Основы медицинской гомеостатики - А Степанов

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.