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

у любой системы есть переходные процессы

период цикла у каждой системы может быть различен и зависит от постоянной времени реакции системы на внешнее воздействие (в живых системах – от скорости биохимических реакций и от скорости проведения управляющих сигналов)

неравномерность периода цикла системы зависит от наличия переходных процессов, следовательно, в определённой степени, от силы внешнего воздействия

неравномерность периода цикла системы зависит от наложения (интерференции) периодов циклов взаимодействующих систем

по окончании цикла действий после одиночного внешнего воздействия система возвращается в исходное состояние, в котором она была до начала внешнего воздействия (на одиночное внешнее воздействие – одиночный результат действия).

после того, как результат действия был произведен системой, он становится независим от произведшей его системы и сам может стать внешним воздействием для неё же (генераторы), если подать его на вход внешнего воздействия той же системы и она опять возбудится и снова произведёт новый результат действия (положительная обратная связь, ПОС)

Отсюда мы можем вывести определения функциональных состояний и динамичности процесса.

Функциональное состояние системы.

Функциональное состояние системы определяется числом активных СФЕ. Если ни одна СФЕ не активна – это минимальное (нулевое) функциональное состояние. Это может быть при отсутствии внешнего воздействия. Если все СФЕ одновременно функционируют – это максимально высокое функциональное состояние, которое возникает при максимальном внешнем воздействии.

Внешняя среда постоянно оказывает какое-либо воздействие на любые системы, включая системы организма. Даже в состоянии покоя сила земного притяжения заставляет работать часть наших мышц, и поэтому нет абсолютного покоя. Следовательно, когда мы как будто находимся в состоянии покоя, на самом деле мы находимся на одном из низких уровней физической нагрузки с соответствующим определённым низким уровнем функционального состояния организма. Любое внешнее воздействие, требующее дополнительной активной деятельности, переводит нас на новый уровень функционального состояния, если только резерв СФЕ не исчерпан. Когда новое воздействие устанавливается на новом неизменном (стационарном) уровне, то и функциональное состояние системы устанавливается в новом неизменном (стационарном) функциональном уровне.

Функциональные состояния различных взаимосвязанных подсистем должны соответствовать друг другу. Например, если в состоянии покоя субъекта работает только часть мышечных групп, то и снабжаться кровью (перфузироваться) должна только часть тканевых сосудистых сегментов, соответственно нагрузке (рис. 17). Если нагрузка увеличивается, то увеличивается число работающих мышечных групп и число кровоснабжающих их сосудистых сегментов. Подключение этих сегментов к перфузии происходит за счёт их функционального резерва. Это увеличение числа перфузируемых сосудистых сегментов не может продолжаться бесконечно и заканчивается тогда, когда запас СФЕ исчерпывается. Следовательно, если нет запаса СФЕ функциональное состояние системы поднялось от низкого к высокому.

Так как в состоянии покоя субъекта работает только часть мышечных групп и перфузируется только часть тканевых сосудистых сегментов, то для перфузии этих сосудистых сегментов требуется небольшой кровоток и левый желудочек использует только часть своей максимальной мощности. Поэтому для перфузии «мало» работающего миокарда открыта только часть коронарных сосудов и в норме в покое коронарное сосудистое сопротивление будет высоким, соответствующим должному покоя. Во время максимальной нагрузки, когда работают все мышечные группы и требуется максимальный сердечный выброс и максимальная мощность сокращения миокарда левого желудочка, для адекватной перфузии «много»-работающего миокарда открываются все коронарные артерии.

А В

Рис. 17. Минимальное функциональное состояние СОМГ в покое (А) и максимально высокое при максимальной физической нагрузке (В). (Функциональная схема)

В покое (А) работает минимальное число тканевых сегментов (5), а остальные тканевые сегменты не работают (6). Для обеспечения их газообмена достаточно минимального количества действующих лёгочных функциональных единиц (ЛФЕ, 1), которые вентилируются сопряжёнными с ними бронхами (3). Остальные ЛФЕ не функционируют (резерв, 2) и их бронхи не вентилируются (4). В нагрузке (В) работают все тканевые сегменты и все ЛФЕ. 7 – левый желудочек; 8 – правый желудочек.

Следовательно, в норме в состоянии покоя субъекта коронарное сосудистое сопротивление высокое, а в нагрузке оно падает, но оно всегда должно соответствовать функциональному состоянию периферического кровообращения (актуальная кривая коронарного сосудистого сопротивления совпадает с должной кривой, рис. 18А).

Если же у больного повышено ОПСС (артериальная гипертония), то в тех же условиях, при тех же уровнях внешней нагрузки, миокард левого желудочка будет напрягаться больше, чем это было бы при нормальном ОПСС. Поэтому он будет потреблять больше кислорода (синдром перегрузки миокарда) и коронарный кровоток должен быть больше, чем у здорового субъекта на том же уровне нагрузки. Для того, чтобы увеличить коронарный кровоток необходимо уменьшить коронарное сосудистое сопротивление, что и происходит у больных артериальной гипертонией (синдром перегрузки коронарного кровообращения: актуальная кривая коронарного кровотока выше, а актуальная кривая коронарного сосудистого сопротивления ниже должной кривой, рис. 18В). Т.е., у этих больных функциональное состояние коронарного кровообращения выше, а резервы ниже, чем у здоровых, потому что миокард левого желудочка работает на преодоление повышенного ОПСС. Уже в состоянии покоя субъекта коронарные сосуды раскрыты как во время нагрузки (синдром перегрузки миокарда, «человек сидит, а его сердце «бежит»).

А В

Рис. 18. Коронарное сосудистое сопротивление в нагрузке у здорового субъекта (А) и у больного артериальной гипертонией (В).

У здорового кривая Myocardial vascular resistance (сплошная жирная кривая) совпадает с должной кривой (снижающаяся кривая из вертикальных отрезков прямой). У больного кривая Myocardial vascular resistance намного ниже должной кривой. Следовательно, у больного коронарные сосуды раскрыты больше, чем должно быть и это объясняется перегрузкой миокарда, которая требует большего кровотока (синдром перегрузки миокарда обеспечивается синдромом перегрузки коронарного кровообращения).

На всех графиках: вертикальная пунктирная прямая – порог анаэробного обмена. В обоих случаях подъём систолического артериального давления происходил после порога анаэробного обмена. По оси Х – VCO₂.

У больных с остановками дыхания во время сна, по мере развития заболевания развивается недостаточность миокарда правого желудочка. Эти больные применяют особый вид искусственной вентиляции лёгких (Continuous Positive Airway Pressure, CPAP). Однако СРАР повышает давление внутри альвеол, и это чревато сдавлением альвеолярных капилляров и дополнительной перегрузкой миокарда правого желудочка, что требует подключения дополнительных исполнительных элементов сокращения (саркомеров) из резерва. Пока у них достаточно резервов миокарда правого желудочка, его насосная функция сохраняется нормальной [9], несмотря на применение СРАР. Когда резервов сократительной функции миокарда уже недостаточно (терминальные стадии сердечной недостаточности), то правый желудочек в условиях перегрузки не может обеспечить нормальную насосную функцию и сердечный выброс будет уже недостаточным. Возникает несоответствие между функциональным состоянием миокарда правого желудочка и его нагрузкой, потому что применение СРАР снижает сердечный индекс [7]. В этих случаях из-за слабости миокарда правого желудочка применение СРАР уже не оправдано.

Стационарные состояния.

Стационарным является такое состояние систем, когда в этих системах функционирует одно и то же число СФЕ и не происходит изменения их функционального состояния.

Например, в состоянии покоя все системы организма не меняют своего функционального состояния, поскольку всё время функционирует примерно постоянное число СФЕ . Следовательно, он находится в стационарном состоянии.

Бегунья, которая достаточно долгое время бежит на длинной дистанции не меняя скорости бега, также находится в стационарном состоянии (рис. 19). Её нагрузка не меняется и поэтому не меняется число работающих (функционирующих) СФЕ, т.е., не меняется функциональное состояние её организма. Организм уже «вработался» в эту не меняющуюся нагрузку, а поскольку нет прироста нагрузки, то нет и прироста числа работающих СФЕ. Оно (число работающих СФЕ) сохраняется постоянным и поэтому функциональное состояние организма не меняется. У данной бегуньи может меняться, например, состояние систем тканевой энергопродукции (истощение запасов гликогена) и систем тканевого энергопотребления (возможно истощение и износ митохондрий, миофибрилл, саркоплазматического ретикулума в кардиомиоцитах и т.д.), что и является процессом утомления организма. Однако, если бегунья правильно спланировала тактику бега таким образом, чтобы не входить в состояние анаэробного обмена, то состояние систем дыхания и кровообращения не меняется. Таким образом, нет физической нагрузки, или она есть, но не меняется (стационарная физическая нагрузки – steady state, при условии её адекватности возможностям организма), организм субъекта будет находиться в стационарном состоянии.

Рис. 19. Стационарные состояния покоя и бега в неизменном ритме.

В обоих случаях потребление кислорода (VO₂) не меняется, хотя во время бега этот параметр гораздо выше, чем в состоянии покоя.

Но если бегунья будет бежать в условиях анаэробного обмена, то начнёт работать порочный круг (см. далее) и функциональное состояние её организма будет неуклонно меняться в худшую сторону. Прекращение нагрузки прерывает этот порочный круг. Иногда, если испытуемый является тяжелым кардиологическим больным в стадии сердечной декомпенсации, испытание даже очень малыми дозами физической нагрузки «загоняет» его в анаэробный обмен и из-за кислородного долга ему уже очень трудно из него выйти, что приводит к госпитализации больных со всеми вытекающими отсюда последствиями. Это следует учитывать при проведении теста с максимальными физическими нагрузками.

Таким образом, любые системы организма всегда находятся в одном из своих сиюминутных стационарных состояний. Они переходят с одного уровня на другой только в случае изменения внешнего воздействия. Можно говорить о диапазоне различных стационарных состояний, в котором может меняться система. Например, в состоянии покоя величина потребления кислорода организмом человека (VO₂) около 200 мл/мин, а в нагрузке VO₂=2000 мл/мин. Диапазон VO₂ – от 200 до 2000 мл/мин. В лёгких человека есть около 1.5 млн функциональных единиц вентиляции (ФЕВ), каждая из которых представляет собой группу из примерно 200 альвеолярных ходов. Для того, чтобы обеспечить необходимый уровень VO₂, каждая из этих ФЕВ может быть включена в вентиляцию, или отключена от неё. В покое действуют только около 150 тыс. ФЕВ, а в нагрузке все 1.5 млн. Диапазон числа вентилируемых ФЕВ – от 120 тыс. до 1200 тыс.

Динамические процессы.

Динамическим процессом является процесс изменения функционального состояния системы. Система находится в динамическом процессе тогда, когда происходит изменение числа её СФЕ, включенных в действие. Но число постоянно включенных в действие СФЕ определяет стационарное состояние системы. Следовательно, динамический процесс – это процесс перехода системы с одного стационарного уровня на другой.

Если скорость изменения внешних воздействий превышает скорость установления заданного результата действия системы, то появляются переходные процессы (мультимикроциклы, см. выше), во время которых также происходит изменение числа функционирующих СФЕ. Поэтому эти переходные процессы также являются динамическими.

Следовательно, есть два типа динамических процессов – когда система переходит с одного своего стационарного состояния (уровня) на другой из-за внешнего воздействия и когда она находится в переходном мультимикроцикле. Первый из них является целевым, а второй обусловлен несовершенством систем и является паразитным, потому что на его действия отбирается дополнительная энергия, которая была предназначена на целевые действия.

По определению данному выше, в стационарном состоянии системы функционирует некоторое определённое число СФЕ, от нуля до всех. Минимальным шагом изменения уровня функционального состояния является величина, определяемая уровнем срабатывания одной СФЕ (одним квантом действия). Следовательно, в принципе, переход с одного уровня функционального состояния на другой всегда является дискретным (квантованным), а не гладким, и эта дискретность определяется «калибром» СФЕ. Число стационарных состояний равно числу СФЕ системы. Системы с большим количеством «мелких» СФЕ будут проходить через динамические процессы более гладко и без сильных рывков, чем системы с небольшим количеством «крупных» СФЕ.

Следовательно, динамический процесс характеризуется амплитудой прироста функций системы от минимума к максимуму (минимакс системы зависит от абсолютного числа её СФЕ), дискретностью или шагом прироста функций (зависит от «калибра» или кванта единичных СФЕ) и параметрами цикличности функций (скоростью нарастания действий системы, периодом фаз цикла и т.д.). Он может быть целевым или паразитным.

Следует отметить, что стационарное состояние также является процессом, но установившимся (стационарным) процессом. В таких случаях состояние систем от цикла к циклу не меняется. Но во время каждого цикла в системе происходит очень много различных динамических процессов, потому что система сама состоит из подсистем, в каждой из которых есть свои циклы и свои процессы. Установившийся процесс сохраняет систему в одном и том же функциональном состоянии и на одном и том же стационарном уровне, потому что по определению, данному выше, если система не меняет своего функционального состояния, то она находится в стационарном состоянии.

Следовательно, установившийся процесс и стационарное состояние – это одно и то же, потому что независимо от того, находятся ли системы в стационарном состоянии или в динамическом процессе, в их подсистемах всегда могут быть какие-либо стационарные или динамические процессы. Например, даже просто рецепция рецептором «Х» является динамическим процессом.

Отсюда – нет абсолютно инертных (бездеятельных) объектов, любой объект нашего Мира тем или иным образом как-то действует. Предполагается, что полностью «бездеятельным» объект может быть при нуле градусов Кельвина (абсолютный нуль). Попытки получить абсолютно бездеятельные системы предпринимались путём замораживания тел до долей градусов Кельвина. Но заморозить тело до абсолютного нуля, видимо, не удастся, потому что всё равно тело будет двигаться в пространстве, пересекать какие-либо магнитные, гравитационные или электрические поля и как-то взаимодействовать с ними. Поэтому, вероятно, в принципе невозможно получить абсолютно бездеятельное тело.

Целостный организм представляет собой мозаику систем, находящихся или в разных стационарных состояниях, или в динамических процессах. Можно было бы возразить, что в организме вообще нет систем в стационарном состоянии, поскольку в любых его системах постоянно происходят какие-либо динамические процессы. Во время систолы давление в аорте возрастает, а во время диастолы падает, сердце постоянно работает, кровь непрерывно течёт по сосудам, и т.д.

Всё это правильно, но оценка функций системы проводится не по текущему её состоянию, а по циклам её деятельности. Поскольку в любых системах, в том числе и в организме, все процессы циклические, то критерием стационарности является неизменность интегрального состояния системы от цикла к циклу. Аорта реагирует на внешнее воздействие (на ударный выброс левого желудочка) тем, что по мере нарастания давления напряжение её стенок возрастает, и по мере его снижения – падает. Но если взять период времени больший, чем период одного кардиоцикла, то интегральное состояние аорты от кардиоцикла к кардиоциклу не меняется и является стационарным.

Оценка функционального состояния систем.

Оценка может быть качественная и количественная. Наличие (отсутствие) каких-либо волн на кривой является качественной оценкой, а их амплитуда или частота – количественной. Для оценки функционального состояния любых систем необходимо сравнение результатов измерений параметров функций с тем, что должно быть у данной системы. Для того чтобы судить о наличии (отсутствии) патологии, только измерения какого-либо параметра недостаточно. Например, у кого-то мы измерили артериальное давление и получили значение 190/100 мм Hg. Много это, или мало? А сколько должно быть?

Чтобы ответить на эти вопросы нужно сравнить полученный результат с нормативной шкалой, т.е., с должной величиной. Если полученное значение отличается от должного, значит есть патология, если не отличается – нет патологии. Если артериальное давление порядка 190/100 мм Hg наблюдается в покое, это патология, если на пике должной максимальной нагрузки, это норма.

Следовательно, должные величины необходимо рассматривать в зависимости от от состояния, в котором находится данная система. Для оценки параметров существуют нормативные шкалы должных величин. Существуют максимальные и минимальные должные величины, должные покоя и пика нагрузки, а также должные кривые функций. Например, общее периферическое сосудистое сопротивление должно быть максимальным на минимуме нагрузки и минимальным на её максимуме. Современная медицина широко использует эти виды должных величин, но почти незнакома с понятием должных кривых.

Должная величина – это то, что можно наблюдать у большинства нормальных и здоровых лиц в одинаковых условиях, с учётом принадлежности субъекта к определённой нормативной группе похожих субъектов. Если все имеют такую-то величину и нормально существуют в данных условиях, то для того, чтобы и данный субъект мог также нормально существовать в этих же условиях, у него должна быть такая же актуальная величина.

Для оценки актуальных величин используют статистические нормативные шкалы, полученные путём обширных детальных статистических исследований у определённых групп субъектов. Это так называемые статистические математические модели. Они показывают, какие параметры должны быть у данной группы субъектов.

Существуют нормативные таблицы (шкалы) для большинства параметров нормального и здорового организма человека. Сравнивая данные таблицы с измеренными данными, полученными при обследовании пациента, можно их оценить (рис. 20). Однако использование нормативных таблиц – это примитивный способ оценки функций систем.

Во-первых, они дают должные величины, характеризующие только группу здоровых лиц, а не данного конкретного субъекта.

Во-вторых, мы уже знаем, что системы каждый момент времени находятся в одном из своих функциональных состояний и это зависит от внешних воздействий. Например, в покое система находится на самом низком уровне функционального состояния, а на пике нагрузке – на самом высоком. Тогда о чём говорят эти таблицы? Вероятно о должных величинах в состоянии покоя систем организма или на пике их нагрузки. Но ведь проблемы больных возникают не в состоянии их покоя, и уровень их ежедневной обычной (рутинной) нагрузки – это не их максимальная нагрузка!

Статистические математические модели не обладают необходимой точностью, как бы точно мы ни измеряли бы параметры. Они показывают, какие величины параметров должны быть у определённой группы субъектов, похожих по определённым признакам, например, мужчин в возрасте 20-30 лет, ростом 165-175 см, курящих или не курящих, женатых или неженатых, белых, желтых или черных и т.д. Статистические модели намного проще детерминированных, но и менее точные, поскольку по отношению к данному субъекту можем знать лишь с определённой долей вероятности, например, в 80%.

А В

Рис. 20. График с использованием табличных должных величин.

А – здоровый субъект; В – больной эмфиземой лёгких. Pred – табличные должные величины, Actual – актуальные величины.

У здорового субъекта (А) все лёгочные объёмы нормальные. У больного эмфиземой (В) остаточный объём лёгких увеличен (R.V), а остальные объёмы лёгких уменьшены.

Статистические модели применяют в тех случаях, когда мы не знаем всех элементов системы и законов их взаимодействия. Тогда мы выискиваем похожие системы по значимым признакам, в сходных условиях каким-то образом измеряем результаты действия всех этих систем (клинические или технические испытания) и вычисляем средний результат их действия. Предположив, что данный субъект (объект) мало чем отличается от других, иначе он не был бы похож на них, мы говорим: – «Раз у них такие-то параметры данной системы в таких-то условиях и они живут (действуют) без проблем, значит и у него должны быть такими же эти параметры, если он находится в этих же условиях».

Однако условия проживания субъекта постоянно меняются. Изменение или не учёт даже одного значимого параметра может значительно изменить результаты статистических исследований, и это является большим недостатком статистических математических моделей. Кроме того, часто статистические модели вообще не раскрывают суть патологического процесса. Функциональная остаточная ёмкость лёгких (ФОЕ) показывает объём лёгких в конце нормального выдоха и является определённым показателем числа функциональных единиц вентиляции ФЕВ (сумма всех ФЕВ равно ФОЕ). Следовательно, увеличение ФОЕ указывает на увеличение числа ФЕВ? Но у больных эмфиземой лёгких ФОЕ значительно увеличена. Что же, у них число ФЕВ увеличено? Абсурд, поскольку мы знаем, что при эмфиземе происходит разрушение ФЕВ! А у больных с недостаточностью насосной функции левого желудочка наблюдается уменьшение ФОЕ. Значит у них уменьшено число ФЕВ? Без знания динамики функций аппарата внешнего дыхания и лёгочного кровообращения точного ответа на эти вопросы дать невозможно.