Физиология и кибернетика

Важное значение для развития физиологии приобрели за последние два десятилетия кибернетика, теория информации и теория автоматического регулирования. Они позволили по‑новому оценить некоторые давно известные факты и идеи.

Так, раскрылось универсальное значение принципа обратной связи в регуляции и саморегуляции функций. В настоящее время показано, что регуляция самых важных физиологических процессов в целостном организме и его системах контролируется состоянием регулируемого аппарата – обратными связями между ним и нервными и гуморальными регуляторами. Большая роль в регуляции принадлежит интрорецепторам, хорошо изученным многими морфологами и физиологами (В.Н. Черниговской и др.). Будучи широко рассеянными во всех органах и тканях, интрарецепторы сигнализируют центральной нервной системе о состоянии иннервируемого ими субстрата.

Обратные связи обнаруживаются не только при исследовании нервной регуляции и не только в целостном организме, но и на любом уровне организации живого – клеточном, субклеточном и даже молекулярном уровне – всюду, где имеются саморегуляторные процессы. Примером обратной связи на молекулярном уровне может служить аллостерическое ретроингибирование энзиматической реакции продуктами, образующимися в ходе этой реакции. Распространяя на работу организма идеи кибернетики и теории автоматического регулирования, исследователи пришли к заключению, что процессы саморегуляции в пределах любого уровня биологической организации осуществляются благодаря наличию замкнутых контуров с прямыми и обратными связями, определяющими начало, ход протекания и окончание разных актов деятельности или процессов метаболизма.

На основе идей кибернетики как учения об общих принципах управления и связи в сложных динамических системах подведены теоретические основы под концепцию, согласно которой организм рассматривается в качестве самоорганизующейся и саморегулирующейся системы высокой степени сложности. При этом любая функция организма и его структур трактуется как сложная система определенным образом организованных в пространстве и времени процессов.

В настоящее время стало совершенно ясным, что определенная пространственно‑временнáя организация физиологических процессов свойственна не только целостному организму, но и всем его органам, тканям, отдельным клеткам и даже субклеточным структурам (ядрам, митохондриям, мембранам и др.). Изучая их функции, физиолог всегда имеет дело со сложными динамическими системами, которые характеризуются непрерывным взаимодействием образующих данную систему структурных элементов и происходящих в них процессов и присущими данному уровню биологической организации механизмами управления и связи. Последние отличаются многоконтурностью – многократным дублированием и иерархическим соподчинением, сочетаемым с некоторой автономностью. Каждая биологическая система реагирует как единое целое на любые воздействия внешней среды, причем характер ее реакций в большей мере определяется ее состоянием в данный момент.

Для системного подхода характерно синтетическое рассмотрение изучаемых явлений, включающее все углубляющийся анализ жизненных явлений. Для понимания внутренних связей, имеющихся в любой системе физиологических процессов, необходимо одновременное исследование и сопоставление разных одновременно или последовательно происходящих процессов. Такое исследование вполне достижимо при использовании современных методик регистрации и изучения физиологических процессов, но требуемый от него эффект может быть получен лишь при дополнении этих методов новыми способами анализа и обработки информации, получаемой в ходе наблюдения и эксперимента. К последним в первую очередь относятся математические методы и современная вычислительная техника, определяющие характерную для нашего времени тенденцию к математизации физиологии.

В последние годы все шире используют непосредственно в эксперименте специализированные вычислительные (цифровые, аналоговые и гибридные) устройства, производящие математическую обработку результатов наблюдений. Для этого применяется интегрирование, дифференцирование, корреляционный и спектральный анализ, определение статистического распределения интервалов и амплитуд и многие другие математические методы вплоть до многомерного статистического анализа.

Другое применение математики в физиологии состоит в математическом и логико‑математическом моделировании физиологических явлений и процессов.

В наше время разработаны математические модели некоторых функций клеток, клеточных популяций, органов и их систем. Начиная с работы У. Мак‑Каллока и Р. Питтса (1943) многое сделано в создании математических моделей нейронов и нейронных сетей. Рядом исследователей разработаны модели насосной функции сердца, движения крови по сосудистой системе, дыхания, терморегуляции и т. п.

Математические методы теории автоматического регулирования подсказали новые пути анализа процессов перехода от одного состояния и одного уровня деятельности к другому. Важность изучения этих процессов диктуется тем, что, по существу, вся жизнь организма есть непрерывный переходный процесс.

Успехи физико‑химического анализа жизненных явлений уже в прошлом столетии привели к признанию того, что основной функцией живого является обмен веществ и энергии. Кибернетика и теория информации внесли принципиально новое в понимание основ физиологических процессов, показав, что к обмену веществ и энергии как характеристике живой материи необходимо добавить обмен информации. Последний определяет согласованность функций внутри организма и его связь с внешней средой. Информацией для живого организма и его структур являются такие изменения внешней или внутренней среды, к восприятию которых организм специально приспособился в ходе эволюции и которые приобрели сигнальное значение. Это особая категория явлений, не сводимая к массе или энергии.

Исследование процессов обмена веществ и превращение энергии в живом организме составляют предмет биохимии и биофизики. Исследование же процессов обмена информации, процессов управления и связи в организмах, в их органах, тканях и клетках становится в наше время задачей новой научной дисциплины – физиологической кибернетики. Физиологическая кибернетика объединяет традиционные физиологические методы с кибернетическим анализом явлений, руководствующимся принципами системности и использующим математическое моделирование.

Ход развития физиологии, таким образом, приводит к тому, что, соответственно трем основным проявлениям физиологических функций об мену веществ, обмену энергии и обмену информации, – она превращается в комплексную область знания. Физиология призвана синтезировать и обобщить данные трех отпочковавшихся от нее специальных наук – биохимии, биофизики и физиологической кибернетики. Таким рисуется будущее физиологии.

Глава 12

Биофизика [94]

Биофизика – одна из наиболее молодых биологических дисциплин. Еще задолго до ее формирования физические методы широко использовались при изучении различных биологических явлений. Микроскоп раздвинул горизонты биологического исследования и стал основным прибором биолога, благодаря которому только и могли возникнуть и развиваться такие дисциплины, как гистология и цитология. Физические методы измерения потенциалов создали электрофизиологию. Но это еще нельзя назвать биофизикой. Здесь еще нет применения физических методов для дознания физико‑химических явлений, протекающих в живых системах. Физические приборы просто помогли лучше изучить морфологическое строение организмов и более четко фиксировать протекание биологических и физиологических процессов. При этом ни обычные подходы, ни научное мышление исследователя не претерпели сколько‑нибудь существенного изменения.

В современном понимании биофизика начала складываться на грани XIX–XX вв. Гораздо раньше, однако, в недрах других дисциплин возникали направления и отдельные эпизодические исследования, которые так или иначе были связаны с попытками найти физические подходы к пониманию интимных механизмов, лежащих в основе биологических явлений, и получать прямую информацию о физико‑химических реакциях, протекающих в биологических системах. Одним из первых шагов в этом направлении были работы А.Л. Лавуазье по применению первого закона термодинамики к энергетике живых организмов, относящиеся к концу XVIII в.