Гомеостазис и открытые системы

Среди упомянутых теоретических моделей кибернетическая модель гомеостазиса и модель открытой системы, развиваемая в рамках общей теории систем, претендуют на объяснение многих эмпирических явлений. Поскольку [c. 39] отношение этих двух теорий не всегда хорошо осознают, уместно кратко остановиться на этом вопросе.

Простейшая схема обратной связи может быть представлена в следующем виде (рис. 1). Современные сервомеханизмы и автоматы, точно так же как и многие явления в живом организме, основаны «а действии обратных связей, причем в их гораздо более сложных – по сравнению с простой моделью (рис. 1) – формах, однако последняя является их элементарным прототипом.

Рис. 1. Модель простой обратной связи

В применении к живым организмам схема обратной связи выступает в форме гомеостазиса.

Согласно Кэннону, гомеостазис представляет собой совокупность органических регуляций для поддержания устойчивого состояния организма, причем действие регулирующих механизмов может происходить не в одном и том же, но нередко в разных и даже противоположных направлениях – сообразно соответствующим внешним изменениям, которые подчиняются некоторым физическим законам. Простейшим примером гомеостазиса является гомеотермия. В физической химии по правилу Вант-Гоффа уменьшение температуры ведет к понижению скорости химических реакций. Именно так обстоит дело в обычных физико-химических системах, а также у холоднокровных животных. Однако у теплокровных животных понижение температуры вызывает противоположное действие, а именно увеличение скорости метаболического процесса, в результате чего поддерживается постоянная температура тела на уровне около 37° С. Это обусловлено действием механизма обратной связи. Понижение температуры стимулирует термогенические центры в таламусе мозга, которые «включают» тепло-производящие механизмы тела. Подобную же схему обратной связи можно найти в разнообразных формах физиологических регуляций. Регуляция положения и [c. 40] управление действиями при целеустремленной активности животных и человека точно так же осуществляется механизмом обратной связи.

В отличие от кибернетики, занимающейся анализом механизмов обратной связи, общую теорию систем интересует динамическое взаимодействие внутри систем со многими переменными. Причем для живых организмов наибольшее значение в этой связи имеет исследование понятия открытой системы. Для такой системы характерно, что в нее постоянно вводится извне вещество. Внутри системы вещество подвергается различным реакциям, которые частично дают компоненты более высокой сложности. Именно это мы называем анаболизмом. Одновременно с этим происходит катаболизация вещества и конечные продукты катаболизма выводятся из системы. Простая модель открытой системы изображена на рис. 2.

Рис. 2. Модель простой открытой системы. Компонент А вводится в систему и превращается в результате обратимой реакции в B; одновременно с этим путем необратимой реакции происходит катаболизация и полученный продукт C в конечном счете выводится из системы. K1, K2 – константы ввода и вывода; k1, k2, k3 – константы реакции. Данная модель в общих чертах соответствует, например, протеиновому обмену в живом организме, где A – аминокислоты, B – протеины и C – продукты физиологического выделения.

Некоторые черты открытых, в отличие от закрытых, систем состоят в том, что при соответствующих условиях открытая система достигает состояния подвижного равновесия, в котором ее структура остается постоянной, но в противоположность обычному равновесию это постоянство сохраняется в процессе непрерывного обмена и [c. 41] движения составляющего ее вещества. Подвижное равновесие открытых систем характеризуется принципом эквифинальности, то есть в отличие от состояний равновесия в закрытых системах, полностью детерминированных начальными условиями, открытая система может достигать не зависящего от времени состояния, которое не зависит от ее исходных условий и определяется исключительно параметрами системы. Более того, в открытых системах проявляются термодинамические закономерности, которые кажутся парадоксальными и противоречат второму началу термодинамики. В соответствии с этим началом общий ход физических событий (в закрытых системах) происходит в направлении увеличения энтропии, элиминирования различий и достижения состояния максимальной неупорядоченности. В то же время в открытых системах, в которых происходит перенос вещества, вполне возможен ввод негэнтропии. Поэтому подобные системы могут сохранять свой высокий уровень и даже развиваться в сторону увеличения порядка и сложности, что действительно является одной из наиболее важных особенностей жизненных процессов (см. Берталанфи [14]).

Модель открытой системы имеет широкую сферу приложения. В соответствии с ее спецификой она применима преимущественно к явлениям с неструктурным, динамическим взаимодействием процессов типа метаболизма, роста, метаболических аспектов возбуждения и т. д. (подробнее см. раздел 5 настоящей статьи).

Говоря в общем плане, живые системы можно определить как иерархически организованные открытые системы, сохраняющие себя или развивающиеся в направлении достижения состояния подвижного равновесия. Болезнь в этой связи следует рассматривать как некоторый процесс, который после определенных нарушений функционирования организма приводит к восстановлению нормального состояния, опираясь при этом на эквифинальность биологических систем и используя помощь врача. Если следовать по этому пути, то vis medicatris naturae предков освобождается от ее метафизических свойств, это больше не некая виталистическая сила, а выражение динамики живых систем, поддерживающей и восстанавливающей, насколько это возможно, их состояние подвижного равновесия. [c. 42]

Теория открытых систем способна объяснить основные особенности живых организмов, которые приводили в замешательство физиков, биологов и философов, казались нарушением законов физики и объяснялись только действием виталистических факторов, находящихся вне компетенции науки и научного объяснения.

Таким образом, «обратная связь» и «открытая система» – это две модели биологических и, возможно, бихевиоральных явлений вообще. Следует уяснить, что термин «гомеостазис» может употребляться двояко. Он используется либо в его первоначальном смысле, предложенном Кэнноном и иллюстрируемом примерами поддержания температуры тела и других физиологических переменных с помощью механизмов обратной связи, либо в другом смысле, который нередко имеют в виду, а именно как синоним для органической регуляции и адаптации вообще. Конечно, это вопрос семантики. Тем не менее использование терминов в том смысле, который первоначально вкладывался в них их авторами, – мудрое правило в естественных науках. Поэтому я предлагаю употреблять слово «гомеостазис» в его более узком, но четко определенном смысле, и это имеет важные последствия, поскольку при этом обнаруживаются определенные ограничения, о которых часто забывают.

Как уже подчеркивалось, регуляции типа гомеостазиса или обратной связи широко представлены в зрелом высокоразвитом организме. Однако, как это ясно видно на рис. 1 или на любом ином рисунке, выражающем динамику процесса, обратная связь представляет собой некое машиноподобное устройство, то есть ее действие основано на фиксированном порядке функционирования круговых линейных причинных цепей. Вместе с тем первичные органические регуляции, такие, как регуляции в раннем эмбриональном развитии, в регенерации и т. д., оказываются явлениями иной природы. Кажется очевидным, что первичные регуляции в организме обусловлены динамическим взаимодействием внутри единой открытой системы, которая восстанавливает свое подвижное равновесие. На них накладываются в результате прогрессирующей механизации вторичные механизмы регуляции, управляемые фиксированными структурами преимущественно типа обратной связи. [c. 43]

Хотя модель гомеостазиса выходит за рамки старых механистических моделей благодаря тому, что учитывает направленность в саморегулирующихся круговых процессах, она все еще опирается на машинную теорию организма. Этой модели также свойственна и вторая ограниченность механистического взгляда. Существенный элемент механистической точки зрения – утилитарная концепция, тесно связанная с экономическими воззрениями XIX и начала XX в. Это хорошо известно, например, из дарвинизма: борьба за существование и выживание наиболее приспособленных является биологической версией экономической модели свободной конкуренции. Подобный утилитарный, или экономический, взгляд господствует также и в понимании гомеостазиса: организм рассматривается преимущественно как агрегатный механизм, сохраняющий свое состояние с минимальными издержками. Однако в живом мире, по-видимому, имеется множество неутилитарных структур и функций.

Понятию гомеостазиса свойствен также и третий аспект механистической точки зрения. Организм рассматривается как преимущественно реагирующая система. Внешние стимулы вызывают такие реакции, которые сохраняют состояние системы. Модель обратной связи (рис. 1), по существу, является классической схемой стимул – реакция с добавлением петли обратной связи. Однако огромное число фактов свидетельствует о том, что первичное органическое поведение, например первые движения утробного плода, является не рефлекторным ответом на внешние стимулы, а скорее самопроизвольным, концентрированным действием всего эмбриона или даже более широких органических структур. Рефлекторные реакции, отвечающие на внешние стимулы и следующие друг за другом в некоторой структурированной последовательности, накладываются на исходные автоматизмы в качестве онтогенетических и филогенетических вторичных механизмов регуляции. Далее мы увидим, что эти рассуждения приобретают особую важность в теории поведения.

Таким образом, в развитии и в эволюции динамическое взаимодействие (открытая система), по-видимому, предшествует механизации (структурным механизмам главным образом типа обратной связи). В этой связи общая теория систем логически может рассматриваться [c. 44] как более общая теория: она включает системы с обратной связью как особый случай, но это утверждение не является истинным vice versa. Нет нужды подчеркивать, что здесь мы изложили скорее программу. будущей систематизации и интеграции общей теории систем, нежели уже построенную к настоящему времени теорию.