Общие закономерности динамической организации функциональных систем

Экспериментальная биология и медицина УДК 612.014:004

ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДИНАМИЧЕСКОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СИСТЕМ

© Судаков К.В.

ГУ НИИ нормальной физиологии им. П.К. Анохина РАМН

Изложены принципы саморегуляции функциональных систем организма, а именно самоорганизации, саморегуляции, изоморфизма, избирательной мобилизации элементов целого. Рассмотрены также принципы построения целого организма: иерархического доминирования, мультипараметрического взаимодействия, последовательного взаимодействия. Обосновываются информационные и голографические свойства системоквантов функциональных систем.

Ключевые слова: функциональные системы, самоорганизация, саморегуляция, изоморфизм, иерархическое доминирование, мультипараметрическое взаимодействие, информационные и голографические свойства.

THE COMMON LAWS OF DYNAMIC ORGANIZING THE FUNCTIONAL SYSTEMS

Sudakov K. V.

Central Administration of Anokhin P.K. Scientific Research Institute of Normal Physiology

of the Russian Academy of Medical Sciences

The article presents the principles of functional body systems self-regulation, in particular, self-organization, self-regulation, isomorphism and selective mobilizing the elements of the whole. The following principles of constructing the whole organism have been examined: hierarchic dominance, multi-parametrical interaction, and successive interaction. The information and holographic characteristics of systemoquanta of functional systems are substantiated in the article.

Key words: functional systems, self-organization, self-regulation, isomorphism, hierarchic dominance, multi-parametrical interaction, information and holographic characteristics.

Функциональные системы, открытые в живых организмах П.К. Анохиным, - динамические самоорганизующиеся, саморегулирующиеся построения, все составные компоненты которых взаимодействуют и взаимосодействуют достижению полезных для самой функциональной системы и организма в целом приспособительных результатов (Анохин П.К., 1968).

В качестве полезных приспособительных результатов, формирующих в живых организмах функциональные системы, выступают многочисленные показатели метаболических реакций в тканях организма, показатели внутренней среды, а также результаты поведенческой и психической деятельности, удовлетворяющие различные потребности животных и человека. Адаптивные результаты определяют устойчивость процессов жизнедеятельности и в первую очередь - обмена веществ живых существ.

На ранних этапах эволюционного развития живых существ функциональные системы выступили в качестве своеобразных информационных, полимерных матриц, в которые позднее включились белковые и другие молекулы.

П.К. Анохин писал: "Материальный субстрат не может быть основой жизни без того, чтобы он не составил какую-либо систему отношений с более или менее стабильным конечным результатом, в каком-то отношении полезным самой системе". (В кн. "Материалистическая диалектика и методы естественных наук". М.: Наука. 1968. С. 568).

И далее: "...Появлению белка как полимерного образования и даже появлению одного единственного нуклеотида неизбежно должны были предшествовать такие динамические принципы организации материи, которые впоследствии на более высокоорганизованном уровне послужили своего рода "ко-

лыбелью" для появления и развития самих дефинитивных белковых образований... Всякий субстрат может быть оцениваем только на фоне уже сложившейся устойчивой динамической системы... А это означает, что сами поиски субстрата жизни должны быть расширены поисками той формы устойчивого результата, который, став своеобразным фокусом, стал обрастать все более и более новыми компонентами, усовершенствующими или уничтожающими уже созданные ранее устойчивые системы" (Там же, стр. 570).

Миллионы лет эволюционного развития живых существ сохранили и усовершенствовали общие свойства, присущие функциональным системам как адаптивным построениям.

Живые организмы представляют слаженное взаимодействие множества функциональных систем молекулярного, тканевого, гомеостатического и поведенческого уровней.

У одноклеточных организмов функциональные системы, обеспечивающие питание, дыхание, защиту и размножение, представлены молекулярными механизмами. В процессе эволюции у многоклеточных организмов в функциональные системы включились нервные механизмы и специально организованная центральная архитектоника, представленная центральными нервными образованиями.

В процессе эволюционного развития сложились следующие закономерности, присущие организации и деятельности функциональных систем.

Принцип самоорганизации

В инициативной роли построения функциональных систем любого уровня организации выступают разнообразные, в первую очередь метаболические, жизненно необходимые потребности.

Метаболическая потребность мобилизует различные элементы, ткани, органы посредством нервных сигнализаций и деятельности специальных информационных гуморальных молекул в системные построения, обеспечивающие совокупной деятельностью этих элементов удовлетворение исходной потребности.

Таким образом, потребность в построении функциональных систем играет системоорга-низующую, системообразующую роль. Удовлетворение потребности - достижение полезного приспособительного результата - фиксирует ранее возбужденные потребностью элементы в системную констелляцию и отпечатывается на их структуре. В результате -при последующем возникновении аналогичной потребности система становится функциональной, она опережающе отражает свойства потребного результата и активно оценивает его достижение. Адаптивный результат, таким образом, в организации функциональной системы выступает в системообразующей роли.

В качестве исходной предпосылки формирования функциональных систем в процессе пренатального и раннего постнатально-го развития живых существ выступают генетически детерминированные механизмы.

В индивидуальной жизни в качестве исходной причины формирования функциональных систем выступают механизмы индивидуально приобретенной памяти, опыта. При этом формирующиеся в индивидуальной жизни динамические стереотипы все в большей степени в организации функциональных систем, особенно поведенческого и психического уровней, берут на себя функции генома (Судаков К В. 2002).

Принцип саморегуляции

Все функциональные системы любого уровня организации работают по принципу саморегуляции: отклонение результатов деятельности функциональных систем от уровня, обеспечивающего нормальную жизнедеятельность, является причиной их возвращения к исходному оптимальному для жизнедеятельности уровню.

Принцип саморегуляции был установлен К. Бернаром, И.Ф. Ционом, И.П. Павловым, В. Кенноном и другими классиками физиологии по отношению к рефлекторной регуляции физиологических функций. Принципиальное отличие саморегуляции в функциональных системах заключается в том, что в них саморегуляция направлена на поддержание устойчивости их адаптивных результатов, опреде-

Изоморфна также центральная архитектоника системной организации функциональных систем, включающая, по П.К. Анохину, последовательно развертывающиеся стадии: афферентного синтеза, принятия решения, предвидения свойств потребного результата -акцептор результата действия, эфферентный синтез, завершающийся действием. При этом параметры достигаемых результатов непрерывно оцениваются акцептором результатов действия с помощью обратной афферентации (рис. 1). При наличии изоморфной организации функциональные системы метаболического, гомеостатического, поведенческого и психического уровней, в то же время облада-

Рис. 1. Функциональные системы гомеостатического и поведенческого уровней объединены общими нервными и гуморальными регуляциями, направленными на поддержание оптимального для метаболизма уровня гомеостатического и поведенческого результатов.

Центральная архитектоника функциональной системы включает стадии афферентного синтеза, принятия решения, предвидения потребного результата - акцептор результата действия и эфферентный синтез. Параметры достигнутого поведенческого результата постоянно оцениваются акцептором результата действия с помощью обратной афферентации. На схеме показаны два звена саморегуляции показателя гомеостазиса: внутреннее и внешнее. ОА -обстановочная афферентация, ПА - пусковая афферентация.

ляющих нормальную жизнедеятельность живых организмов.

Принцип изоморфизма Все функциональные системы имеют практически одинаковую организацию, которая включает результат деятельности функциональной системы, рецепторы результата, обратную афферентацию от рецепторов результатов в различно организованные у разных функциональных систем центральные образования и, наконец, исполнительные механизмы, включающие процессы нервной, гуморальной и эндокринной регуляции, а также поведение и психическую деятельность живых существ.

ют качественно различными свойствами (Судаков К.В., 1997).

Принцип избирательной мобилизации элементов целого организма в деятельность отдельных функциональных систем Каждая функциональная система избирательно включает в свою саморегуляторную деятельность различные органы, ткани, молекулярные и атомные процессы организма, которые эффективно содействуют обеспечению оптимального состояния ее адаптивного результата. При этом различные органы избирательно включаются в деятельность разных функциональных систем.

Принципы построения целого организма Целый организм, как указывалось выше, представлен гармоническим взаимодействием многочисленных функциональных систем различного уровня организации.

В целом организме взаимодействие функциональных систем осуществляется по принципам иерархического доминирования, муль-типараметрического и последовательного взаимодействия (Судаков К.В., 2000).

Принцип иерархического доминирования заключается в том, что в каждый данный момент времени в организме доминирует ведущая функциональная система, определяющая своей деятельностью ведущий для выживания или адаптации во внешней среде результат. При этом все другие функциональные системы или способствуют деятельности доминирующей, или затормаживаются.

Принцип мультипараметрического взаимодействия состоит в том, что результаты деятельности различных функциональных систем в нормальном организме тесно взаимодействуют: изменение параметров результата деятельности одной какой-либо функциональной системы неизбежно приводит к слаженному изменению соотношений параметров результатов деятельности других функциональных систем.

Принцип последовательного взаимодействия заключается в том, что результаты деятельности одних функциональных систем являются причиной развертывания во времени других функциональных систем организма.

В последовательном взаимодействии функциональных систем в организме прояв-

ляется принцип системного квантования процессов жизнедеятельности (Судаков К.В., 1997).

С позиций теории функциональных систем континуум жизнедеятельности расчленяется на отдельные дискретные отрезки периодически возникающими потребностями живых существ и их удовлетворениями.

Каждый "системоквант" жизнедеятельности включает возникновение потребности, построение на ее основе доминирующей мотивации, поведение и взаимодействие с внешней средой, включающее промежуточные и конечный результаты деятельности, удовлетворяющие или, наоборот, препятствующие удовлетворению исходной потребности. Вся эта деятельность осуществляется по принципу саморегуляции с постоянной оценкой параметров достигаемых результатов с помощью обратной афферентации. Каждый системоквант, особенно поведенческого и психического уровней, включает в себя динамически развертывающуюся центральную архитектонику: афферентный синтез, принятие решения, акцептор результата действия и эфферентный синтез. При этом за счет обратной афферентации, поступающей от параметров достигаемых субъектом результатов и постоянно оцениваемых акцептором результатов действия, непрерывно осуществляется динамическая перестройка всех компонентов центральной архитектоники поведенческих актов, определяющая в конце концов оптимальное достижение адаптивного результата, т.е. удовлетворение исходной потребности организма (рис. 2). Процессы перестройки акцептора результата действия в динамике развертывания системоквантов включают два вида активной, поступающей к нему, обратной афферентации: от мышечного аппарата и от параметров достигаемых результатов.

В деятельности системоквантов проявляются информационные и голографические свойства (Судаков К.В., 1999).

В функциональных системах, определяющих деятельность системоквантов, постоянно циркулирует информация о потребности и ее удовлетворении.

Характерно, что на всех этапах формирования системоквантов от потребности до ее

удовлетворения информация сохраняется в полной мере, несмотря на смену ее носителей: физико-химических механизмов метаболической потребности, нейрогуморальной сигнализации от потребности в соответствующие структуры ЦНС, церебральные механизмы доминирующей мотивации и формирование на ее основе поведения. В поведении и во взаимодействии организма со средой в процессе удовлетворения исходной потребности информация об исходной потребности также все время присутствует, направляя субъектов на ее удовлетворение. Удовлетворение потребности также постоянно информационно оценивается.

В развитие представлений П.К. Анохина об информационном эквиваленте результатов деятельности живых существ (Анохин П.К.,

1969) нами сформулированы представления об информационных эквивалентах потребности и удовлетворения потребности (Судаков К.В., 1999).

Информационным сигналом в функциональных системах являются эмоции. Как правило, потребности сопровождаются негативными, отрицательными эмоциями. Это - неприятные эмоции голода, страха, жажды и т.д. Отрицательные эмоции активно побуждают испытывающих потребность субъектов на поиск средств и предметов, удовлетворяющих исходную потребность.

Удовлетворение потребности, наоборот, сопровождается положительными эмоциями радости, счастья, удовлетворения. Положительные эмоции выступают в форме награды за успешное достижение любого полезного

Рис. 2. Динамическая организация системокванта поведения.

Вверху - системоквант поведения. Внизу показаны этапные перестройки системокванта поведения. Объяснение в тексте.

для организма результата.

После неоднократного удовлетворения однотипной потребности положительные эмоции, сопровождающие достижение того или иного адаптивного результата, начинают опережающе предвидеться аппаратом акцептора результата действия уже при возникновении соответствующей потребности. Опережающее эмоциональное предвкушение определяет аппетит к действию.

В качестве информационного экрана, программирующего и оценивающего поступающую информацию о различных потребностях и их удовлетворении в функциональных системах организма, выступают их акцепторы результатов действия.

Как указывалось выше, живые организмы представляют собой слаженное взаимодействие множества функциональных систем молекулярного, гомеостатического, поведенческого и психического уровней. Большая часть функциональных систем конвергирует на структуры мозга. В результате этого в мозге происходит интеграция акцепторов результатов действия отдельных функциональных систем в единый общий информационный экран головного мозга.

Результаты деятельности разных функциональных систем в организме гармонически объединяются на основе принципа муль-типараметрического взаимодействия. Это значит, что теперь уже отклонение результата деятельности той или иной функциональной системы ведет к оптимальному перераспределению связанных с ним результатов деятельности других функциональных систем. Обобщенный информационный экран головного мозга отражает эти системные отношения и строится по доминантному принципу. В каждый данный момент времени на структурах мозга доминирует акцептор результата деятельности ведущей в социальном или биологическом плане функциональной системы.

В процессе формирования и обогащения аппаратов акцепторов результата действия в мозге внешний и внутренний мир живых существ трансформируется в специфический внутренний образ - субъективное переживание их внутреннего состояния и воздействий

окружающей среды. Субъективный образ в каждый момент времени отражает внутреннюю и внешнюю среду организма в их тесных информационных соотношениях. Создается образное видение субъектами самих себя и окружающего их мира.

Разработаны специальные миниатюрные микропроцессорные устройства (Юматов Е.А., 2000), позволяющие снимать информационную составляющую различных функциональных систем и на этой основе объективно контролировать состояние не контролируемых объективно человеком параметров различных показателей гомеостази-са и вегетативной деятельности.

Информационная модель ("Детектор интеллекта») контроля системной организации психической деятельности человека создана Е.А. Умрюхиным (1999).

По аналогии с физической голограммой, мы рассматриваем сигнализацию о потребности в качестве опорной волны, а сигнализацию с параметров достигаемых субъектами результатов, действующих на соответствующие рецепторы, в качестве предметной волны. Как показали специальные физиологические эксперименты, оба эти потока афферен-тации поступают к одним и тем же нейронам головного мозга в определенной временной последовательности: сначала нейроны вовлекаются в доминирующую мотивацию, а потом к ним по мере достижения субъектами потребных результатов поступает соответствующая афферентация от параметров достигнутых результатов деятельности.

Все это создает предпосылки интерференции на пространственной архитектонике возбужденных исходной мотивацией нейронов указанных потоков восходящих к мозгу возбуждений и построения голограмм.

Системные голограммы головного мозга еще не зарегистрированы, но развитие новых технологий исследования функций головного мозга движется в этом направлении. Гипотетически можно построить следующие схемы динамической организаций голограмм головного мозга при различной деятельности функциональных систем организма (рис.3).

При отклонении полезного для метаболизма результата деятельности той или иной

функциональной системы от уровня, обеспечивающего оптимальный для организма метаболизм, в функциональных системах формируется информационный сигнал (эквивалент) потребности, который возникает как отношение отклоненной величины адаптивного результата к его оптимальному для метаболизма уровню. Это в свою очередь порождает потоки обратных афферентных им-пульсаций и гуморальных информационных молекул в ЦНС, выступающих в роли опорной голографической волны и ведущих через первичное возбуждение гипоталамических пейсмекеров к формированию доминирующей мотивации. При сравнении мотивацион-ных возбуждений с генетически детерминированными механизмами акцептора результата действия в мозговых структурах на интерференционной основе строится голограмма исходной потребности, в полной степени отражающая информационные свойства исходной метаболической потребности. Формирование голограмм потребности сопровождает-

ся информационным сигналом - отрицательной эмоцией (рис. 3а).

Следует подчеркнуть, что, поскольку потребностей организма множество, каждая голограмма потребности, образованная специфической для нее функциональной системой, по форме и информационному содержанию должна быть сугубо индивидуальной.

Внутренние механизмы саморегуляции в функциональных системах могут самостоятельно вернуть отклоненный метаболический результат к оптимальному уровню. В этом случае обратная афферентация о параметрах достигнутого результата выступает уже в роли предметной волны. При этом, естественно, устраняется доминирующая мотивация, меняется форма голограммы - формируется голограмма удовлетворения потребности. Формирование голограммы метаболического удовлетворения потребности сопровождается другим информационным сигналом - положительной эмоцией (рис. 3б).

Удовлетворение потребности в ряде функ-

Рис. 3. Голографические аналогии в саморегуляторной деятельности функциональных систем Объяснение в тексте.

циональных систем осуществляется путем взаимодействия организма с факторами внешней среды, выступающими в роли полезных результатов. В этом случае обратная афферентация, поступающая в ЦНС к нейронам акцептора результата действия, ранее возбужденным доминирующей мотивацией, выступает в качестве предметной волны. За счет этого изменяется конфигурация исходной голограммы потребности и формируется голограмма подкрепления (рис. 3в).

Может возникнуть еще ситуация, когда субъект, испытывающий исходную потребность, длительно не может достичь удовлетворяющего ее результата. При этом афферентные потоки возбуждений, поступающие от параметров результатов поведения, не удовлетворяющие исходную потребность, иначе изменяют голограмму потребности, что нередко сопровождается выраженной ориентировочно-исследовательской деятельностью и даже отрицательной эмоцией (рис. 3г).

В физиологических экспериментах показано широкое распространение акцепторов результатов действия по структурам головного мозга. Можно предполагать, что голограммы различных функциональных систем, формирующиеся на акцепторах результатов действия должны иметь различную геомет-

рическую форму, динамически изменяющуюся в процессе постоянного информационного взаимодействия живых организмов с окружающей их средой (рис. 4).

Голограммы в функциональных системах, таким образом, непрерывно отражают происходящие в функциональных системах информационные процессы. Все это позволяет говорить о том, что акцепторы результатов действия в различных функциональных системах представляют их информационно-голографические экраны.

Процессы системного квантования осуществляются на разных уровнях жизнедеятельности в их тесном взаимодействии.

Все это позволило нам сформулировать закон голографического единства мироздания.

В соответствии с этим законом системо-кванты, начиная от атомного и кончая космическим уровнем, включаются друг в друга в иерархическом порядке (рис. 5).

При этом системокванты более низкого уровня организации включаются в качестве элементов в деятельность системоквантов более высокого уровня. Атомные и молекулярные процессы избирательно включаются в деятельность функциональных систем гомео-статического уровня. Функциональные систе-

Рис. 4. Схема геометрического построения акцептора результата действия.

I. Программирование в акцепторе результата действия потребного результата (символ-треугольник).

II. Параметры достигнутого результата (символ-квадрат) не соответствуют исходной потребности.

III. Параметры достигнутого результата полностью соответствуют геометрической форме исходной потребности.

Уровни

Космический

Социальный

Психический

Зоопопуляционный

Организменный Гомеостатический

Молекулярный Генетический

Рис. 5. Схема иерархических информационных взаимодействий системоквантов различных уровней организации. Объяснение в тексте.

мы гомеостатического уровня на основе принципов мультипараметрического взаимодействия включаются в функциональные системы поведенческого и психического уровней. Отдельные индивиды с составляющими их функциональными системами атомного, молекулярного, гомеостатического, поведенческого и психического уровней избирательно включаются у животных в функциональные системы зоосоциального уровня, а у человека - в функциональные системы социального уровня и отражают по голографиче-скому принципу в своей деятельности свойства результатов деятельности функцональ-ных систем более высокого уровня. Системо-кванты более высокого уровня, со своей стороны, программируют деятельность входящих в них функциональных систем и постоянно оценивают результаты их деятельности.

Значение информации все более возрастает у системоквантов более высокого уровня

организации. Наибольшее значение информационные свойства имеют в системоквантах группового уровня организации живых существ, включая человека. В человеческих межгосударственных и внутригосударственных системоквантах информация, проявляющаяся в форме почтовых, телеграфных, информационных связей, телефаксов, электронной почты, компьютеров, Интернета и пр., начинает играть ведущую роль в их организации. Системокванты популяционного уровня эволюционно более совершенны. Они за счет возрастания информационной составляющей характеризуются все большим снижением энтропии.

Следует отметить, что каждый системок-вант любого уровня организации характеризуется своим периодом (скоростью процессов саморегуляции) возвращения отклоненного результата к оптимальному для жизнедеятельности уровню. Поэтому, по-видимому,

можно говорить о собственном времени для каждой функциональной системы. При этом в акцепторах результатов деятельности каждой функциональной системы наблюдается единство прошлых, настоящих и будущих событий, т.е. время как таковое в этих структурах практически исчезает. Можно полагать, что все земные системокванты сворачиваются в

ЛИТЕРАТУРА

1. Анохин П.К. Биология и нейрофизиология условного рефлекса. - М.: Медицина. - 1968. -548 с.

2. Анохин П.К. Методологическое значение кибернетических закономерностей. В кн. - "Материалистическая диалектика и методы естественных наук". - М.: Наука., 1968. - С. 547587.

3. Анохин П.К. Психическая форма отражения действительности. В кн.: "Ленинская теория отражения и современность". Под ред. Т. Павлова. - София: Наука и искусство. -1969.С. 109-139.

4. Судаков К.В. Рефлекс и функциональная система. - НовГУ им. Я. Мудрого. - Новгород, -1997. - 399 с.

5. Судаков К.В. Системное квантование жизнедеятельности. В кн.: "Системокванты физиологических процессов". - М.: Междун. гума-нит. фонд Арменоведения им. акад. Ц.П. Агаяна. 1997. С. 9-52.

космическую сферу, в единую шарообразную форму или в форму "матрешки", в которой пространственно-временные отношения сис-темоквантов становятся идентичными и теряют индивидуальный смысл.

Динамика функциональных систем определяет, таким образом, единство мироздания.

6. Судаков К.В. Информационный феномен жизнедеятельности. - Москва: РИА ПО, 1999. - 380 с.

7. Судаков К.В. Системная организация функций человека: теоретические аспекты. - Успехи физиол. наук. - 2000. - Т. 31. - № I. -С. 1-17.

8. Судаков К.В. Динамические стереотипы или информационные отпечатки действительности. - М.: РЕRSE. - 2002. - 128 с.

9. Судаков К.В. Голографические свойства системной организации головного мозга. В кн.: "Мозг: теоретические и клинические аспекты". Под ред. В.И. Покровского. - М.: Медицина, 2003. - С. 12-51.

10. Умрюхин Е.А. Механизмы мозга - информационная модель. Оптимизация обучения - М.: Горизонт. - 1999.

11. Юматов Е.А. Информационные медико-технические системы, моделирующие саморегуляцию жизненно важных физиологических функций человека. В кн. "Моделирование функциональных систем". Под ред. К.В. Су-дакова и В.А. Викторова - Москва: ЗАО "РИТ-экспресс". 2000. - С. 211-229.