Гайдес М.А. - Общая теория систем. (Системы и системный анализ)

Например, нефроны являются элементами системы водно-минерального обмена, которая в свою очередь является важным элементом системы стабилизации артериального давления (ССАД). Если нефроны почек нормально работают, то водно-минеральный обмен будет нормальным и артериальное давление (АД) также будет нормальным. Если происходит разрушение почечных нефронов, то начиная с некоторого момента начинает развиваться артериальная гипертония почечной этиологии. Т.е., до истощения ресурсов, при достаточном количестве СФЕ (нефронов) результат действия соответствует заданной цели – АД стабильно и в пределах нормы. При истощении ресурсов, когда число разрушенных СФЕ (нефронов) превысит критическое, ССАД переходит в свою антитезу – вместо стабилизации происходит увеличение АД.

Результативность систем во многом определяется ограниченностью действий систем.

3. Ограниченность действий системы. Любая система характеризуется качественными и количественными ресурсами. В понятие ресурсы входит понятие функционального резерва - какие действия и сколько таких действий система может выполнить.

Если должная функция системы не выполняется, это может быть из-за недостаточности ресурсов системы, которые определяются исполнительными элементами (СФЕ). Качественные ресурсы определяются типом элементов исполнения (типом СФЕ), а количественные ресурсы – их количеством. А поскольку реальные системы имеют определённое и конечное (ограниченное) число элементов, то отсюда следует, что реальные системы имеют ограниченные качественные и количественные ресурсы.

Качественные ресурсы – это «какие действия (или «что») может выполнять данная система (давить, толкать, переносить, удерживать, снабжать, секретировать и т.д.).

Количественные ресурсы – это «сколько мер» (литров, mm Hg, единиц проживания, и т.д.) таких действий может выполнять данная система.

Качественные ресурсы системы «кислородтранспортные единицы крови» (гемоглобин эритроцитов) определяются способностью СФЕ этой системы переносить кислород. Других действий, кроме этого данная система не производит. При этом в организме человека есть несколько миллиардов эритроцитов, содержащих около 600 г гемоглобина (количественные ресурсы). Весь этот гемоглобин способен вместить в себя только 800 мл О₂, не более.

Ограниченность действий системы зависит от состава её СФЕ и определяется ограниченной дискретностью системы.

4. Ограниченная дискретность системы. Нет ничего неделимого и любую систему можно разделить на части. При этом любая система состоит из конечного числа элементов (частей) – элементов исполнения (подсистем, элементов, СФЕ) и элементов управления (блока управления).

Например, система обмена метаболических газов (СОМГ) состоит всего лишь из двух частей – системы внешнего газообмена и системы кровообращения, хотя в каждой из них можно выделить ещё подсистемы и ещё подсистемы, и так до отдельных альвеол, сосудов, клеток, молекул, атомов и пр. Живой организм состоит из огромного числа элементов. Если мы начнём считать все веточки сосудов, клетки, молекулы, атомы и т.д., мы никогда не сможем остановиться, хотя все эти элементы входят в состав СОМГ. Но они входят в состав СОМГ только на уровнях своих иерархий. Сама же СОМГ состоит всего лишь из двух частей (элементов, подсистем), функции которых определяют суммарную функцию СОМГ. Делить на подсистемы можно бесконечно, но сами системы имеют ограниченное и конечное число элементов. Возможно, элементарные частицы являются самыми минимальными СФЕ нашего Мира и поэтому не разделимы на более мелкие части, подчиняющиеся физическим законам нашего Мира.

Ограниченная дискретность систем определяется ограниченным составом их СФЕ. Поэтому она определяет и дискретность их функций.

5. Дискретность (квантованность) функций системы. Действия системы всегда дискретны (квантованы), поскольку любые её СФЕ работают по закону «всё, или ничего». Нет плавного изменения функции системы, всегда есть ступенчатый (квантованный, порционный) переход с одного уровня функции на другой, потому что элементы управления включают или выключают очередные СФЕ, в зависимости от потребностей системы.

Наш мир дискретен (квантован). Переход систем с одного уровня функций на другой всегда осуществляется скачком. Мы не всегда видим эту ступенчатость из-за того, что амплитуда результата действия отдельных СФЕ может быть очень и очень маленькой, но она всегда есть. Амплитуда этих ступенек перехода с уровня на уровень определяет максимальную точность результата действия систем и определяется амплитудой результата действия отдельной СФЕ (квант действия). Мы не можем измерить ударный выброс левого желудочка с точностью до сокращения одного саркомера. Но величина ударного выброса определяется суммой сокращений тех саркомеров, которые приняли в нём участие.

Суммарное взаимодействие дискретных единиц системы определяет функцию системы – её реакцию на внешнее воздействие.

6. Функция системы. Результат действия системы является её функцией. Для достижения цели система должна целенаправленно выполнять определённые действия, которые в результате которых появляется результат этих действий – функция системы. Цель является аргументом для системы (императивом), а результат действия системы – функцией.

Функции системы определяются набором исполнительных элементов, их взаимным расположением и блоком управления. Понятия «система» и «функция» неразделимы. Нет нефункциональных систем. Функциональная система – это тавтология, потому что абсолютно все системы функциональные. Но может быть не функционирующая в данный момент система (в режиме ожидания). После того, как на неё будет оказано определённое внешнее воздействие, она обязательно даст определённый и специфический результат действия (будет функционировать). Без внешнего воздействия нет действий системы (не функционирует). Пистолет не выстрелит, пока не нажмешь курок. Миоцит сокращается только после подачи на него синаптического импульса. Аорта растягивается только во время систолы левого желудочка, кисть руки работает только после сокращения мышц проминаторов или супинаторов, и т.д.

Обычно принято, что аргументом является внешнее воздействие и на этом принципе строят графики функций. По оси «Х» откладываются значения аргумента (внешнего воздействия), а по оси «У» – значения функции. Введение понятия цели вводит новый элемент графика – должную кривую, показывающую, каким образом должна вести себя функция при изменении внешнего воздействия. Т.е., цель указывает системе, каким образом она должна вести себя при определённом внешнем воздействии. Поэтому при учете цели аргументом является не внешнее воздействие, а цель.

Нужно различать внутренние функции системы (подфункции), которые принадлежат её подсистемам (частям, элементам, СФЕ), и внешние функции, принадлежащие всей системе в целом. Внешняя функция системы – это результат её собственного действия, выходящий из системы. Внутренние функции системы – это результаты действий её подсистем. Но в любом случае на любом уровне иерархии оценка функции проводится по её соответствию должной кривой. Это определяется дуализмом понятия цели – цели-задания и цели-стремления. У системы есть цель-задание (должная величина, аргумент) и цель-стремление (актуальная величина, функция). На множество внешних воздействий система отвечает множеством результатов действий. Поэтому из множества должных величин строится должная кривая, а из множества актуальных величин строится актуальная кривая.

У подсистем есть подцели-задания, на которые разбивается генеральная цель-задание системы, и подцели-стремления, которые осуществляют соответствующие подсистемы. В результате появляется генеральная определённая функция системы. Определённость этой функции проявляется в её специализации.

7. Специализация функций системы. В ответ на определённое (специфическое) внешнее воздействие система всегда даёт определённый (специфический) результат действия.

Например, сфинктеры могут только сокращать свой просвет, но не могут секретировать или проводить возбуждение. Секреторные клетки могут только выделять специфический секрет (гормон, мукозу, желудочный сок, инсулин и т.д.), но не могут сокращаться, передавать давление и т.д. Функциональные единицы вентиляции лёгких (ФЕВ) могут пропускать через себя только воздух, но не жидкость. Функциональные единицы перфузии лёгких (ФЕП-МКК) могут пропускать через себя только жидкость (кровь), но не воздух. Саркомеры активно могут только сокращаться, но не удлиняться. И т.д.

Специализация – это целенаправленность. Любая система специализирована (целенаправленна), и это исходит из аксиомы. Нет систем вообще, есть конкретные системы. Поэтому у любой системы есть её специфическая цель. Специализация эритроцитов – переносить кислород. Специализация белых клеток крови – защищать организм от инородных тел.

Элементы исполнения (исполнительные СФЕ) каких-либо систем могут быть однотипными (одинаковыми, не дифференцированы друг от друга). Если же элементы исполнения отличаются друг от друга (разнотипны), то данная система состоит из дифференцированных элементов.

Клетки бластулы (яйцеклетка на стадии деления) не дифференцированы. Но начиная с некоторого определённого момента деления, возникает их дифференциация, появляются стволовые специализированные клетки, дающие начало зарождения отдельных специализированных тканей – нервных клеток, мышц, секреторных клеток и т.д.. Ткани содержат уже глубоко специализированные клетки, которые имеют специальные функции (сокращения, секреции, возбуждения, и т.д.). У раковых клеток происходит обратный процесс – уменьшение дифференциации, они ближе к бластуле, чем полностью дифференцированные клетки, из которых они произошли.

Таким образом, всегда на определённое внешнее воздействие система даёт определённую специфическую реакцию, проявляя себя как единый цельный объект.

8. Цельность системы. Система проявляет себя как единичный и целостный объект. Это вытекает из единства цели, которое присуще только системе в целом, но не её отдельным элементам в частностях. Цель объединяет элементы системы в единое целое.

Система кровообращения является единым и целостным объектом с одной главной целью – обменивать метаболические газы между воздухом в лёгких и клетками организма, хотя и состоит из четырёх элементов – сосудистой системы, двух насосных систем (левый и правый желудочки сердца) и крови, а каждый из них состоит из ещё более мелких объектов.

Цельность системы определяется специфичностью реакции на определённые внешние воздействия, но любая реакция любой системы появляется как результат действия составляющих её подсистем, входящих в её состав на разных уровнях её иерархии.

9. Иерархичность системы. Элементы системы находятся в различных отношениях между собой и место каждого из них является местом на иерархической лестнице системы.

Система хотя и проявляет себя как единичный и целостный объект, но состоит из элементов (подсистем, частей), т.е., систем более низкого порядка. В то же время она сама может быть системой (подсистемой, частью), входящей в состав системы более высокого порядка.

Все элементы нашего мира взаимосвязаны в той или иной степени. Отсюда следует, что в принципе существует только одна Система под названием «Мир» (Вселенная, и т.д.), а всё, что в нём существует, является его элементами (подсистемами, СФЕ, частями, элементами, членами, и т.д.). Мы пока не знаем ни целей этой Системы, ни даже того, существует ли эта Система (Вселенная, доступная нам в изучении) в единственном числе, или их много. Возможно существуют бесконечные продолжения в стороны более высокого или низкого порядков.

Но в любом случае биосфера является органичным элементом этого мира и, в то же время, окружающей средой для организма человека. А организм человека является естественным элементом биосферы, которая воздействует на него и вызывает его реакции. Именно воздействия внешней среды могут привести к различным болезням – поражениям различных СФЕ организма.

Иерархичность систем обусловлена иерархичностью целей. У системы есть цель. А для достижения этой цели необходимо решить ряд более мелких подцелей, для которых большая система содержит ряд подсистем различной степени сложности, от минимальной (СФЕ) до максимально возможной сложности.

Иерархичность – это различие между целью системы и целями её элементов (подсистем), которые являются для неё подцелями. Причём, системы более высокого порядка ставят цели перед системами более низкого порядка. Таким образом, цель высшего порядка подразделяется на ряд подцелей (целей более низкого порядка). Иерархия целей определяет иерархию систем. Для достижения каждой из подцелей требуется специфический элемент (следует из закона сохранения). Управление в иерархической лестнице осуществляется согласно закону «вассал моего вассала не мой вассал». Т.е., прямое управление возможно лишь на уровне «система – собственная подсистема», и невозможно управление системой подсистемы её подсистемы. Царь, если он хочет отрубить голову рабу, он не делает это сам, а приказывает своему подчинённому палачу.

Любой живой организм является частью (системой, подсистемой) системы более высокого порядка – семьи, рода, вида и мира живых существ. А эти системы более высокого порядка, в свою очередь, являются элементами другой системы ещё более высокого порядка, называемой биосферой, которая сама является элементом системы ещё более высокого порядка, называемого «планетой Земля». Элементы живого организма (системы и подсистемы, состоящие из клеток, жидкостей и пр.) являются системами более низкого порядка по отношению к нему самому. Цель организма как системы – выжить в условиях биосферы. Эта цель подразделяется на ряд более мелких целей (подцелей) – двигаться, питаться, снабжать себя кислородом, удалять из себя все конечные продукты метаболизма, и т.д. Для каждой из этих подцелей существуют специфические системы (подсистемы, элементы), каждая из которых имеет только их специфические функции.

Но между всеми сопряженными частями (подсистемы) систем есть коммуникативные иерархические связи, которые определяют их взаимодействие. Любые системы, начав взаимодействовать, вступают в иерархические связи, образуя таким образом более сложные системы. Следовательно, между всеми взаимодействующими системами есть коммуникативные связи.

10. Коммуникативность систем. Сопряженные системы взаимодействуют между собой. В этом взаимодействии заключается связь между системами, их коммуникативность.

Различают открытые и закрытые системы. Однако в нашем мире нет полностью изолированных (закрытых) систем, на которые невозможно было бы оказывать какие-либо воздействия, и которые никак не воздействовали бы на какие-либо другие системы. Можно найти минимум две системы, которые никак не взаимодействуют (не реагируют) между собой, но всегда можно найти третью систему (а возможно потребуется группа промежуточных систем), которая будет взаимодействать (реагировать) с первыми двумя, т.е., быть связующим звеном между ними.

Взаимодействие между системами может быть сильным или слабым, но оно реально или в потенции должно быть, иначе системы не существуют друг для друга. Взаимодействие осуществляется за счёт цепочек действий - «...внешнее воздействие → результат действия...». Если замкнуть конец такой цепочки на её начало, получим замкнутую (закрытую) систему. Результат действия после своего «рождения» не зависит от «породившей» его системы. Поэтому он может стать внешним воздействием для неё самой же. Тогда это будет циклически действующая система – генератор с положительной обратной связью. Но и генератор для своей деятельности требует энергии, поступающей извне. Следовательно, и он в какой-то мере открыт. Поэтому, как уже выше было сказано, абсолютно закрытых систем не бывает. У каждой системы есть определённое число внутренних (между элементами) и внешних (между системами) связей, через которые система может взаимодействовать с другими внешними системами. Закрытость (открытость) системы определяется отношением числа внутренних связей к внешним. Чем больше это отношение, тем больше закрытость системы.

Космические объекты типа «чёрных дыр» принято относить к закрытым системам, потому что даже фотоны не могут оторваться от них. Но они реагируют с остальными космическими телами через гравитацию. Значит они «открыты» через канал гравитации, через который они «испаряются» (исчезают).

У системы «артериальное русло Большого Круга кровообращения» есть очень много внутренних связей между его элементами (бифуркации артерий, структуры стенок артерий, внутриклеточные структуры, и т.д., т.е., большое множество внутренних связей). Но у неё есть две внешние связи – одна связь на приём внешнего воздействия (связь с выходным отделом левого желудочка, который воздействует на артериальную сеть ударным, или сердечным выбросом крови) и ещё одна связь на выдачу своего результата действия (связь с прекапиллярными сфинктерами микроциркуляторного русла). Таким образом, эта система «открыта» на левый желудочек и на микроциркуляторное русло БКК (две открытые связи). Поскольку число внутренних связей намного больше внешних, данная система относительно закрыта. В цепочке «...внешнее воздействие → результат действия...» происходит преобразование – «сердечный выброс → артериальное давление», а собственным результатом действия является «общее периферическое сосудистое сопротивление».

Возможно наш Мир является замкнутой на себя и полностью закрытой системой. Но пока нам это неизвестно.

11. Управляемость систем. Любая система содержит элементы (системы) управления, которые контролируют соответствие между результатом действия системы и поставленной целью. Эти элементы управления образуют блок управления.

Управление системой осуществляется через задание уставки в её блок управления, а управление её элементов исполнения – через задание уставок в их блоки управления. Любой рефлекс является проявлением работы блока управления. А поскольку блок управления является неотъемлемой принадлежностью любых систем, живых и неживых, то у любых систем организма и на любых уровнях (включая клеточные и субклеточные) есть собственные рефлексы.

С помощью рефлексов блок управления управляет элементами исполнения, которые должны выполнить цель ровно настолько, насколько это задано уставкой, ни больше, ни меньше (не минимально или максимально, а оптимально), по принципу – «необходимо и достаточно». Элементы управления следят за выполнением цели и если результат превышает заданный, блок управления заставляет элементы исполнения уменьшить функцию системы, если он ниже заданного – увеличить функцию системы. Цель диктуется внешними условиями по отношению к системе. Уставка вводится в систему через особый канал ввода уставки.

Фактически орган управления системы постоянно сравнивает внешние условия и результат действия с уставкой. Если заданная уставкой цель выполняется, орган управления системы не делает никаких действий. Если есть несоответствие между заданной целью и результатом действия системы, то орган управления воздействует на элементы исполнения таким образом, чтобы это несоответствие исчезло (система действует). Решения органа управления зависят от наличия и величины несоответствия (рассогласованности) результата действия системы и её цели.

Уставку (задание цели для данной системы) всегда задаёт верхняя (старшая) в цепи иерархии система. Она (уставка) может меняться, в зависимости от «интересов» этой старшей системы А блок управления данной системы всегда будет следить за соответствием результата действия уставке (цели) и действовать таким образом, чтобы новый результат действия соответствовал новой уставке. Самоорганизующиеся системы могут поменять некоторые параметры уставки, в зависимости от внешней ситуации. Но ни одна система не может поменять собственную цель, поскольку цель всегда задаётся извне.

Таким образом, система управляется путём ввода в её орган управления уставки, которая вводится в систему извне, а сам орган управления управляет системой путём включения или выключения функции элементов исполнения – СФЕ. Чем большее число более мелких СФЕ входит в состав данной системы, тем точнее она сможет выполнять свои функции, поскольку число СФЕ определяет число градаций (квантов) результата действия.

Если должная функция системы не выполняется, это значит, что недостаточно резервов исполнительных элементов (СФЕ) и причины этого были рассмотрены выше.

Но это может быть также и потому, что блок управления выбирает неверное (не оптимальное) решение для управления. Последнее может быть в тех случаях, если у блока управления недостаточно информации для принятия верного решения (недостаточность ППС или ООС), или он слишком слаб для того потока информации, который приходит в него. Это может быть из-за нарушений афферентных или эфферентных путей между сенсорами и блоком управления, из-за дефектов самих сенсоров, или из-за дефектов или недоразвитости самого блока управления.

Глава 2. Клинические приложения теории систем.

§1. Реакция, дефект и болезнь. (Диагностика и лечение с позиций системного анализа).

Как уже было отмечено выше, основной задачей медицины является не только снятие боли и страданий у больного, но и обеспечение ему возможности вести полномасштабный уровень жизни, который не должен отличаться от уровня жизни любого другого здорового человека. Медицина должна обеспечивать полное выздоровление и возврат к нормальным жизненным условиям всех без исключения больных. Для выполнения такой глобальной задачи предполагается, что у каждой клинической дисциплины (кардиологии, пульмонологии, гастроэнтерологии, и т.д.) есть две главные подзадачи:

• диагностика – выявление ненормальностей функций органов, мешающих нормальному и полноценному образу жизни больного

• лечение – ликвидация этих ненормальностей, если таковые обнаруживаются

При этом предполагается, что ненормальности функции органов являются болезнью. Однако, как выше уже было отмечено, что нет функций органов, а есть функции систем. Функции органов – это, в принципе, функции систем, которые составляют эти органы. Сами органы функций не имеют. Следовательно, есть некоторая неопределённость в понятиях «болезнь», «диагностика» и «лечение», поскольку понятие «система» шире, чем понятие «орган». В чём же разница между понятиями «орган» и «система организма»?

Различие между этими понятиями заключается в том, что «орган» является анатомо-морфологическим (структурным) понятием, т.е., анализирует состав и взаиморасположение элементов (топологию). А понятие «система организма» – функциональным, т.е., анализирует состав, взаимосвязь и взаимодействие элементов. Необходимо правильно соотносить эти два понятия.

Например, нет функций лёгких, а есть функции системы внешнего газообмена и функции некоторых подсистем системы кровообращения (сосудов легочного, или иначе, Малого Круга Кровообращения – МКК, сосудов бронхиального крово- и лимфообращения), которые входят в состав лёгких. Функция системы внешнего газообмена – перенос метаболических газов в воздушной среде, между окружающей атмосферой и венозной кровью, протекающей через МКК. Функция МКК – обеспечить необходимую площадь контакта крови, находящейся в капиллярах МКК, с альвеолярным воздухом, для того, чтобы кровоток мог обменяться метаболическими газами с этим воздухом.

Понятия «норма», «не норма» и «болезнь» определяют три различных класса состояний организма и являются основными понятиями медицины. В зависимости от того, что есть у пациента – норма, не норма, или болезнь, зависят наши врачебные действия в отношении данного больного:

• если пациент в норме, то мы не должны вмешиваться в его состояние (не должны лечить)

• если у пациента не норма, то в зависимости от вида «ненормы» и от наших возможностей мы

  • можем вмешиваться в его состояние (нужно лечить если есть дефект и нужно его исправить, если это возможно сделать)

  • не можем вмешиваться (нужно лечить если есть дефект и нужно его исправить, но не всегда можем это сделать, так как наши возможности не безграничны. Например, у больного удалили лёгкое, но в данный момент его состояние достаточно стабильно. У него нет болезни, но есть дефект, который мы исправить не можем.)

• если у пациента болезнь, то мы должны проводить какие-то врачебные мероприятия, активно воздействовать на функциональное состояние организма больного (должны лечить).

Понятие «норма» очень растяжимое. Например, артериальное систолическое давление 120 и 190 mm Hg может быть нормальным, если первое из них получено в состоянии покоя, а второе – на пике нагрузки. Но такие же значения давления могут быть не нормальными, если первое получено на пике нагрузки, а второе – в состоянии покоя. В некоторых случаях давление может подскочить в покое до 190 mm Hg и у нормального человека, если ему объявить что-нибудь очень неприятное. Но это нормальная реакция на сильный эмоциональный раздражитель.

В чём же разница между реакцией и болезнью? Почему нам так важно знать, это реакция или болезнь? Вероятно потому, что если это нормальная реакция организма в ответ на что-то, то мы не должны вмешиваться в функциональное состояние организма, не должны его лечить. Любой живой организм обязан реагировать на обычные для условий его проживания внешние воздействия, потому что его реакция даёт нужный для его выживания результат действия. Это нормальное явление, и после прекращения внешнего воздействия он должен самостоятельно вернуться на свой исходный уровень, к своему первоначальному функциональному состоянию. Если же это болезнь, то будет происходить прогрессирующее разрушение СФЕ данного организма и мы обязаны вмешаться в этот процесс и активно воздействовать на организм с целью остановки дальнейшего разрушения его СФЕ.

Попытаемся разобраться и определить, что же заключается в понятиях «норма», «не норма», «реакция», «патология», «патологический процесс», «дефект», «болезнь острая», «порочный круг», «болезнь хроническая» «синдром», «симптом», «диагноз» и «лечение».

Реакция.

Реакция является действием системы на получение необходимого для её выживания результата действия в ответ на внешнее воздействие, т.е., является функцией системы. Реакция всегда специфична. Живой организм и его внутренние системы всегда должны реагировать на определённые внешние воздействия, и их реакция должна быть того качества и в том объёме, которые соответствуют данному воздействию. Например, в ответ на физическую нагрузку живой организм должен увеличить обмен метаболических газов (увеличить потребление кислорода и выделение углекислого газа), увеличить объём вентиляции лёгких, сердечный выброс и т.д.