Методические указания к практическим занятиям по курсу «Системный анализ»

УДК 61(07)

К703

Рецензент – С.В. Воронин

Корчагина, В.А.

К703 Методические указания к практическим занятиям по курсу «Системный анализ»/ В.А. Корчагина, Ю.Н. Батищева, В.В.Лебедев. – Липецк: Изд-во ЛГТУ, 2012. - 21 с.

Методические указания предназначены для бакалавров 1-го курса направления «Биомедицинские системы и технологии».

Ил.3. Библиогр.: 3 назв.

© ФГБОУ ВПО ―Липецкий государственный технический университет‖, 2012

2

Методические указания к проведению практических занятий по разделу «Системный анализ»

Введение

Никакие свойства изолированного объекта не могут быть исследованы без учета свойств составляющих его элементов, характера их взаимосвязи и взаи-

модействия. Изучение не изолированного от внешней среды объекта требует исследования характера его взаимодействий с ее элементами с учетом их состо-

яния и параметров. В первом случае объект рассматривается как совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, представляющих собой си-

стему. Во втором случае часть внешней среды, непосредственно взаимодей-

ствующая с объектом, может рассматриваться как составляющая системы более высокого порядка, в которой другой составляющей является сам объект. Она может рассматриваться и как совокупность внешних возмущающих факторов,

воздействующих на объект, т. е. на систему.

Вполне естественно, что в зависимости от уровня, на котором рассматри-

вается биологический объект (организм, клетка и др.), он может быть и систе-

мой, и подсистемой, и структурой, и элементом системы. Например: организм

(система), совокупность кровеносных сосудов и капилляров (подсистема, кото-

рая может быть названа кровеносной), клетка организма (элемент системы), пе-

чень (структура), интенсивность секреции инсулина (характеристика под-

желудочной железы как структуры); совокупность таких факторов, как рН,

температура, плотность, прозрачность раствора, в котором находится исследу-

емая клетка (внешняя среда для клетки как системы). Конечной структурой при определении, например, влияния почечной недостаточности на содержание в крови мочевины является сама кровь. В зависимости от целей исследования в каждой конечной структуре могут исследоваться различные ее характеристики.

В биологии и медицине, как правило, любая характеристика любой струк-

туры является случайной величиной, зависящей от многих десятков или даже

3

сотен других случайных величин. Среди них, однако, обычно имеется несколь-

ко, влияние которых превосходит суммарное влияние всех остальных.

Изучение изолированной связи между структурами основывается на до-

пущении, что в некоторый момент времени на изменение характеристики одной структуры влияет только изменение характеристики некоторой, непосредствен-

но с ней связанной, другой структуры, а характеристики других влияющих структур остаются неизменными. При этом основной вопрос ставится следую-

щим образом: на сколько единиц изменяется характеристика изучаемой струк-

туры при изменении характеристики влияющей структуры на одну единицу.

Кроме того, предполагается, что при не очень значительных изменениях харак-

теристики влияющей структуры характеристика конечной, т. е. изучаемой,

структуры зависит от нее линейно. Если обозначить изменение характеристики конечной структуры Y, а изменение влияющей структуры X, то последнее предположение позволяет связать их простейшей зависимостью (1), в которой А – показатель функциональной связи, называемой структурным коэффициен-

том.

Результаты изучения функциональной связи могут применяться как в от-

ношении каких-либо отдельных организмов, так и обобщенно – применительно к виду организмов, популяции, однородной группе людей, находящихся в оди-

наковых условиях, и др. Можно, например, предположить, что в некоторых пределах изменение кровяного давления почти линейно зависит от дозы пропи-

сываемого препарата. В этом случае, зная ориентировочное значение соответ-

ствующего структурного коэффициента, для врача не составит труда обосно-

вать эту дозу для конкретного больного.

Изучение причинной связи между событиями позволяет строить причин-

но-следственные схемы, связывающие некоторое событие, которое мы прини-

маем за исходное, со многими другими событиями, неизбежно следующими

4

вслед за исходным. Совокупность всех событий, составляющих причинно-

следственную схему, может быть огромной, но подавляющее большинство этих событий, значительно удаленное в причинно-следственной схеме от исходного события, малоспецифично для этой схемы. Эти события могут явиться след-

ствием совершенно иных исходных событий и входить, таким образом, во мно-

гие другие причинно-следственные схемы. Задача может состоять в том, чтобы,

во-первых, ограничить причинно-следственную схему, включив в нее только наиболее специфичные для нее события; и, во-вторых, выделить среди них комплекс таких событий, который может возникнуть только как следствие со-

вершенно определенного исходного события. Метод разработки причинно-

следственных схем весьма эффективен в медицинской диагностике, где исход-

ным событием может считаться первичное нарушение, которое по сути и есть диагностируемое заболевание. Последующими событиями в причинно-

следственной схеме являются патологические явления, вызванные первичным нарушением. Из них может быть составлен минимальный симптомокомплекс,

наличие которого с большой вероятностью определяет диагноз.

Системный анализ в биомедицинских исследованиях можно определить как совокупность методов, направленных на количественное и качественное изучение взаимосвязей, сходств и различий между системами, их структурами и элементами с учетом влияния на них окружающей среды.

Пример построения причинно-следственной модели: болезнь Гирке

Болезнь Гирке характеризуется генетически обусловленной почти полной неспособностью клеток продуцировать глюкозо-6-фосфатазу – ключевой фер-

мент как гликогенолиза, так и глюконеогенеза. Болезнь генетически наследует-

ся. Поступление глюкозы в организм с пищей, являющееся нормальным возму-

щающим процессом, в принципе дает возможность поддерживать в крови нор-

мальный уровень глюкозы, однако для этого поступление пищи, содержащей глюкозу, должно быть практически непрерывным. В реальных условиях суще-

5

ствования, т. е. при отсутствии непрерывного поступления глюкозы, в здоровом организме депонируется (накапливается и хранится) и при необходимости ис-

пользуется гликоген, образующийся при ее полимеризации.

При болезни Гирке сохраняется способность к преобразованию глюкозы в гли-

коген и депонированию последнего в тканях различных органов, в основном печени. Однако теряется способность к обратному процессу при уменьшении в крови концентрации глюкозы – к обратному переходу гликогена в глюкозу. Та-

ким образом, физиологически трансформация глюкозы в гликоген оказывается противоестественным процессом и в конечном итоге не только не приносит ор-

ганизму пользу, но и является причиной дополнительных серьезных патологи-

ческих явлений. Рассмотрим теперь причинно-следственную модель болезни Гирке (рис. 1).

Рис. 1. Причинно-следственная схема болезни Гирке

6

Первичное нарушение происходит на генетическом уровне. Оно состоит в полной или почти полной неспособности клеток продуцировать глюкозо-6-

фосфатазу, обеспечивающую отщепление свободной глюкозы от глюкозо-6-

фосфата. В результате этого гликогенолиз прерывается на уровне глюкозо-6-

фосфата и дальше не идет (причинная связь 1-го порядка). Дефосфорилирова-

ние с участием глюкозо-6-фосфатазы является ключевой реакцией не только гликогенолиза, но и глюконеогенеза, который, таким образом, при болезни Гирке также прерывается на уровне глюкозо-6-фосфата (еще одна причинная связь 1-го порядка). Возникновение устойчивой гипогликемии, которая в ре-

альных условиях неизбежна из-за непоступления в кровь глюкозы как конеч-

ного продукта гликогенолиза и глюконеогенеза (причинные связи 2-го поряд-

ка), в свою очередь приводит к постоянной повышенной секреции глюкагона как стимулятора гликогенолиза (причинная связь 3-го порядка). Глюкагон, од-

нако, в условиях прерывания этого процесса способен лишь без пользы для ор-

ганизма непрерывно стимулировать его начальные стадии (причинная связь 4-

го порядка).

Причинные связи 1-го порядка и оба патологических явления 1-го порядка свойственны только болезни Гирке. Гипогликемия как патологическое явление

2-го порядка отнюдь не свойственна только болезни Гирке. Поэтому для этой болезни неспецифичны и связанные с гипогликемией явления: устойчивая по-

вышенная секреция глюсхагона, устойчивое развитие начальных стадий глико-

генолиза. К причинным связям 2-го порядка относятся и связи, вызывающие накопление в организме глюкозо-6-фосфата. Само по себе накопление этого вещества свойственно не только болезни Гирке. Совокупность же причинных связей 2-го порядка, обусловливающих одновременно и устойчивую гипогли-

кемию, и накопление глюкозо-6-фосфата, свойственна только болезни Гирке.

Помимо уже указанной причинной связи 3-го порядка, имеются еще две аналогичные связи: связь, вызывающая устойчивое увеличение содержания в крови молочной кислоты, и связь, вызывающая необратимый гликогенолиз.

Повышение уровня молочной кислоты в крови не характерно только для болез-

7

ни Гирке. Необратимый гликогенез также неспецифичен для болезни Гирке, он свойствен самым различным формам гликогенолизов. Тем не менее, совокуп-

ность всех патологических явлений, вызываемых причинными связями 3-го по-

рядка, свойственна только болезни Гирке и никакой другой.

Каждое из наблюдаемых патологических явлений можно объяснить на ос-

нове патологического явления, предшествующего в причинно-следственной схеме. Так, накопление гликогена в печени и почках вызвано повышением со-

держания в клетках глюкозо-6-фосфата. При этом начальные этапы гликогено-

лиза, стимулируемого глюкагоном, тормозятся, с другой стороны, повышенным содержанием в крови глюкозо-6-фосфата как промежуточного продукта глико-

генолиза. В результате с течением времени все большие количества гликогена откладываются в клетках печени и почек, вызывая их структурные изменения и увеличение в размерах. Накопление гликогена вызвано причинной связью 3-го порядка. Причинная связь 4-го порядка обусловливает развитие печеночной и почечной недостаточности. Устойчивый ацидоз, связанный с повышенным со-

держанием в крови ионов калия, кальция, натрия, падение альвеолярного напряжения углекислоты, устойчивое развитие начальных стадий (до образова-

ния глюкозо-6-фосфата) глюконеогенеза — все эти факторы возникают как следствие причинных связей 4-го порядка, обусловленных повышенным со-

держанием в крови молочной кислоты.

Совокупность этих причинных связей полностью характеризует повышен-

ное содержание в крови молочной кислоты, но не является специфичной для болезни Гирке. Для того чтобы эта совокупность была специфичной, ее необ-

ходимо дополнить всеми остальными причинными связями 4-го порядка, т. е.

связями, из-за действия которых в организме постоянно протекают начальные стадии гликогенолиза и возникают явления печеночной и почечной недоста-

точности. Эта совокупность связей специфична именно для болезни Гирке.

Итак, с увеличением порядка причинных связей их число возрастает, а вы-

званные ими патологические явления становятся все менее специфичными для рассматриваемого заболевания. В частности, каждое из патологических явле-

8

ний 5-го порядка (развитие печеночной и почечной недостаточности) свой-

ственно уже очень большому числу заболеваний, наблюдаемых значительно ча-

ще, чем болезнь Гирке, и имеющих самую различную этиологию.

Пример построения причинно-следственной модели:

инсулинзависимая форма сахарного диабета

По современным представлениям, этиология сахарного диабета весьма разнообразна. В его возникновении определенную роль играют как эндогенные,

так и экзогенные факторы. Рассмотрим причинно-следственную модель са-

харного диабета, связанного с нарушением синтеза инсулина. Это нарушение обусловлено мутацией генов, под контролем которых этот синтез находится.

Суммарный комплекс проявлений нарушений в данной системе по сравне-

нию с таковым при других гликогенолизах весьма специфичен. Однако диффе-

ренциация отдельных форм сахарного диабета, имеющих различную этиоло-

гию, как правило, затруднительна, поскольку в клинических условиях очень сложно обнаружить те или иные нарушения связей 1-го порядка. Точечные ге-

нетические дефекты при инсулинзависимой форме сахарного диабета довольно разнообразны: мутации в структурном гене, приводящие к нарушению синтеза препроинсулина (наиболее тяжелая форма); мутации в гене-регуляторе, веду-

щие к пониженному синтезу инсулина; мутации, приводящие в конечном итоге к синтезу аномальной формы инсулина с пониженными возможностями воз-

действия на инсулиновый рецептор гепатоцитов и др. На схеме (рис. 2) приве-

дена часть причинно-следственной модели развития симптомов сахарного диа-

бета для случая хронической недостаточности продуцирования инсулина спе-

циализированными клетками поджелудочной железы. На уровне генетического контроля ими синтезируется не сам инсулин, а его предшественник – препро-

инсулин. Он существует в течение короткого промежутка времени, по истече-

нии которого переходит в проинсулин. Проинсулин в течение более или менее длительного времени в результате ферментативной реакции переходит в инсу-

9

лин. Соответствующий генетический дефект приводит к недостаточности ин-

сулина (две промежуточные фазы для упрощения опущены) в случае повыше-

ния содержания в крови глюкозы. Это причинная связь 1-го порядка.

Недостаточность инсулина порождает ряд причинных связей 2-го порядка.

Эти нарушения обусловлены свойствами инсулина и той многообразной ролью,

которую он играет в организме. В норме инсулин, попадая в печень, активирует глюкокиназу и гликогенсинтетазу – ферменты гликогенолиза, катализирующие образование глюкозо-6-фосфата. При недостаточности инсулина значительная часть избыточной глюкозы не переходит в глюкозо-6-фосфат. Торможение гли-

когенолиза является причиной связей последующего порядка – тенденции к возникновению гипергликемии.

С другой стороны, инсулин обладает дополнительным свойством – он сдерживает развитие гипергликемии, поскольку его наличие подавляет актив-

ность фосфатазы. Это тормозит гликогенолиз (трансформация гликогена в глю-

козу) на этапе образования глюкозо-6-фосфата. В результате при недостаточно-

сти инсулина «слабообратимый» процесс гликогенолиза не заторможен. При диабете этот фактор, однако, играет незначительную роль по сравнению с дру-

гими факторами, стимулирующими гипергликемию. Инсулин повышает про-

ницаемость клеточных мембран для глюкозы и таким образом усиливает ее утилизацию тканями и снижает гликемию. Недостаточность инсулина вызывает образование естественной последовательной цепочки причинно-следственных связей: снижение проницаемости клеточных мембран для глюкозы, уменьше-

ние утилизации глюкозы тканями организма, энергетическое голодание клеток.

Вследствие этого, несмотря на наличие избытка энергоресурсов в виде глюко-

зы, в организме должны происходить процессы, направленные на компенсацию энергетического голода. Одним из таких процессов, непосредственно вызван-

ных энергетическим голоданием, является интенсификация продукции глюка-

гона клетками поджелудочной железы. Будучи антагонистом инсулина, глюка-

гон интенсифицирует гликогенолиз. Действие глюкагона в конечном итоге за-

ключается в регенерации фосфорилазы, значительная часть которой находится

10