Автоматика и телемеханика, № 5, 2012
Управление в социально-экономических, медико-биологических системах
© 2012 г. В.Н. НОВОСЕЛЬЦЕВ, д-р техн. наук (Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова, Москва)
ГОМЕОСТАЗ И ЗДОРОВЬЕ: АНАЛИЗ С ПОЗИЦИЙ ТЕОРИИ УПРАВЛЕНИЯ
С позиций теории управления проведен анализ гомеостаза - важнейшего свойства сложных биологических систем. Гомеостаз - постоянство внутренней среды - возникает в биосистемах при наложении обратных связей на контур управления, обеспечивающий стационарность. Рассмотрен механизм возникновения температурного гомеостаза, который является примером такого постоянства. Представлена концепция здоровья как сохранения гомеостаза: оно трактуется как способность организма поддерживать гомеостаз и возвращаться к нему после нарушений, вызванных действием внешних возмущений. Предложена трехстадийная схема жизненного цикла, в котором здоровье характерно только для одной из стадий.
1. Введение
Биологические системы представляют собой особый тип систем управления. Во всех биосистемах осуществляется управление потоками вещества и энергии, обеспечивающее стационарность их существования. В наиболее сложных биосистемах возникает гомеостаз - малая чувствительность стационарных значений некоторых переменных системы к изменениям внешних возмущений и нагрузки. Гомеостаз позволяет осуществлять сложные формы жизнедеятельности и расширяет условия, в которых организм может существовать. Развитым гомеостазом обладает человек, что обеспечило ему преимущество перед другими обитателями планеты и позволило освоить для жизни все пространство земного шара [1].
Под биологической системой как в теоретической биологии, так и в теории управления понимается совокупность взаимодействующих элементов, образующая целостный объект живой природы. Целостность биосистемы означает прежде всего ее способность выполнять цели, заложенные в геноме. Говоря о биологических системах, часто имеют в виду организм. Главная генетически предопределенная цель, стоящая перед организмом, - передача генов в следующее поколение, т.е. оставление потомства. Для достижения этой цели в нем функционируют сложные системы управления, которые вплоть до смерти поддерживают жизнедеятельность. В природе организмы обычно умирают
4 Автоматика и телемеханика, № 5
97
по "внешним" причинам - от болезней, травм и несчастных случаев (абиотических - попадание в несовместимые с жизнью условия среды - и биотических - гибель от микро- и макрохищников [2]). Если их исключить, то остается единственная причина смерти - потеря эффективности систем управления с возрастом. Эта причина - внутренняя, так как смерть организма наступает вследствие закономерно возникающих в его системах изменений.
Целостность биологической системы может трактоваться как способность сохранять структуру и функцию1. Она поддерживается за счет управления процессами обмена веществ (метаболизма). Чтобы жить, организм расходует вещества, компенсируя их расход за счет притока извне. Основные метаболические функции организма включают в себя: 1) получение веществ из окружающей среды, 2) их переработку в энергию и субстраты, необходимые для жизнедеятельности, 3) расходование энергии и субстратов в жизненных процессах и 4) выведение отходов в окружающую среду. Для выполнения этих функций организму в принципе достаточно обеспечить равенство входных и выходных потоков веществ независимо от того, каковы значения внутренних переменных. Стационарность обеспечивается механизмами управления - биохимическими, физиологическими, психологическими и поведенческими [3].
Организм может обеспечивать свою стационарность только в ограниченном диапазоне "совместимых с жизнью" условий, при выходе за который он гибнет [4]. Область изменения переменных внешней среды, в которой возможно поддержание стационарности системы, обозначим символом ш.
При наложении обратных связей на контуры управления, обеспечивающие стационарность, в организме создается постоянство внутренней среды - го-меостаз [6, 7]. Свойство гомеостаза реализуется в области внешних условий О, более узкой по сравнению с областью стационарности ш.
В теории управления анализ гомеостаза производится в терминах зависимости переменных состояния от возмущений [3]. В роли возмущений выступают переменные внешней среды. Гомеостаз понимается как относительная нечувствительность стационарных значений переменных состояния системы к внешним возмущениям [3,8].
Понятие гомеостаза первоначально имело чисто теоретический характер [3,9,10]. Однако в последние годы эта концепция начала использоваться для анализа здоровья человека. В связи с актуализацией взаимосвязей между гомеостазом и здоровьем в настоящее время идет новый этап исследования механизмов управления в организме. Это и стало предметом обсуждения в настоящей статье.
2. Гомеостаз и теория управления
В XIX в. Клод Бернар обнаружил "удивительное постоянство" внутренней среды организма [11]. Такое постоянство У. Кеннон в 1927 г. назвал гомеоста-
1 Вообще говоря, выделение в живых системах "структуры" и "функции" довольно условно. "То, что называют структурой, является медленным процессом большой продолжительности; то, что называют функцией, является быстрыми процессами короткой продолжительности" [5].
зом [7]. Долгое время считалось, что гомеостаз представляет собой основное "условие свободной жизни организмов" [11].
Однако гомеостаз не является обязательным условием свободной жизни -многие виды организмов обходятся без него. Поскольку поддержание гомео-стаза требует определенных энергетических затрат, он возникает только тогда, когда организм получает дополнительные преимущества. К животным, пользующимся преимуществами температурного гомеостаза, относятся теплокровные млекопитающие. Но даже среди млекопитающих обнаружен вид (голых землекопов ИеЬетосерНаЫз д1аЬет), не обладающий таким гомеоста-зом [12].
В 1950-х гг. Н. Винер в качестве модели гомеостаза организма использовал схему управления с отрицательной обратной связью по уставке [13], в которой цель управления в организме формулируется как поддержание постоянного уровня веществ (глюкозы, кислорода, гормонов и т.д.). Уставка задает желаемый уровень по каждой существенной переменной2. Условия окружающей среды V и темпы расходования веществ ■ входят в эту модель как возмущения.
Модель Винера представляет собой систему управления по положению, и в этой связи она имеет ряд особенностей. Главная из них состоит в том, что, уделяя основное внимание управлению уровнями веществ, модель не воспроизводит управления их потоками. Кроме того, она слишком грубо воспроизводит зависимость переменной состояния от возмущений. Это не позволяет использовать модель Винера для анализа сложных процессов в организме, таких как прекращение и восстановление жизнедеятельности. Однако достоинством такого подхода является простота. Поэтому он широко используется в современной биологической науке не только в дидактических целях, но и для решения ряда задач, таких как определение энергетической "цены" поддержания гомеостаза [14].
Другая модель гомеостаза, которая рассматривается в настоящей работе, предложена автором в 1978 г. [3]. Система управления в организме представляется в виде сложной системы, работающей в разных масштабах времени -"быстром" и "медленном" [15]. "Быстрая" система представляет собой систему управления по скорости, так что стационарное значение переменной положения в ней меняется в зависимости от величины возмущений. На эту систему накладываются "медленные" контуры управления. В результате их работы в системе возникает гомеостаз. Введение в систему еще более медленных контуров управления позволяет достичь более высоких целей управления в системе - ее адаптации и оптимизации в различных условиях среды.
Целью управления в "быстром" времени является обеспечение стационарности - равенства темпов оттока ■ и притока у веществ. Расход веществ в жизненных процессах, определяется текущим режимом работы организма и является задающим сигналом в системе управления. Выходные потоки у
2 Под существенными переменными организма понимаются такие переменные, которые имеют важное значение для его выживания и которые тесно связаны между собой, так что значительное отклонение одной из них рано или поздно приведет к значительным отклонениям других и к гибели [6].
4* 99
2. Gammarus fasciatus
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Vc
Рис. 1. Гомеостатическая кривая. а. Теоретическая схема: плато А и склоны в области ш. Ь. Осмотический гомеостаз у океанического (Саттагив осеатсиэ, 1) и пресноводного (Саттаги Гаваа^, 2) организма имеет разную выраженность. По осям: ус - осмотическая концентрация среды; хк - осмотическая концентрация крови (моль/кг).
а
играют роль управляемых сигналов. Такая схема позволяет анализировать многие свойства организма начиная от воспроизведения гомеостатических свойств в широком диапазоне возмущений и кончая процессами старения и наступления смерти. Целью "медленных" механизмов является достижение минимума некой функции F(x, v) = min. Относительно этой функции делались различные предположения (например, минимизация "взаимодействия" между элементами системы [16]), но поиск этой функции в явном виде результатов не дал [17].
Рассматривая проблемы гомеостаза, будем иметь дело только со стационарными значениями переменных x,w и v, для которых сохраним символы x,w и V.
Усложнение системы управления в организмах происходит в ходе эволюции. При таком усложнении на быстрые механизмы, обеспечивающие стационарность системы, накладываются медленные механизмы, контролирующие внутреннюю среду. В результате появляется характерная "гомеостатиче-ская кривая", описывающая зависимость стационарного значения переменной внутренней среды x от внешних условий v (рис. 1). Возникающее в одномерном случае "плато" (область Q) может иметь разную ширину и наклон, т.е. гомеостаз может иметь разные степени выраженности.
В n-мерном случае возникает гомеостатическая поверхность, а гомеоста-тические кривые образуются в секущих плоскостях. Наличие гомеостаза по перем
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.