Степанов - Основы медицинской гомеостатики

Чтобы изучать механизмы обеспечения гомеостаза, необходимо иметь ими­тационную модель, на которой можно было бы проигрывать различные режимы работы гомеостата. Такая имитационная модель была создана на основе сис­темы уравнений, где регуляторы представлены минимально достаточными за­конами управления: для Р1, Р2, Р3 - пропорционально-интегральным зако­ном, а для управления внутренним противоречием - пропорционально-диффе­ренциальным законом. Минимальная достаточность системы уравнений, описы­вающих поведение гомеостата, заключается в минимальности заложенных за­конов регулирования, но достаточна с точки зрения отражения работы ос­новных механизмов, которые действуют в гомеостате. Обратные связи для упрощения имитационной модели представлены как линейные и независимые, хотя в живых организмах они могут быть нелинейными и зависимыми, напри­мер скоростно-чувствительными и концентрационно-чувствительными. Управ­ляемый объект был представлен в виде звездообразной схемы замещения пе­редаточных функций. Эффект от такого регулирования при демпфировании больших возмущений будет тем большим, чем глубже внутреннее противоречие внедряется в объект.

Следует учесть, что в этом случае будут соответственно большими избы­точность и непроизводительные потери - своего рода "плата" за лучшие по­казатели в отношении качества регулирования, надежности и т.д. Вероятно, именно это обстоятельство послужило причиной, что такой способ регулиро­вания еще не нашел применения в технике. Однако сейчас, когда резко воз­растают требования к живучести, помехозащищенности систем управления особенно ответственными объектами, гомеостатические принципы управления будут привлекать все большее внимание и в технических задачах.

В разработанной схеме модели гомеостата новыми моментами являются: наличие противоречия между каналами и управление этим противоречием как "горячим" резервом; согласование управления заданиями Р1 и Р2 со стороны Р3; введение дифференциального метода включения каналов и сам объект с сохранением принципа конкурентного управления.

Для иллюстрации хороших динамических свойств гомеостата ниже приво­дится компьютерная осциллограмма переходного процесса при большом скач­кообразном возмущении, подаваемом в точку суммирования u1 и u2. Из ос­циллограммы (рис. 2а) видно, что при относительно сильном возмущении (q0/xst=5) гомеостаз быстро восстанавливается.

Рис. 2. Переходные процессы при скачкообразном возмущении в объекте. а- величина возмущения q0 = 100; б- предварительное отключение Р1 и за­тем приложение возмущения q0= 80.

Если величину q0 в тех же условиях увеличить до 110, то гомеостат по­теряет живучесть, т.е. способность поддерживать заданный гомеостазу y=xst.

Если по каким-либо причинам происходит отключение одного из каналов регулирования, например Р1, то гомеостаз после небольшого колебательного процесса восстанавливается (рис. 2б). Но в этом случае снижается адапта­ционный ресурс гомеостата, а следовательно, и его живучесть. Он способен при принятых условиях, выдержать без нарушения поддержания значений вы­ходного параметра y=xst величину возмущения q0 в диапазоне от-10 до +80, тогда как в норме выдерживает внешнее возмущение в диапазоне от -100 до +100. Таким образом, говоря языком биолога, границы нормы реакции гоме­остата по данному признаку значительно сужаются.

В механизмах гомеостата важную роль играет ВНУТРЕННЕЕ ПРОТИВОРЕЧИЕ, которое определяет внутреннюю управляемую конкуренцию и демонстрирует при этом мало изученные стороны закона единства и борьбы противополож­ностей. Разные философские системы указывали, что противоречия являются одним из определяющих в познании механизмов различных явлений в природе и обществе. Сейчас уже требуется осмысление и развитие этого понятия не только на философском уровне, но и на уровне системных исследований вплоть до создания методов количественной оценки противоречий.

ПРОТИВОРЕЧИЕ в гомеостатических системах - это характеристика разли­чия и противоположности целей подсистем, вызывающих конкурентную борьбу между ними с соответствующими негативными последствиями для этих подсис­тем ("плата" за противоречие), и позитивного эффекта для всей системы (в виде повышения качества управления и устойчивости системы). Формальным образом вводятся также понятия "остроты противоречия", "степени антаго­низма", "напряженности отношений", "компромисса" и т.п.

ОСТРОТА ПРОТИВОРЕЧИЯ - качественный показатель противоречия, опреде­ляемый через относительную противоположность целей "противоборствующих" подсистем. С формальной стороны острота противоречия рассматривается как степень разнонаправленности целей и как показатель их удаленности от осей баланса.

ПЛАТА ЗА ПРОТИВОРЕЧИЕ - это прагматическая оценка, характеристика не­гативных последствий в системах, вызванных действием между ними конку­рентных или конфликтных отношений.

Внутри больших систем могут одновременно существовать противоречия между целой совокупностью целей, а при превышении эквивалентной величи­ной противоречия какого-то предельного значения может возникать обрати­мая или необратимая потеря устойчивости системы вплоть до ее распада. В связи с этим появляется необходимость введения эквивалентных показателей противоречия, которые позволили бы оценивать интегральную характеристику противоречия. В качестве такой характеристики используется показатель напряженности отношений.

НАПРЯЖЕННОСТЬ ОТНОШЕНИЙ внутри системы - это интегральная характерис­тика противоречия, обобщенная по совокупности противоречивых целей и учитывающая значимость целей и фактор последействия.

Напряженность отношений в конструктивном плане снимается компромис­сом, т.е. некоторой платой каждой из конкурирующих сторон подсистем большой системы.

КОМПРОМИСС - это характеристика снятого противоречия, в общем случае определяемого через уменьшение величины противоречия, остроты и негатив­ных последствий его действия; компромисс требует от конкурирующих (конф­ликтующих) подсистем каких-либо уступок, которые являются "платой" за позитивные последствия компромисса. Управление компромиссом, а следова­тельно, и величиной противоречий для подсистем внутри большой системы, играет особенно важную роль в биологических системах.

В биологических системах можно выделить два основных типа разрешения противоречия: целенаправленные, стремящиеся обеспечить устойчивую и эко­номичную работу системы в нормальных и экстремальных условиях, и патоло­гические ("извращенные"), которые не способствуют достижению заданной цели функционирования системы.

ЦЕЛЕНАПРАВЛЕННЫМ ОБРАТИМЫМ РЕШЕНИЕМ ПРОТИВОРЕЧИЯ в процессе функцио­нирования гомеостатических систем является такое временное уменьшение внутреннего противоречия, которое либо обеспечивает сохранение баланса между конкурирующими каналами, либо способствует компенсации сильного внешнего воздействия.

ЦЕЛЕНАПРАВЛЕННЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ ПРОТИВОРЕЧИЯ В ПРОЦЕССАХ РАЗВИТИЯ гомеостатических систем будет такое изменение внутреннего противоречия гомеостата, которое в определенном отношении является адекватным уровню внешних возмущений и помех, действующих на гомеостат.

ПАТОЛОГИЧЕСКИМ РАЗРЕШЕНИЕМ ПРОТИВОРЕЧИЯ в гомеостатических системах будут такие изменения внутреннего противоречия, которые вызывают переход конкуренции между каналами гомеостата в конфликт и приводят к грубым на­рушениям гомеостаза.

Существенную роль в процессе функционирования больших активных систем может оказывать феномен паразитирования, вызванный особым видом противо­речия. Этот феномен часто служит началом деградирующих тенденций. Суть этого феномена состоит в том, что цели каждой подсистемы можно подразде­лить на цели, достигаемые в интересах всей системы (глобальные цели, ра­ди которых и существует данная подсистема), и цели жизнеобеспечения под­системы (цели ее собственных нужд). "Активные" подсистемы могут менять свои цели состояния в ущерб всей системе, например, гипертрофировать це­ли своего обеспечения и даже генерировать новые цели, направленные на удовлетворение своих "личных" интересов. Поскольку ресурс обычно ограни­чен, для достижения гипертрофированных целей одна из подсистем расходует на них большую его часть, а в пределе и весь ресурс.

Паразитирование может быть внутренним, внешне-замкнутым и также внеш­не-разомкнутым, когда отбирается ресурс от окружающей среды.

ПАРАЗИТИРОВАНИЕ - это избыточное потребление подсистемой ресурсов на свое жизнеобеспечение в результате гипертрофированного изменения своих частных целей в ущерб целям системы или окружающей среды.

Формально вводится индекс паразитирования, как один из видов "платы" за негативное проявление противоречия между действительным функциониро­ванием системы и тем, как она должна функционировать, исходя из заданных критериев оптимальности.

Гомеостатика вводит такие понятия, как ЗАПАС ПРОТИВОРЕЧИЯ и закон сохранения противоречия. Под запасом противоречия понимается избыточно создаваемые и поддерживаемые в гомеостате ресурсы пластических и энерге­тических веществ, которые могут использоваться при временном резком по­вышении их расхода для поддержания нормального функционирования системы в целом при ограничении притока ресурсов извне. В норме создаваемый из­быток нейтрализуется и таким образом существует потенциально, готовый быть вовлеченным в метаболизм в любой момент при необходимости. Противо­речие в природных и живых системах играет жизненно важную роль как ис­точник ультра-устойчивости систем и как средство повышения качества их функционирования. Гомеостаты живых организмов объединяются ("склеивают­ся") между собой в ИЕРАРХИЧЕСКИЕ СЕТИ ОТНОШЕНИЙ, которые могут быть со­юзническими, партнерскими, нейтральными, конкурентными, конфликтными и комбинированными. Объединяясь, гомеостаты образуют гомеостат более высо­кого организационного уровня, который функционально обладает принципи­ально таким же механизмом обработки информации как и гомеостаты его сос­тавляющие, но на качественно новом (интегральном) уровне. Такие гомеос­таты будем называть соответственно гомеостатами второго и более высоких порядков.

Имеются экспериментальные работы, показывающие возможность количест­венной оценки величины противоречия и степени антагонизма не только меж­ду отдельными гомеостатами в организме, но и социальных систем, например в малых человеческих коллективах, в которых в различной форме проявляют­ся кооперативные, конкурентные и конфликтные отношения. В таких системах могут действовать паталогические отношения типа "бюрократического функ­ционирования" и "информационного вредительства".

Было выявлено, что гомеостатические системы на непредсказуемое изме­нение информационного потока отвечают двухфазным реагированием: немед­ленной реакцией на снятие возникшей остроты противоречия и после этого относительно длительным выравниванием запаса противоречия, потраченного в процессе реализации первого этапа. Приведу пример общего характера о необходимости поддержания противоречия организмом в целом. Организм, как иерархическая сеть физиологических систем, в каждый данный момент, с од­ной стороны, стремится к минимуму производимой работы и, соответственно, иметь минимальный запас энергии, так как на поддержание этого запаса требуется дополнительная затрата энергии и ее веществ-носителей, но с другой стороны, организм для своего выживания вынужден накапливать и поддерживать некоторый избыточный запас энергии и пластических веществ для компенсации неожиданных изменений во внешней среде. Таким образом, существуют две цели: первая - минимизировать работу организма по поддер­жанию энергетического статуса, вторая - найти оптимально "избыточную" величину работы по созданию резерва веществ и энергии для сохранения ор­ганизма в непредсказуемо изменившихся условиях. Расстояние между этими двумя целями можно оценивать величиной, которая называется противоречи­ем. Запасом противоречия в данном случае будет величина "избыточно" под­держиваемой энергии и пластических веществ в организме, которые на дан­ный момент ему как бы не нужны.

Разработаны имитационные модели гомеостатов и ведется изучение их свойств, а также исследуется возможность имитации на этих моделях раз­личных патологических состояний, вплоть до таких крайних патологий, как паралич, шок и коллапс. Показаны механизмы патологического привыкания гомеостата ("эффект наркомана"), рассмотрены механизмы стресса, как час­ти адаптационной системы гомеостата, раскрыты "эффект вируса" и его раз­личные проявления в гомеостате "хозяине" ("дремлющее" и "активное" сос­тояние). Модели развития, старения, пульсирующих (изменяющих активность во времени) гомеостатов.

С точки зрения гомеостатики патология органа или физиологической сис­темы есть изменение в цепях управления либо за счет нарушения морфологи­ческой целостности, либо по причине смещения характеристик управляющих сигналов, что вызывает запуск адаптационных реакций для компенсации на­рушенных функций за счет собственного "горячего резерва" или работы дру­гих гомеостатов. Информация, корректирующая адаптационный процесс, может вносится в организм на разных материальных носителях, разными путями, но конечный эффект - выход гомеостата на рабочий нормальный режим -будет достигнут.

О некоторых патологиях гомеостатов и их моделях.

Нормальный гомеостат, вернее его модель, обладает целым рядом исклю­чительных свойств в отношении адаптивности, живучести, помехоустойчивос­ти и т.д. Исследования математической модели гомеостата показали, что он имеет еще как бы болевые точки и критические связи; воздействуя каким-то образом на них, можно создать множество различных патологий. Рассмотрим наиболее тяжелые из них, вызываемые разрывами прямых связей - паралич, обратных связей - шок, перекрестных связей - коллапс.

Паралич может быть полным, т.е. гомеостат перестает выполнять функции управления. Этот случай имитируется на модели гомеостата разрывом цепи подачи внешнего сигнала (задания) на Р3, при этом значение выходного па­раметра падает до нуля. Но, тем не менее, гомеостат будет поддерживать на выходе постоянство значений Ys даже при действии на управляемый объект относительно больших возмущений, которые проникают помимо входно­го канала.

Односторонний паралич возникает при размыкании связи, идущей от Р1 или Р2 на объект регулирования, в этом случае соответственно либо u1 стремится к нулю, либо u2 стремится к нулю. Таким образом происходит своего рода "гашение гомеостата", т.е. резкое снижение регулирующих свойств.

В большинстве случаев односторонний паралич является компенсируемым, и гомеостат продолжает выполнять свои функции.

Полный шок гомеостата возникает при разрыве основной обратной связи y3. Это ведет к тому, что Ys стремится к U1max или к U2max, а в этом случае гомеостат перестает выполнять функции управления (как выражаются электрики - "зашкаливает" в одну или в другую сторону). В отличие от полного односторонний шок, как правило, является компенсируемым и имити­руется на модели разрывом u1 или u2 связей соответственно, тогда u1 стремится к U1max или u2 стремится к U2max.

Случай создания одностороннего (размыкание обратной связи к Р1) шока представлен на рис. 3. Такой шок является компенсируемым, поскольку ре­жим Ys=Xs быстро восстанавливается, однако гомеостат становится ущербным - уменьшается его живучесть (предельное возмущение снижается до 20 еди­ниц). В статике этот гомеостат работает достаточно устойчиво, и только фактически при предельном входном сигнале (Xs = -50), имеющем противопо­ложную направленность к регулятору, находящемуся в шоковом состоянии ( в данном случае это Р1), гомеостаз начинает нарушаться из-за возникновения небольших автоколебаний.

Разрыв основной обратной связи y3 вызывает полный шок гомеостаза с катастрофическими последствиями для живучести системы.

Рис. 3. Переходные процессы: при t=10 сек развивается односторонний шок Р1, при t=20 сек дополнительно создается скачкообразное возмущение, при котором еще сохраняется гомеостаз.

Защитой от полного шока может служить создание запоминающего уст­ройства ("устройство памяти прошлого") как системы запоминания y3, пред­шествовавшего разрыву обратной связи. В этом случае гомеостат распадает­ся как бы на две независимые части, регулируемые по разомкнутому принци­пу со стороны входа. В какой-то степени такой гомеостат еще может ком­пенсировать возмущения, если они действуют на систему в пределах, охва­тываемых локальными обратными связями. Конечно, такая структура управле­ния является патологической и длительное ее существование недопустимо, но все же лучше, чем лавинообразное развитие полного шока, ведущего к потере живучести.

Эффект "наркомана" как одна из форм патологического привыкания. Этот эффект возникает при длительном повторении большого возмущающего воз­действия. Адаптационный механизм гомеостата в результате привыкания де­формирует соотношения между правым и левым каналами гомеостата (R2) так, чтобы наилучшим образом противостоять ожидаемому возмущению. В итоге вместо нормального баланса для симметричного гомеостата устанавливается новое состояние равновесия, к которому стремится вернутся система после снятия возмущающего воздействия (см. рис. 4.). Кроме того, гомеостат че­рез какие-то опосредованные связи может посылать стимулирующие сигналы, которые будут воздействовать в случае живого организма, на эмоциональную и поведенческую сферу с тем, чтобы возмущение повторилось. Исследования показали, что гомеостат, находящийся в состоянии наркомана, имеет в нес­колько раз более низкий показатель живучести, т.е. становится неспособ­ным противостоять большим возмущениям.

Рис. 4. Временная диаграмма привыкания к большому возмущению гомеос­тата. "Эффект наркомана".

Эффект "заикания" как вид функциональной патологии. Этот эффект свя­зан с временными нарушениями работы гомеостата из-за неадекватных воз­действий со стороны регулятора-руководителя Р3. Возможны три основные причины такого функционирования Р3:

- кратковременный разрыв обратной связи у Р3 или кратковременное из­менение знака этой связи (с отрицательной на положительную), вызывающей возбуждение, т.е. броски управляющего сигнала к регуляторам-исполните­лям, в результате выход u1 и u2 на максимальные значения; - перевозбуждение Р3 - кратковременное увеличение его коэффициента усиления, влекущее неадекватность реакции Р3; - задержка возвратом u1 или u2 из области насыщения, которая проявля­ется в том случае, если текущему состоянию предшествовал режим работы на потолке мощности одного или другого регулятора-исполнителя, в результате чего возникает своего рода динамический гистерезис. Возможны комбинации указанных причин. Во всех случаях "эффект заикания" нарушает поддержание динамического гомеостаза и снижает живучесть системы.

Эффект "вируса" как один из видов паразитирования. Выше указывалось, что феномен паразитирования основан на избыточном потреблении подсисте­мой ресурсов на свое жизнеобеспечение в результате гипертрофированного изменения "личных" целей в ущерб целям системы или окружающей среды. Аналогом этого явления является "эффект вируса", под которым понимаются различные патологии, вызванные вторжением вируса в гомеостатическую структуру управления. Под вирусом понимаются различные агенты, которые, вторгаясь в гомеостат, целенаправленно порождают в нем деградирующие тенденции.

Рассмотрим наиболее типичные случаи:

- полный или частичный захват вирусом места регулятора-руководителя; - полный или частичный захват вирусом места одного из регуляторов-ис­полнителей; - поражение прямых, обратных или перекрестных связей. Полный захват вирусом соответствующего регулятора означает, что вместо, например Р3, действует какой-то другой "вирусный регулятор" со своей передаточной функцией, со своими прямыми, обратными и перекрестными связями и со сво­им автономным заданием (Xsв), в котором отражаются как генетические свойства вируса, так и ударная масса вторгшихся вирусов. Здесь можно представить четыре основных варианта: