роль и может быть ликвидирована.

Часть ФС, направленных на поддержание констант организма, функционирует постоян­но в течение всей жизни. Часть ФС создаются для выполнения сиюминутной задачи, часть

— для выполнения задач, требующих годы, и т. д.

Итак, гипотеза есть. Но ее реальность — это большой вопрос. До настоящего времени идет поиск конкретных анатомических структур мозга, ответственных за указанные выше блоки. Идет поиск механизмов, посредством которых эти блоки способны выполнить соот­ветствующую функцию.

СИСТЕМОГЕНЕЗ

По П. К. Анохину, функциональные системы возникают всякий раз в зависимости от необходимости выполнения какой-то определенной задачи. В данном случае говорят о ре­зультате как о системообразующем факторе. Под системогенезом понимается историчес­кий аспект появления целого ряда ФС организма — в онтогенетическом аспекте. П.К. Аяо-хин выделил два основных периода системогенеза: антенатальный (внутриутробный) и по-стнатальный (после рождения). Он полагал, что в антенатальном периоде созревают и оформ­ляются (с физиологической точки зрения) те системы, которые необходимы для развития плода, без которых невозможны жизнь плода и существование сразу после рождения. На­пример, по П. К. Анохину, у плода развиваются системы поддержания постоянства газово­го состава, системы, поддерживающие мышечный тонус, и т. п. Так, известно, что вестибу­лярный аппарат у плодов развивается рано н поэтому рано формируются веетибулоспи-нальные пути, управляющие тонусом мышц. В результате — внутриутробное расположе­ние плода (повышенный тонус сгибателей, головное предлежание) — это наиболее опти­мальный для него вариант расположения. Для родового акта также сформированы систе­мы, способствующие рациональному продвижению плода по родовым путям. К моменту рождения у плода должны созреть органы дыхания и вся ФС, направленная на поддержание газового состава среды. Это имеет, как правило, место и плод сразу же после рождения совершает первый вдох и в дальнейшем самостоятельно выполняет эту важную функцию

— поддержание постоянства газового состава крови. У новорожденного заранее созревают функциональные системы дыхания, питания, гомеостаза и т. п. В постнатальном периоде происходит становление (дозревание) других функциональных систем. В целом, П. К. Ано­ хин выдвигал принцип системной гетерохронии, т. е. разное по времени созревание ФС.

К. В. Судаков с сотрудниками активно продолжает разрабатывать теорию ФС и широко внедрять эту теорию в различные разделы физиологии.

Ученики П. К. Анохина внесли свой вклад и в представление о системогенезе. Напри­мер, постнатальный период дополнили еще двумя периодами: а) период зрелости и б) пери­од старения. То есть ФС проходят свою эволюцию по мере старения организма. В настоя­щее время перед физиологами стоит важная проблема — раскрыть конкретные внутрицен-тральные структуры, составляющие основу функциональных систем.