Гомеостаэ — так ученые называют стремление к равновесию, то есть к существованию вопреки изменениям.
Станислав Лем. «Сумма технологии»
Сохранение гомеостаза — здоровье. Отклонение от гомеостаза — болезнь. Но теоретическая концепция гомеостаза принадлежит не только медицине, а и физиологии, экологии, кибернетике, математике и биотехнике.
Стоп. Так недолго и запутаться.
Разыщем в учебнике определение. «Гомеостазом называется свойство живых форм...» Впрочем, к чему искать добра от добра? Чем нам, собственно, не угодила дефиниция, вынесенная в эпиграф? Во-первых, лаконичная, во-вторых, изящная, в-третьих, подкреплена мнением авторитетов.
Однако третье, кажется, неверно. В монографиях по гомеостазу определение из «Суммы технологии», если и присутствует, то со ссылкой на «Сумму технологии». Второе — безусловно. Станислав Лем — блистательный литератор. А вот первое...
Лаконичные определения обманчивы тем более, чем они короче, потому что тем шире круг явлений, которые они охватывают. Станислав Лем слукавил, до предела расширяя определение (о причинах после). Его «гомеостаты», которые стремятся существовать вопреки изменениям, это и вирусы, и цивилизации, а биологическая эволюция по Лему — частный случай эволюции гомеостаза. А вот Василий Николаевич Новосельцев предпочитает узкие определения. Одна из излюбленных его фраз «Я этой терминологии не понимаю» перекликается с позицией Лема, который, когда это совпадает с его целями, требует от терминов практичности. Наверное, термин вводят, чтобы не описывать заново накопившиеся факты. В этом смысле термин «гомеостаз» удачно свернул в себя однородные данные об организации самоуправляющихся систем.
Помните шутку про насморк, который , с лечением проходит за неделю, а без лечения — за семь дней? Она впервые записана около двух тысяч лет назад, когда врачам понадобилось объяснить способность организма, самоуправляясь, самоизлечиваться, возвращаться к равновесию. Оная способность получила название «энтелехия» — жизненная сила. Вслед за врачами непрактичный термин приняли на вооружение корифеи непрактичных наук всех средневековых времен и европейских народов. Требования практики дождались эпохи Просвещения н попробовали взять свое. В 1614 году первый представитель точного направления в физиологии, современник и соратник Галилея Санторио издал книгу с обещающим названием: «О медицине равновесия», но его идеи на двести с лишним лет опередили медленное накопление фактов вокруг стареющего определения. Требованиям практики пришлось терпеливо ждать середины XIX века, когда Клод Бернар основал опытную физиологию. Первое практическое определение равновесию равновесий живого организма он дал, не прибегая к специальному термину. Основывая науку, он, видимо, не хотел умножать ее сущности сверх необходимого. Бернар определил всего лишь отношение того, что внутри кожи, к тому, что за ее пределами,— внутренней среды организма к внешней.
Восстановим дословно определение Бернара: «Постоянство, или стойкость внутренней среды, есть условие свободной жизни».
Объект постоянства Бернар называет точно и узко: «Внутренняя среда — это лишь кровяная плазма, и, следовательно, в свойствах этой жидкости нужно искать условия существования...»
Итак, гомеостаз, по Клоду Бернару,— не более чем постоянство параметров жидкой части крови — желтоватого слабосоленого раствора с почти нейтральной реакцией и температурой около 37 по Цельсию (впрочем, Бернар из патриотических соображений мерил по Реомюру). Это постоянство есть условие относительной независимости организма в целом от изменений внешней среды. Действительно, когда человек из сауны выскакивает на мороз, внешняя температура меняется на полтораста градусов, а температура теплоносителя — плазмы крови — снижается не больше, чем на два градуса.
Бернар составляет перечень постоянных уровней, которые должны быть измерены в плазме крови. Это уровни воды, кислорода, температуры, веществ, нужных, чтобы заново строить постоянно разрушающиеся клетки организма, и, наконец, уровень резервов.
Определение Клода Бернара, на первый взгляд, не изжившее древнего пристрастия к поискам вместилища свободной жизни, на деле было руководством к действию, к походу за числами живого постоянства. Через сто с лишним лет главными целями медицины внешнего управления человеческим гомеостазом — анестезиологии и реаниматологии — будут именно те свойства плазмы крови, которые перечислил Бернар.
Так завершился первый виток диалектической спирали развития идей гомеостаза.
Следующее определение (порой его называют первым, потому что оно впервые назвало кошку кошкой), двигаясь по диалектической спирали, отошло от сиюминутной практики.
...Уолтер Кеинон, американский физиолог, иностранный почетный член АН СССР. Заложил основы точной психофизиологии, изучал взаимные связи процессов в организме и, наконец, в книге «Мудрость тела» ввел понятие «гомеостаз» в ряд физиологических категорий. К 1929 году уже накопились факты о колебаниях внутренних свойств организма, поэтому Кеннон искал определение тому подвижному процессу, который он назвал «подобным постоянству». Конечно, из законов развития не выскочишь. Кеннон тоже пытался наполнить старую форму новым содержанием. Сперва он расширил определение Бернара: сделал постоянство подвижным и удлинил перечень как бы «гомео-стабилизируемых» свойств внутренней среды. Но он чувствовал, что координация физиологических реакций не сводится к сумме физических, физико-химических или биохимических постоянных. Слово «уравновешивание» представлялось ему недостаточным, он, вслед за Декартом и Павловым, приложил к организму инженерный эпитет «автоматический», снова и снова разъясняя его не инженерный смысл. Говоря о процессах автоматического самоуправления параметрами внутренней среды живого организма, он мучится безъязычием. «Условие, которое может меняться, но все же остается относительно постоянным»,— так он определяет гомеостаз. Рождается определение, которое обгоняет уже не факты, а целые системы фактов и объяснений — науки. Наверное, поэтому врачи тридцатых и сороковых годов не смогли использовать термин, а физиологи им не заинтересовались.
Что поделать, это были естественные родовые муки научного открытия, точнее, открытия науки, которой новый термин был бы не на вырост, а по росту. У колыбели новой науки встает ученик Кеннона, Артуро Розенблют. Многие ли из нас помнят, что «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине», знаменитая книга знаменитого Норберта Винера, посвящена физиологу Розенблюту. другу и соавтору в открытии кибернетики, которая окончательно ввела в оборот научных идей концепцию гомеостаза — чего-то вроде постоянства.
Вспомним отложенный вопрос. Почему Станислав Лем распростер область приложения термина «гомеостаз» от изначальной живой клетки до переставляющей галактики сверх-цивилизации и от автомата Уатта до искусственного интеллекта?
Ответ. В 1961 году Норберт Винер переиздает «Кибернетику», сохранив в пятой главе страницу о гомеостазе. Через два года Станислав Лем издает шестисот-страничную «Сумму технологии», в которой идея гомеостаза является центральной.
Но... Во-первых, Вииер пишет о сегодняшней науке, а Лем — о завтрашней, где «завтра» может быть и через полвека, и через тысячелетие. Во-вторых, Винер — ученый и для доказательства привлекает аппарат математики, а Лем — писатель и для убедительности протягивает сквозь многопрядный канат книги о возможностях кибернетики (он пишет: «Кибернетика обладает, увы, неограниченными возможностями») красную нить сквозного художественного образа — гомеостаза, который существует вопреки изменениям.
Дело в том, что в начале шестидесятых годов точная наука в популярном преломлении вторглась в широкое бытовое-сознание, и содержание специальных терминов — «самоорганизующаяся система», «обратная связь», «гомеостаз» — расплылось.
То есть Станислав Лем расширил термин «гомеостаз» и неосознанно, выразив общую веру во всемогущество науки, и сознательно, навязывая читателю идею о всесилии кибернетики.
Иное дело Винер. «Любой полный курс кибернетики,— пишет он,— должен включать в себя тщательный и подробный обзор гомеостатических процессов». А сам-то... одна страничка. Хотя мал золотник... На этой страничке Винер — математик, а не физиолог — не только заново составляет подробный перечень объектов гомеостатического регулирования в организме, но расширяет этот перечень за пределы регуляции жидкой части крови, делает первый шаг по пути, который через три года фантастическим скачком преодолеет Лем.
Тем временем физиологи, которые упорно не замечали физиологическую концепцию Кеннона, легко согласились с ее кибернетическим толкованием. Еще бы, факты самоуправления в каждом живом блоке, от кости до головного мозга, уже не говорили — кричали, что гомеостаз — всеобщий атрибут живых систем. К моменту второго издания «Кибернетики» гомеостазу были посвящены сотни статей, вышли в свет первые монографии о «чем-то вроде постоянства». Но. перефразируя известное высказывание, следует пожалеть, что крот физиологии рыл медленно. Согласиться и даже принять — не то, что понять. Заполнить страницы схемами из квадратиков — органов и стрелок — нервных путей не значило разобраться в работе, как писал Винер, «целой батареи термостатов, автоматических регуляторов давления и тому подобных приборов — батареи, которой хватило бы на большой химический завод». Он-то знал, где основание гомеостаза: «В примерах «гомеостаза» мы встречаемся с тем фактом, что обратная связь не только участвует в физиологических явлениях, но и оказывается совершенно необходимой для продолжения жизни», и — теоретик! — прочертил курс практическим работам: «Одна из важных задач физиологической кибернетики — распутать и локализовать различные части этого комплекса обратных связей».
Но распутывать и локализовывать — не значило разнимать цельный организм на набор блоков авторегуляции с обратной связью. И что из того, что молодые науки всегда впадают в чрезмерную аналитичность, в знаменитое Сальериево «музыку я разъял, как труп». Проблеме-то от этого не легче! В начале шестидесятых практика клинической физиологии, анестезиологии, реаниматологии, инженерной физиологии рванулась вперед, и практические задачи столпились вокруг теоретической проблемы, требуя ответа: как устроен гомеостаз человека? Кибернетику искушали, словно — помните, у Булгакова? — Воланд Иванушку: «Как это человек своей жизнью управляет, если у него нет плана хотя бы на тысячу лет вперед?»
Кибернетики отвечали: «С помощью обратных связей». И так как медики и физиологи математических объяснений не любят, приводили примеры управления постоянством уровня.
Вот термостат аквариума. Обратная связь — линия от термометра к электроподогревателю. Если уставка (не установка, а именно уставка — это кибернетический термин) температуры выбрана неправильно, рыбкам будет плохо. Слишком мала уставка — простудятся, слишком велика — сварятся.
Живые гомеостаты построены по принципу обратных связей. Это вполне доказал в 1935 году физиолог академик Петр Кузьмич Анохин. Только вот постоянные уставки — редкость в линиях нервного или гормонального, живого управления.
Один из таких раритетов специально отмечал Винер: управление концентрацией кальция в плазме крови. Уровень кальция управляется не термометром и подогревателем, а двумя химическими заводами — железами внутренней секреции. Первая — щитовидная. Как только человек съест лишнюю ложку творога и в желудке окажется избыток кальция, датчики «щитовидки» немедленно оценят разницу концентраций, завод изготовит и выбросит в кровь гормон кальцитонин, который переведет лишний кальций на склад — в кости. Если же пища окажется обедненной кальцием, то другой завод — паращитовидная железа — получит с током крови сигнал: «мало кальция» и выбросит паратгормон, который «выдаст со склада» недостающий кальций — освободит его из костей.
Куда чаще уставки не постоянные, «живые». Даже в самой что ни на есть норме, в покое здорового организма внутренние характеристики колеблются.
В этом колебании суть живого, подвижного, «как бы» постоянства организма.
Значит, что-то зачем-то меняет уставки? А кто и как держит в уме, например, цифры: уставка давления крови в артериях в покое 120 на 80, а если дрова от души колоть — 180 на 120? В поисках этих «что», «зачем», «кто» и «как» кибернетики и физиологи обратились к идее иерархии гомеостазов. Ступени иерархической лестницы идут вверх по мере усложнения: клетки ткани — органы — системы — организм. На каждой ступени собственный гомеостаз со своими уставками. Если конкурируют две уставки — побеждает верхняя ступень (начальник всегда прав). Но зато верхняя ступень вмешивается в дела нижней только в неотложном случае (начальник всегда ленив) . хотя и все время получает информацию снизу (начальник всегда любопытен).
То, что природа выстроила управление организмом в виде лестницы, доказано математически точно, но делят эту лестницу на ступеньки физиологи и... не очень точно. Одних вариантов разбиений организма на системы едва ли не столько же, сколько физиологов. Есть даже такое мнение: системы в организме организуют себя сами по мере надобности в той или иной функции. Красивое мнение, но погружает граненую вершину пирамиды гомеостазов в расплывчатое облако субъективных суждений.
Случилось то, о чем предупреждал один из основателей отечественной кибернетики профессор А. А. Фельдбаум: «Значительное усложнение задачи затрудняет или даже делает невозможной ее математическую формулировку». С одной стороны, нельзя отменить факт: гомеостаз регулируется обратными связями, с другой — модель гомеостаза на уровне система — организм не поддается математическому описанию в рамках одной теории обратных связей.
Значит, был нужен новый подход раз, физиологическая кибернетика должна была переходить к синтезу — два. Настало время не распутывать, а соединять.
Одну из попыток соединить сделал уже знакомый нам Василий Николаевич Новосельцев, руководитель сектора биотехнических систем Института проблем управления АН СССР, доктор технических наук. Он взял за основу своих рассуждений известное еще в XIX веке положение, что жизнь неразрывна с потреблением и выделением, с постоянным потоком вещества через живое существо. При этом возникает «стационарное неравновесие» (парадоксальное сочетание слов, но точный термин) организма с внешней средой. Эту сторону физиологического учения широко развивал великий русский ученый Иван Михайлович Сеченов.
...В рядовом реанимационном отделении врачи обсуждают вечный вопрос: как вылечить больного? Минут десять они считают баланс жидкости, будто в школьной задаче про бассейн, «втекает и вытекает». Звучит предварительное: «...больной-то явно перелит», следом обрывок фразы: «...а они всегда переливают» — в том смысле, что неопытные коллеги назначали лишние внутривенные вливания питательных растворов. Пауза — и редкий вопрос: «А какой ему установлен МОД?» (минутный объем дыхания).
Имеется в виду больной, но поскольку дышит за больного механизм, объем и частота вздохов — поток кислорода и углекислоты через человека — устанавливаются поворотом рукоятей на перламутровой панели аппарата искусственной вентиляции легких. Тем временем врачи, перебивая друг друга, говорят о неизбежном сдвиге кислотно-щелочного равновесия при таком МОД. В конце концов в истории болезни сводят итог: «...нуждается в коррекции водно-электролитных секторов организма». Сегодня при этом подходе шансы на спасение тех, по ком когда-то палатные нянечки вздыхали: «Не жилец», составляют уже семь из десяти. Но зато из разговора авгуров врачебного искусства теперь явно торчат рожки кибернетического беса — отношения к лечению как к установлению извне «правильного» гомеостаза.
Обратите внимание, что врачи вмешались в гомеостаз, когда явно нарушилось равенство потоков через организм. Помните, «...больной перелит»?
Вот и Василий Николаевич Новосельцев решил взглянуть на задачу об обратных связях и иерархии гомеостаза с точки зрения равенства потоков.
Действительно, за деревьями обратных связей как-то пропал лес. Ведь гомеостаз — самоуправление открытой системы. Поэтому в статье «Гомеостаз организма как система управления» Василий
Николаевич расставил точки над следующим образом: «Сначала равенство притока и оттока, потом постоянство внутренней среды — такова формула регуляции в организме». Затем он отказался от привычной мысли, что организм — набор более или менее независимых блоков с одиночной обратной связью каждый. В его модели не только могут поменяться местами источник и приемник сигналов, но и линии связи «вправе» называться то прямыми, то обратными. И — вот важное! — единственная обратная связь или цепь прямых и обратных связей (эту цепь можно назвать и слоем, и ярусом), оказывается, не может обеспечить одновременно и непрерывность потоков веществ и устойчивость их запасов в организме. При внешних или внутренних возмущениях (а как без них? живем не на облаке) в системе с одним ярусом управления или регулируемый поток или уровень начнут раскачиваться система развалится. Об этом писал еще Винер, но ограничился математическим анализом этой «автораскачки».
Организм должен защищать, прикрывать от возмущений сигналы управления. Экономная эиолюция защитила подобное — подобным. Каждая обратная связь охвачена второй, параллельной. То есть над первым слоем обратных связей расположен второй, над вторым — третий... Для стабильности темпов потребления расхода вещества и устойчивости запасов — требуется прямо-таки слоеный пирог обратных связей. Один слой над другим, вот и образуется иерархия.
Так было математически доказано: стабильность потоков через живой организм в нашем прекрасном и яростном мире требует управления с помощью многослойной структуры. Слоеный пирог обратных связей, так сказать, «наполеон» самоуправления, называется гомео-статическим регулятором.
Обратные связи в слоеном самоуправлении неравноправны. Они различаются по принципиальному признаку — чувствительности. Ведь верхний слой стабилизирует нижний, то есть снижает его чувствительность к возмущениям. И как бы ни перестраивали себя системы управления, применяясь к сиюминутным отношениям со средой, стоит измерить и сравнить между собой чувствительности каналов управления, и пожалуйста можно расставить их по местам в иерархии текущего момента.
Картина управления, оставаясь сложной, становится логичной. Гомеостаз теперь не сам по себе, а составная часть охранительных свойств организма.
Но так как минимум чувствительности есть постоянство, то сами встают по местам и наши уставки. Они не заданы, а возникают в нижних слоях управления именно в силу многослойности регулирования потоков вещества и энергии через организм. Так что темпы движения вещества и энергии не решают все, но задают гомеостаз. Итак, «что-то вроде постоянства» — не постулат самоуправления, а теорема, вытекающая из аксиомы о непрерывности потоков вещества и энергии между отделами организма.
Пора подводить теоретические итоги: как сегодня видят физиологи-кибернетики формирование лестницы гомеостазов?
Верхняя ступень лестницы — самая чувствительная к воздействиям из нервных систем, центральная обобщает данные о внешней среде и состоянии организма и, принимая решение, выбирает уровень активности. Дальше приходят в действие механизмы гомеостаза. Уровень активности задает нижестоящим исполнителям темпы расхода вещества и энергии. Темпы расхода обусловливают управление местными потоками, определяют новые уставки для линий регулирования, точнее, создают новое сплетение прямых и обратных связей, новый вариант многослойности связей (помните
идею о создающих себя «на ходу» системах организма?) Эту многослойность обеспечивает совместная работа вегетативной нервной системы и линий гормонального управления, так сказать, АСУ «Организм».
Проясняется, например, постоянство температуры тела у животных с высоким темпом обмена (знаете ли вы, что самая быстроходная из рыб тунец — теплокровная?) Высокий темп, как мы знаем, требует для управления им много слоев обратных связей, и в нижнем ярусе возникает постоянная уставка температуры тела. Василию Николаевичу Новосельцеву удалось даже показать на математической модели, что для образования «нормы» температуры нет нужды в заданной «сверху», скажем, из головного мозга, уставке нормальной температуры.
Первый круг — попытки управления извне равновесием биотехнических систем «человек — машина» в медицине. Выяснилось, что гомеостаз в крайних ситуациях — процесс, требующий особой точности. Модели этих систем должны быть строгими и математически, и физиологически. Василий Николаевич и его коллеги построили такие модели двойной строгости для протезов сердца и поджелудочной железы.
У первого круга приложений теории гомеостаза двуединая цель — обеспечить жизнь «сверхбольных» в нормальных условиях и жизнь очень здоровых людей в условиях «сверхненормальных». Космонавт в открытом космосе и водолаз под водой должны пребывать в равновесии со скафандрами, которые обеспечивают им дыхание, выделение, комфортную температуру и влажность среды. И не в простом равновесии, а на уровне лучшей работоспособности.
Вот задачка из этой области. Почему руки на холоде теряют чувствительность? Ответ: гомеостаз сохраняет постоянной температуру прежде всего ядра тела — там жизненно важные органы. Если мозг получает сигнал о низкой температуре, то сколько ни обогревай тело, "руки будут зябнуть, теряя точность движения. Надо бы вмешаться в работу гомеостаза. Но как? Задача пока не решена инженерными физиологами, а между прочим, половина территории нашей страны — область долгих и сильных холодов. И работать там надо.
Но есть более широкий круг. Теория гомеостаза приходит на помощь при разгадке причин болезней. Например, на упрятанной в ЭВМ модели сердечно-сосудистой системы, отлаженной для протезирования сердца, удалось «проиграть» развитие недуга века — гипертонии. «Проиграть» в самой модной ситуации: мощные психологические нагрузки, не скомпенсированные физической разрядкой. И при этом не только смоделировать болезнь, а проверить разные варианты ее течения и разные способы лечения.
Третий круг — широчайший. Обычные люди в обычных условиях. Сегодня физиологи и медики умеют несложными и недорогими методами определять активность вегетативной регуляции и даже оценивать вмешательство центральных систем в эту активность. Такие работы по быстрому и безопасному обследованию здоровых людей идут под руководством кандидата медицинских наук Азалии Павловны Берсеневой в Московском областном научно-исследовательском клиническом институте, в лаборатории массовых прогностических обследований населения. Качественную теорию этих методов разработал профессор Института медико-биологических проблем Роман Маркович Баевский. Если объединить эти работы с математическими моделями гомеостаза, которые строят исследователи Института проблем управления, то могут открыться широкие возможности контролируемого управления здоровьем здоровых. Последний круг приложений станет всеобъемлющим.
...Быстро, однако, миновала физиологическая кибернетика, второй виток развития идеи гомеостаза. Конец тысячелетия — время ускорения изменений. Замыкая виток спирали рассуждений, сперва отметим, что, измеряя напряжение гомеостаза, мы уже сегодня не только проводим границу «здоров — болен», но измеряем здоровье, строим медицину будущего — медицину здоровых людей. И, наконец, вернемся к эпиграфу и спросим, прав ли Станислав Лем, стремимся ли мы к существованию вопреки изменениям? Или все же мы существуем благодаря изменениям, находимся в непрерывно ускоряющейся подвижности равновесия с окружающим миром?