Организм человека как сложная диссипативная система

Приобщение проблемы экстремального состояния к теории диссипативных систем и синергетики требует изменения категории основополагающих понятий. Это прежде всего относится к объекту ис­следования — организму человека, который в данном случае не мо­жет рассматриваться отвлеченно, как самостоятельный природный объект, вступающий во взаимодействие с внешней средой через свою. так сказать, “внешнюю орбиту”, представленную органами чувств. Он должен рассматриваться как обобщенная категория, еди­ная для всех уровней организации в пределах биосферы, но имеющая свои дефиниции, составляющие конкретную характеристику обоб­щенного понятия. Такая категория в теории термодинамики нерав­новесных процессов обозначается понятием “система”.

В наиболее общем смысле под системой принято понимать един­ство структурно-функциональных элементов (или принципов. взглядов, воззрений), которое в результате объединения обретает новые свойства, не присущие его составляющим и не отражающие их сумму. Иными словами, система — это качественно обособлен­ная категория, образующаяся в результате интеграции функцио­нально сопряженных составляющих. В данном случае имеется вви­ду не система взглядов или научных положений. Рассматривается структурно-функциональная система. Любая живая система от бес­численных в своем разнообразии живых организмов до популяций. биоценозов. социумов и, наконец, самой биосферы в целом пред­ставляет собой единство структурно-функциональных элементов или подсистем [26. 30, 33]. В зависимости от сложности и функци­онального предназначения в интегральном процессе эволюции био­сферы в целом каждый из видов живых систем имеет свою динамич­ную инфраструктуру, представляет собой единство структурно-функциональных элементов или подсистем. Синтезируя представ­ленные выше положения физиологической концепции адаптации и теории термодинамики диссипативных процессов, а затем — ориен­тируя их на клиническое предназначение, возможно сформировать общее представление о системе, соответствующей клинико-физиологическому пониманию высшей формы компактной организации живой природы — организму человека.

Прежде всего, как и любой объект живой природы, организм че­ловека представляет собой открытую систему. Это означает не про­сто тесную связь его жизнедеятельности с внешней средой, а полную невозможность существования вне этой среды. Она является источ­ником энергетических и пластических ресурсов организма, она же предоставляет объекты для целенаправленного расходования создаю­щегося энергетического потенциала. В этом в конечном итоге и со­стоит жизнь как форма существования организма.

Организм являет собой, далее, яркий пример неравновесной сис­темы. Абсолютное большинство внутренних его процессов носит не­обратимый характер. Неравновесность, необратимость внутренних процессов основывается на двух термодинамических феноменах. О первом из них много уже говорилось. Его содержание, природа, роль и значение в термодинамике неравновесных процессов хорошо изу­чены. Это энтропия, определяющая непроизводительное рассеива­ние энергии, обеспечивающей реализацию каждой функции, начи­ная с элементарных процессов и, следовательно, делающая эти про­цессы необратимыми.

Второй феномен проявляется только при сопоставлении положе­ний термодинамики с физиологическим восприятием, но. думается. что и его следует ввести в теорию термодинамики живых существ. О нем очень много сказано и написано применительно к различным уровням жизнеобеспечения организма, но пока он не рассматрива­ется в едином сочленении с энтропией в качестве фактора неравно­весности внутренних процессов. Этот фактор можно было бы обо­значить, на наш взгляд, как “термодинамический феномен инфор­мации”. Суть феномена состоит в том. что слабый в энергетическом отношении, но качественно специфичный сигнал (импульс), встре­тив на своем пути соответствующее специфичное воспринимающее устройство, способен инициировать функциональные сдвиги, свя­занные с несравненно большими термодинамическими преобразо­ваниями. Причем эти преобразования нередко затрагивают несколь­ко уровней в сложной иерархии процессов жизнеобеспечения орга­низма и реализуются не только в потреблении, но и высвобождении внутренней энергии.

Сложность иерархической структуры организма составляет третью особенность соответствующей ему системы. В физиологии и медици­не существует несколько схем, отражающих многоуровневую иерар­хию систем жизнеобеспечения. Обычно эти схемы ориентируются на морфофункциональные представления. В большинстве из них выде­ляются общеорганизменный, органо-системный, клеточный и суб­клеточный. или молекулярный, уровни. При переходе от категории организма к категории сложной биосистемы во главу угла ставятся системообразующие факторы и их проявление на различных уровнях жизнедеятельности. Отсюда и необходимость иного иерархического построения уровней (этажей) жизнеобеспечения. Оно может быть представлено в виде пирамиды (рис. 3.5). Основание, или фунда­мент, пирамиды составляют те системообразующие факторы, кото­рые обеспечивают сопряженность элементарных базисных вегетатив­ных процессов во всем их разнообразии. Эта сопряженность строит­ся на универсальных природных закономерностях, но благодаря сложности взаимодействия элементарных процессов универсальные в своей основе закономерности в итоге способствуют созданию ин­дивидуальности. неповторимости целого организма. Правда, выделя­ется ряд типовых особенностей, получающих выражение в конституционных типах (в широком их толковании, предлагаемом А.И.Клиориным [19, 20]), в физиологических типах гемодинамики с выделением гипер- и гипокинетических [50, 51], в типах иммунологической и общей реактивности, а также в типах высшей нервной деятельности, выделенных еще И.П.Павловым. Следует лишь огово­риться, что всякое типирование в пределах одного вида обусловле­но не столько объективной необходимостью, сколько нашим созна­тельным стремлением к систематизации субъективных представле­ний. Это своеобразный методологический прием, обеспечивающий ориентацию в бесконечном множестве индивидуальностей на базе тех качественных признаков, которые могут составить основу обоб­щающих суждений.

 

 

Рис. 3.5. – Иерархия системообразующих факторов и механизмов внутренней саморегуляции организма.

S2 — системы и подсистемы автономной нейрогуморальной регуляции органных функции:

S3 — центральная нейрогенная регуляция.

 

Когда в первой главе с физиологических позиций выдвигалось понятие о базисном метаболизме, то имелся в виду как раз этот фун­даментальный уровень (этаж) жизнеобеспечения, на котором изна­чально проявляются системообразующие факторы. Именно на нем определяется индивидуальная специфичность белков, складывается согласованная периодичность воспроизводства главных гуморальных биорегуляторов, обеспечивающих согласованное взаимодействие висцеральных функций. Здесь же формируется индивидуальная био­ритмика функциональной активности всего организма, не претерпе­вающая радикальных изменений в процессе жизненного цикла. Только теперь, когда за основу обсуждения берется не организм как физиологическая категория, а сложная интегрированная неравновесная система как биологическая категория, понятие о базисном мета­болизме должно быть несколько расширено и видоизменено. В ос­нову такого обновленного представления о базисном метаболизме может быть положена концепция цитокиновой сети, получившая распространение применительно к современным суждениям о мно­гофакторном иммуногенезе. В нее конструктивно вписываются не только молекулярные факторы взаимодействия клеток и органов, иммунокомпетентность которых давно установлена, но и другие ре­гулирующие механизмы, имеющие цитокиновую природу. Это каса­ется. в частности миелопептидов. обеспечивающих сопряженность иммуногенеза с системами, регулирующими общесоматическую ре­активность организма [31, 32].

Выведение концепции цитокиновой сети за пределы иммуногене­за, включение в нее многих (а, возможно, и большинства) органов и систем, обладающих специальным клеточным механизмом постоян­ной взаимной информации о происходящих в них процессах на моле­кулярном уровне, по существу и составляет представление о базисном уровне жизнеобеспечения. Конструктивная сторона такого представ­ления определяется возможностью описывать клинические ситуации, патогенетически связанные с нарушениями базисного метаболизма. Такое заключение полностью согласуется с суждениями, изложенны­ми в пятой главе уже цитировавшейся ранее книги И.Пригожина и И.Стингерс “Порядок из хаоса”, опубликованной в нашей стране в русском переводе в 1986 году. Авторы считают, что описание сложной сети метаболической активности и торможения является существен­ным шагом в понимании “функциональной логики” биологических систем. А далее следует замечание о том, что понимание процессов, происходящих на молекулярном уровне в биологических системах, требует взаимно дополняющего развития физики и биологии. Первой — в направлении сложного, второй — простого. Однако описать кли­ническую ситуацию, ориентируясь не на привычную категорию — организм, а на общебиологический подход, где в качестве основной категории выступает сложная биосистема, непросто. Для того чтобы сохранить логическую связь с клинико-физиологической концепцией на столь сложном этапе обсуждения, видимо, нецелесообразно отка­зываться от самого термина “метаболизм”. Тем более, что в данном случае в него вкладывается несколько иной. более широкий и нетра­диционный для медицины смысл. Обычно в медицине с метаболиз­мом ассоциируется представление об обмене веществ. Однако. согласно лингвистическим истокам, слово “метаболизм” происходит от греческого “metabolic”, означающего перемену, превращение. Оно используется не только для описания постоянно осуществляющихся обменных процессов организма с внешней средой, но и для характе­ристики многих явлений в других, не смежных с медициной областях, где отмечаются динамические преобразования в относительно стабильных структурных комплексах. Так. например, понятием “метаболизм” обозначается архитектурное направление, получившее развитие в шестидесятых годах нашего столетия. особенно в Японии (архитекторы Кэндзо Тангэ, Киепори, Кикутакэ и др.), и предлагаю­щее выход из кризиса урбанизации. В целях устранения неблагопри­ятных последствий урбанизации оно предусматривало строительство наряду с фундаментальными архитектурными сооружениями времен­ных построек, периодически заменяемых зелеными зонами (концеп­ция так называемых “плавающих городов”).

Обращение к архитектурным ассоциациям в данном случае имеет прямой логический смысл. Дело в том, что умозрительно можно го­ворить о существовании на уровне базисного жизнеобеспечения сложной архитектуры алгоритмов, относящихся к элементарным ви­сцеральным процессам. Алгоритм здесь может быть определен как структурное выражение функции в четырехмерном пространстве, где четвертым измерением является время. Объемность конструкции обеспечивается влиянием пространственных соотношений на моле­кулярном уровне, а время становится конструктивным фактором, определяющим последовательность развития событий и их направ­ленность с учетом согласования со смежными процессами. В раз­личных областях этой сложной архитектурной конструкции перио­дически возникают вспышки реактивного возбуждения, дающие начало реализации функциональных алгоритмов. Последние, про­двигаясь по индивидуально предопределенной “сети”, отражающей программу межмолекулярного взаимодействия (подобно светящим­ся точкам на уличных электрорекламах), концентрируются в задан­ном аттракторе той или иной функции, проявляющейся уже на уровне целостного организма.

В таком случае определение “базисный” характеризует метаболи­ческие процессы как основу целого ряда вторичных, производных изменений на других иерархических уровнях организма. Объектив­ным подтверждением существования индивидуальных программ ба­зисного метаболизма является наличие конституциональных. типо­вых и. наконец, индивидуальных особенностей пространственного строения и поведения белковых молекул, висцеральных процессов и даже внешнего облика людей. И не случайно именно на индивиду­альных особенностях базисного метаболизма строится основополага­ющее для иммунологии распознавание “своего” и “чужого”. Это хо­рошо известно и переведено на убедительный научный язык в сов­ременной сетевой цитокиновой концепции иммуногенеза. Остается лишь осознать, что сетевая концепция, раскрывающая сложную си­стему взаимодействия медиаторов, имеет отношение не только к им­мунитету, но и ко всем функциональным процессам, ответственным за сохранение и поддержание жизнедеятельности организма. Тогда под базисным метаболизмом в широком смысле допустимо понимать постоянство функциональных алгоритмов на биомолекулярном уров­не. поддерживаемое путем регуляции качественного состава, количе­ственного соотношения и периодичности обновления медиаторов на основе индивидуально детерминированной, хронобиологически сог­ласованной программы. На рис. 3.6 представлена эвристическая про­странственная схема формирования аттрактора из сопряженных функциональных алгоритмов, динамично реализующихся на основе запрограммированной сети межмолекулярных связей.

Абстрактная схема позволяет представить, как в пределах индиви­дуального пространственного “проекта” цитокиновой сетевой конст­рукции происходит формирование траекторий главных алгоритмов аттрактора, обеспечивающего функциональную доминанту сложной биосистемы, которая переживает экстремальное состояние. В части пространства, принадлежащего крупной биосистеме (организму), за­фиксировано расположение активных молекулярных объектов, между которыми существуют динамичные, но достаточно устойчивые пу­ти взаимодействия, составляющие индивидуально предопределенную “сеть” или “канву”. Вне пределов этой сети межмолекулярное взаи­модействие не может свершиться без слома детерминированной “проектной конструкции”. Таким образом, реализуется программа, поддерживающая биохимическую индивидуальность организма и оп­ределяющая степень его внутренней свободы при воспроизведении функциональных алгоритмов. На отдельных, так сказать, узловых участках пространственной сети располагаются биорегуляторы, обес­печивающие сопряженность не только самих процессов межмолеку­лярного взаимодействия, но нередко и функционального взаимодей­ствия на уровне систем и подсистем в масштабах целостного орга­низма. В отличие от специфических медиаторов, участвующих в алгоритме какого-либо одного функционального процесса, такие биорегуряторы-коммутаторы (белки или пептиды) осуществляют внутрисистемную функциональную интеграцию. Среди медиаторов, выполняющих назначение коммутаторов в обеспечении сложного процесса адаптации, хорошо известны, например миелопептиды. Миелопептиды вырабатываются клетками костного мозга разных видов животных и человека и обладают иммуннорегуляторной и опиатоподобной активностью [31, 32]. Следует заметить, что и сами опиоидные пептиды играют важную роль в регуляции иммуногенеза. Связываясь с опиатными рецепторами иммунокомпетентных клеток, они модулируют их активность, обеспечивая интегральную деятель­ность нейроэндокринной и иммунной систем. Таким образом, сопряжение алгоритмов базисного метаболизма за счет общности медиаторов реализуется в достаточно широких пределах. Для вклю­чения в пространственную схему четвертого, временного, критерия достаточно представить, что локальные линии, изображающие три условных процесса, продвигаются (в пределах запрограммированной сети) к аттрактору (А) и проявляются в режиме согласованной пос­ледовательности подобно тому, как это происходит на световых уличных рекламах.

 

Рис. 3.6. Эвристическая схема формирования аттрактора (А) ни уровне базисного метаболизма в пределах запрограммированной пространственной сети (“канвы”) межмолекулярных взаимодействий.

Представлена условная пространственная конструкция, которая отражает поэтапное продвижение процессов, формирующих аттрактор, через индивидуально детерминированные межмолекулярные связи. К — регуляторные белки-коммутаторы. обеспечивающие межфункциональные связи.

 

Если вновь вернуться к использованным ранее музыкальным ас­социациям, согласно которым “оркестр медиаторов” играет “симфо­нию жизни”, то теперь это представление может быть расширено и несколько конкретизировано. Базисный уровень жизнеобеспечения соответствует партитуре симфонии, которая построена на универ­сальных законах гармонии, но в целом воспроизводит самобытную и неповторимую “музыкальную ткань”. Тогда следующие, располагаю­щиеся над фундаментом, этажи пирамиды (см. рис. 3.5) представле­ны “оркестром” инструментов саморегуляции системы, с разнообра­зием которых связан полифонический эффект. Он создается сопря­женным взаимодействием всех нейрокринных и гуморальных механизмов регуляции. Наконец, на вершине пирамиды располагаются высшие центры нервной регуляции, выполняющие роль “дирижера оркестра” и привносящие активное творческое начало в управление адаптивными процессами.

Оркестр может исполнять симфонию в различном темпе, может сбиваться с ритма и фальшиво звучать, но самобытная музыкальная программа симфонии содержится в партитуре и не может быть изме­нена, не будучи сломанной. Для полноты и образности восприятия здесь уместно напомнить известный афоризм о том. что “архитекту­ра — это застывшая музыка”. В нем отражается единение эфемерно­сти музыкальных композиций и стабильности, прочности архитек­турных сооружений. Это соответствует представлениям о единстве относительно стабильной архитектурной сети алгоритмов базисного жизнеобеспечения и широкого разнообразия динамических преобра­зований, осуществляемых в пределах этой архитектурной сети.

Завершая сложное, насыщенное образными ассоциативными экст­раполяциями (может быть и не столь уж бесполезными для воспри­ятия смысла) изложение концепции самоорганизации жизнедеятель­ности организма с позиций термодинамики диссипативных систем, хотелось бы вновь обратиться к суждениям Н.И.Пирогова об “ансамб­ле ощущений”, приносимых организму отдельными составляющими его органами. Как теперь стало ясно. именно медиаторы и составляют в основном механизм передачи “ощущений” от органов и клеток организму. Пожалуй, и в наши дни было бы трудно лучше изложить концепцию саморегуляции организма на основе индивидуальной глу­бинной его сущности, не пользуясь понятиями и терминологией синергетики диссипативных систем. И то обстоятельство, что уже в относительно далекие годы необходимость понимания природы само­регуляции внутренних процессов для обогащенного опытом клиници­ста проистекала из стремления использовать это понимание в реше­нии лечебных задач, думается, служит достаточно веским подтвержде­нием правильности избранного направления научного поиска.

Таким образом, можно заключить, что если возникает угроза гибе­ли, разрушения системы, то в конечном итоге очень многое зависит от силы и стабильности базисных системообразуюших факторов. При этом наряду с детерминированной индивидуальной хронологи­чески сопряженной программой жизнеобеспечения другим главным системообразующим фактором в пределах биосферы следует, види­мо, считать неразрывную связь высокоразвитых форм жизни с обме­ном кислорода, с окислительно-восстановительными процессами, обеспечивающими стабильную реализацию всех функций на протя­жении жизненного цикла.

Представленью суждения характеризуют организм как особо слож­ную диссипативную систему, что позволяет использовать понятия и закономерности неравновесной термодинамики для анализа механиз­мов саморегуляции и их нарушений при экстремальном состоянии.