Степанов - Основы медицинской гомеостатики

- гомеостат под действием вируса переходит в какое-то новое состоя­ние, которое еще не приводит к потере живучести гомеостата-"хозяина"; - гомеостат теряет живучесть и устанавливается в одном из крайних состояний U1max или U2max; - гомеостат переходит в режим автоколебаний; - гомеостат гасится, т.е. на его выходе устанавливается Ys=0. Частичный захват вирусом одного из регуляторов означает, что вирус внешне определенное время может не проявить себя, так как его действие компенсируется соответствующими регуляторами. Это как бы "дремлющий" ви­рус. При частичном захвате вирусом места регулятора-руководителя возмож­ны три случая:

- вирус вызывает неограниченную и необратимую деградацию, т.е. "дрем­лющий" вирус как бы просыпается - переходит в активное состояние; - вирус вызывает ограниченную деградацию; - деградация, вызываемая вирусом, обратима.

В первом случае вирус быстрее или медленнее (это зависит от соотноше­ния передаточных функций вируса и регулятора-руководителя и других пара­метров), но в конце концов обязательно приведет к нарушению гомеостаза (полному захвату гомеостата-"хозяина").

Во втором случае вопрос о том нарушится или нет гомеостаз будет зави­сеть от отношения между управляющей мощностью регулятора-руководителя (Umax) и управляющей мощностью "вирусного регулятора" (Uвmax), т.е. от соотношения Umax/Uвmax. Если в этом отношении мощнее регулятор-руководи­тель, то имеются необходимые условия для компенсации деградирующего действия вируса. Вторым уже достаточным условием сохранения гомеостаза будет соотношение активностей Р3 и вируса. Если активность регулято­ра-руководителя выше "вирусного регулятора", а стартовое возмущение, создаваемое внедряемым вирусом, является относительно небольшим, то воз­никают условия компенсации действие вируса.

Третий случай будет иметь место, когда по каким-то причинам прекраща­ется нарастающее деградирующее действие вируса, тогда гомеостат "хозяин" либо полностью, либо частично восстанавливает свое функционирование.

"Дремлющий" вирус может перейти в состояние активности, если снизится мощность Р3, т.е. Umax/Uвmax, или резко возрастут показатели активности и мощности "вирусного регулятора".

Поражение вирусом тех или иных связей будет приводить в соответствую­щем гомеостате к явлениям, аналогичным параличу, шоку или коллапсу. Кро­ме того, следует отметить, что "вирусный регулятор" может симметрично или несимметрично подключаться ко входам Р1 и Р2 и соответственно в пер­вом случае финальным состоянием действия будет паралич гомеостата, а во втором его шок.

Рис. 5. Переходные процессы при внедрении в гомеостат-"хозяин" виру­са: а - мощность систем управления вируса не имеет ограничений; б - мощ­ность вируса существенно меньше, чем мощность гомеостата-"хозяина" (ви­рус "засыпает"), при t=20 сек ограничения с мощности вируса снимаются и он переводит систему в паралич.

Все указанные проявления "эффекта вируса" были получены на имитацион­ной модели гомеостата (см. рис. 5.).

Предложены методы "склеивания" гомеостатов в иерархические сети. Раз­работаны имитационные модели фрагментов таких сетей, в частности, выяв­лено свойство "самопожертвования" гомеостата ради выживания всей сети. Выдвинута гипотеза о возможности внезапной смерти организма из-за неа­декватной реакции гомеостатической сети в критической ситуации, рассмот­рен "эффект СПИДа" и гипотеза о роли биологически активных точек в меха­низме помехозащиты и детекции информации гомеостатов. Созданы имитацион­ные модели ритмических гомеостатов, гомеостатов старения и развития.

Часть II. Особенности гомеостатов живых систем

Понятийный аппарат модели живых систем

Назовем весь внешний информационный поток по отношению к конкретному гомеостату состоянием внешней среды.

Информационные потоки, циркулирующие внутри гомеостата, назовем внут­ренней информационной средой.

Изменения внутренних информационных потоков, которые не приводят к изменению выходных параметров гомеостата, не являются значимыми измене­ниями внутреннего состояния гомеостата.

Динамическое состояние внутренней информационной среды состоит из двух моделей: информационной модели внутренней среды гомеостата и инфор­мационной модели внешней среды (см. рис. 6).

Элементарная модель гомеостата живой системы принципиально не отлича­ется от общей модели представленной на рисунке 1. Однако, для подчерки­вания некоторых важных для живых систем функциональных связей внутри го­меостата выделим на блок-схеме их специально. Диалектическое единство противоположностей гомеостатической модели в блок-схеме показано двумя симметричными цепями обработки информации, которые отражают взаимо­действие внешней и внутренней сред по отношению к гомеостату.

Модель внутренней среды гомеостата формируется на одной из них и включает рабочий регулятор, информация к которому помимо регулятора -ру­ководителя поступает также с выхода гомеостата.

Модель внешней среды формируется второй циклической сетью рабочего регулятора (второе симметричное плечо) гомеостата и представляет собой такой же информационный поток, который проходит через регулятор руково­дитель, но его мощность несколько выше, чем в симметричной сети, что на модели условно показано дополнительной связью из внешней среды помимо регулятора-руководителя, создавая как бы дополнительный сигнал, поступа­ющий от входа рецептора.

Моделироваться такие дополнительные функциональные связи могут за счет коррекции коэффициентов входа и выхода на регуляторах Р1, Р2, Р3 и О (объекта).

Потоки информации в обеих цепях направлены навстречу друг другу, т.е. имеют разные знаки относительно нулевой точки и поэтому на выходе вычи­таются. Остаток представляет собой информацию об изменившейся внешней или внутренней среде и управляет значением выходного параметра. Нера­венство (неадекватность) информационной модели внутренней среды модели внешней среды есть "внутреннее противоречие гомеостата". Оно же по об­ратной связи регулирует состояние второго рабочего регулятора за счет использования "запаса противоречия" таким образом, чтобы информационный поток, представляющий модель внутренней среды, стал равен модели внешней среды (восстановление адекватности моделей).

Информационный поток в виде значений выходных параметров из гомеоста­та во вне называется отраженным информационным потоком.

Гомеостат, находящийся в процессе перехода от одного значения пара­метра к другому в пределах границ рабочего режима, обладает "переходной информационной моделью гомеостата". С момента возникновения регулируемо­го противоречия до снятия противоречия за счет изменения выходного пара­метра наличествует неадекватность внутренней информационной модели внеш­ней.

Та часть информационного потока из внешней среды, которая проходит селекцию фильтруемая на входе или пронизывающая без взаимодействия с го­меостатическими структурами, - называется информационным шумом, хаосом. Изменение свойств фильтра на входе может перевести часть этого шума в информативный поток.

Та часть информационного потока, которая поступает внутрь гомеостата, но не приводит к изменению выходного параметра, т.е. уничтожается перед выходом на объект регулирования как "синфазная помеха", называется внут­ренним циркулирующим потоком или моделью базисного состояния внутренней среды гомеостата .

Базисное состояние внутренней среды гомеостата может иметь либо ана­логовую динамику, либо дискретные (квантовые) уровни. Дискретность изме­нений определяется дискретностью изменения мощности одного входа или подключением других параллельных входов гомеостата.

Часть внешнего информационного потока, поступившая внутрь и приведшая к изменению выходного параметра таким образом, что дальнейшее поступле­ние его не приводит к изменению выходного параметра, называется регули­руемым противоречием между состоянием внешней среды и состоянием внут­ренней среды гомеостата или информацией активации.

Часть внешнего информационного потока, поступающая внутрь и приводя­щая к изменению выходного параметра за границы рабочих режимов рабочих регуляторов, называется нерегулируемым информационным противоречием для данного гомеостата или патологической информацией. Т.е. внешний информа­ционный поток не адекватен внутреннему состоянию данного гомеостата. Тогда выход рабочей точки гомеостата в подкритическую область включает другие выходные цепи, регулирующие коэффициенты на входе гомеостата (фа­зический фильтр) или изменяет коэффициенты входа на гомеостаты своего или другого уровня. Если внешняя регуляция невозможна, наступает патоло­гия состояния (паралич) гомеостата.

Пока гомеостат регулирует параметр в границах рабочего режима, остро­та противоречия минимальна и равна единице.

Чем больше значения изменяемых коэффициентов входа на гомеостат, ре­гулируемые самим гомеостатом от выходного параметра, или чем дальше за рабочие границы должны выйти значения параметра при данном противоречии, тем выше "острота противоречия".

Весь адекватный информационный поток из внешней среды, циркулирующий в цепях гомеостата, благодаря симметричности структуры каналов, имеющих разный знак сигналов относительно нулевой точки, на предвыходном этапе взаимоуничтожается, вследствие этого выходные параметры гомеостата не изменяются.

В этом подходе понятие "синфазной помехи" теряет смысл, т.к. любой проникающий сигнал, "синфазно подавляемый", есть часть модели внутренней среды, т.е. адекватное восприятие внешней среды.

Информация, избирательно поглощаемая детектором на специализированном входе (т.е. проходящая через узкий информационный фильтр), сливается с циркулирующим потоком по симметричным цепям, но в цепи, представляющей модель внешней среды этот же сигнал приходит дополнительно и складывает­ся с существующим. Таким образом, при итоговой суммации двух информаци­онных потоков возникает действительное значение, которое приводит к из­менению выходного параметра. Последний по обратной связи подстраивает модель внутренней среды, чтобы она стала адекватной модели внешней среды (смотри рис.6).

Рис. 6 Модель гомеостата биологической системы.

Выходной параметр служит входной информацией для других гомеостатов. Если необходим постоянный уровень значения выходного параметра, то он задается "уставкой" - величиной внутреннего противоречия между моделями внутренней и внешней среды, которая формируется специальным регулятором Рвхода ("местным шефом").

Склеенные гомеостаты представляют из себя сеть гомеостатов, которая может работать как один гомеостат, но более высокого уровня. Полнота от­ражения информации каждым отдельно взятым гомеостатом в сети склеенных гомеостатов меньше, чем в самостоятельном гомеостате.

Понятия симметричности и асимметричности гомеостатических сетей.

Гомеостаты могут объединятся между собой благодаря свойству "полюс­ности", наличию входов и выходов информационного потока. Объединения мо­гут происходить не только по связи "выход-вход". Другая возможность сое­динения гомеостатов - их вставка в цепи обратной связи.

Выход одного гомеостата соединяется с входом другого и так далее до бесконечности. Это свойство называется фрактальностью. Гомеостаты как функциональные фракталы подчиняются всем известным закономерностям, вы­явленным для фракталов материальных.

Симметричность гомеостата рассматривается как структурно-функцио­нальная симметричность. Число входов симметричного гомеостата всегда равно числу выходов. Минимальное число пар "вход-выход" равно 1, что эк­вивалентно наличию одной "валентности". Если число входов не равно числу выходов, эту информационную структуру нельзя соотносить с одним гомеос­татом. Это несбалансированная (асимметричная) гомеостатическая сеть.

Валентность - это наличие свободных пар связей, которые могут стать местом склеивания с другими гомеостатами.

Валентность гомеостата может меняться за счет разрыва внутренних об­ратных связей (положительных и отрицательных). В эти появившиеся разрывы могут встраиваться другие гомеостаты и таким образом образуются цикли­ческие структуры переработки информации.

Гомеостат, замыкающий свой единственный выход на свой единственный вход, при условии отрыва этих связей от других в сети гомеостатов теряет валентность (связи с внешним миром) и тем самым самоуничтожается.

Для отдельного гомеостата, который в цепи гомеостатов является пер­вым, принимающим внешний поток информации, физиологическим аналогом яв­ляется понятие "рецептор" (воспринимающий, получающий); гомеостат, за­вершающий данную цепь переработки информации, является аналогом понятия эффектор.

Как рецептор, так и эффектор характеризуются преобразованием вида но­сителя информации.

Асимметричность гомеостатической сети является причиной ее роста до тех пор, пока сеть не достигает свойства симметричности, т.е. не стано­вится симметричным гомеостатом. Таким образом, симметричный гомеостат можно трактовать как ЦЕЛОЕ (в некотором смысле как самодостаточное), асимметрическую сеть гомеостатов - как ЧАСТЬ гомеостата интегративно бо­лее высокого уровня.

Когда асимметричность гомеостатической сети, состоящей из однородных по информационным носителям гомеостатов, завершается созданием симмет­ричного гомеостата, попытка дальнейшего наращивания тех же однородных гомеостатов не эффективна; симметричный гомеостат снимает с них валент­ность, что приводит их к гибели. Дальнейшее непосредственное склеивание возможно только с гомеостатами, где информация переносится другими мате­риальными носителями.

Примеры интегративных симметричных гомеостатов в биологии:

- бактерии - одноклеточные животные - многоклеточные организации: животные, растения - популяция вида - экосистема - ноосфера, и т.д.

Примеры природных "неживых" симметричных гомеостатов:

- вакуум; - суб-атомарные частицы (протон, нейтрон, электрон и т.п.); - атомы; - молекулы; - минералы, вещества; - планеты; - звезды; - планетные системы; - галактики; - вселенная.

Целостность, диапазон самостоятельности.

При склеивании симметричных гомеостатов образовавшаяся система стано­вится симметричной в целом только тогда, когда каждый из гомеостатов те­ряет свою самодостаточность. Потеря самодостаточности компенсируется бо­лее эффективной переработкой части информационного потока - специализа­цией, при этом часть гомеостатов, составляющих бывший симметричный гоме­остат, потеряет свою валентность и отмирает или реорганизуется. Часть гомеостата, оставшаяся в асимметричном состоянии, погашает асимметрич­ность либо вторым бывшим симметричным гомеостатом, претерпевшим такую же метаморфозу (но при этом, произошедшие в обоих бывших гомеостатах изме­нения дополняют новую организацию до ЦЕЛОГО), либо происходит реоргани­зация части гомеостатов несимметричной сети в симметричную.

Понятие целого имеет относительный смысл и ограничивается понятием границ расширения нормы реакции, что можно в определенном смысле тракто­вать как "свободу воли" гомеостата.

Границы расширения нормы реакции гомеостата (или свобода воли) опре­деляются возможностью переключения входов симметричного гомеостата с од­ной части внешнего информационного потока на другую без потери целост­ности, т.е. без перехода в асимметричное состояние.

Для гомеостатов одного иерархического уровня интеграции (сеть гомеос­татов симметричного гомеостата) внутренняя свобода воли одного ограничи­вается другими однородными первому гомеостатами. При условии нарушения целостности гомеостата или сужения диапазона свободы воли части однород­ных гомеостатов в общей сети происходит выравнивание свободы воли всех. Такой процесс может происходить и в группе симметричных однородных, от­носительно независимых гомеостатов. Этот процесс называется принципом согласия [5].

Границы нормы реакции симметричного гомеостата высшего уровня шире свободы воли каждого из однородных гомеостатов нижележащего уровня, но ограничиваются всей иерархической сетью гомеостатов в целом.

Искусственное сужение свободы воли гомеостатов приводит либо к пато­логии функционирования систем, включающих в себя эти гомеостаты, либо к появлению ограничений в широте нормы реакции симметричного гомеостата в целом.

Процессы компенсации и адаптации

Каждая гомеостатическая сеть стремится сохранить свою целостность функциональных связей до тех пор, пока не истрачен запас внутреннего противоречия.

Исчерпывание запаса противоречия приводит к разрыву обратных связей в гомеостате и образованию свободных валентностей. Свободные валентные связи замыкаются на другие гомеостаты (прежде всего родственные по носи­телю информации), и новая гомеостатическая система использует обобщенные запасы противоречия. При исчезновении действующего фактора, на который расходовался запас противоречия, по мере восстановления его восстанавли­вается первичная структура и исходные гомеостатические сети разъединяют­ся. Этот процесс называется компенсацией.

При невозможности разъединиться, когда при объединении произошли не­обратимые изменения сетевых структур, процесс называется адаптацией. В этом случае исчезновение действующего фактора, который вызвал объедине­ние, сужает границы нормы реакции и гомеостат оказывается в патологичес­ком состоянии (плата за адаптацию).

Динамичность образования новых конфигураций в гомеостатических сетях живых организмов постепенно возрастает в направлении физиологическая - психофизиологическая - психическая системы. На уровне мозговых структур "гипоталамус - кора головного мозга" динамика приобретает достаточно вы­раженный характер вплоть до так называемых статистических ансамблей го­меостатов, которые достаточно легко перестраиваются под сиюминутные за­дачи управления случайных флуктуаций среды обитания.

Некоторые свойства симметричных и несимметричных гомеостатов

Несимметричность сети гомеостатов возникает при недостаточной мощнос­ти выходных параметров, требуемых системой в целом. Однако существуют максимальные пределы роста несимметричности. Если для сформированной по максимальному размеру несимметричной сети требуемая мощность не достиг­нута, то строится параллельная ей вторая несимметричная сеть и т.д. Дос­тигшая максимального размера несимметричная сеть начинает эволюцию к созданию симметричной гомеостатической сети.

Ограничение пределов роста несимметричности зависит от скорости при­тока пластических и энергетических веществ из окружающей среды потребля­емых сетью. Достигнув максимального предельного размера, несимметричная сеть начинает уменьшать свою реактивность за счет уменьшения связей. При этом число первичных гомеостатов остается постоянным. Несимметричная сеть уменьшается, но достраивается (перестраивается часть) симметризиру­ющая сеть до симметричного гомеостата. Уменьшение размеров несимметрич­ной части гомеостатов нижнего уровня уменьшает мощность сети и вызывает образование параллельной сети. Таким образом, в растущей сети гомеоста­тов возникает волновой, постепенно затухающий процесс генерационных яв­лений. Аналогом такого процесса является рост ткани и ее дифференциация в специализированную и, наоборот, целостная гомеостатическая тканевая система, перейдя каким-либо путем в несимметричное состояние, вызывает процессы деспециализации клеток, составляющих гомеостат ткани, что поз­воляет включать процессы пролиферации.

Пример гомеостата ткани, ставшего несимметричным в результате травмы [80].

Гомеостат регенерирующей ткани представляется как согласованное взаи­модействие двух разнонаправленных процессов клеточной деструкции и кле­точной репродукции. Регулирующими факторами являются внутритканевые кле­точные корреляции, определяющие качественные характеристики и локализа­цию данного гомеостата, а также регуляторы внешней среды, которые играют модулирующую роль, определяют количественные параметры качественных ха­рактеристик данного гомеостата. В качестве внутриклеточных регуляторов выступают целостный гистоскелет ткани, контактные клеточные взаимо­действия, продукты цитолиза, кейлоны, общее количество антигенных детер­минант, специфичных для данной ткани, и др.