Общая теория систем и системный анализ

Характеристика новых систем определяется составом элементов исполнения и особенностями блока управления. Если требуется повысить амплитуду или мощность срабатывания системы, то состав элементов исполнения должен быть одинаковым. Для повышения амплитуды действия системы все СФЕ выстраиваются в последовательный ряд, для повышения мощности - в параллельный ряд (рис. 27), в зависимости от требуемого количества результата действия (амплитуды или мощности в данный конкретный момент).

Рис. 27. Последовательный (А) и параллельный (В) ряды соединения СФЕ.

Последовательное соединение СФЕ (шары) повышает амплитуду результата действия. Параллельное соединение СФЕ повышает мощность результата действия.

Разнотипные СФЕ имеют разные цели и поэтому у них разные функции. В различии СФЕ заключается их специализация, когда каждая из них имеет присущую ей специальную функцию. Если в состав какой-либо системы входят разнотипные СФЕ, то такая система будет дифференцированной, имеющей элементы с разной специализацией. В системах с однотипными СФЕ все элементы имеют одинаковую специализацию. Поэтому в такой системе нет дифференциации. Таким образом, понятие специализации характеризует отдельный элемент, а понятие дифференциации - группу элементов.

Число СФЕ в реальных системах всегда конечно, поэтому и возможности реальных систем конечны и ограничены. Ресурсы любой системы зависят от числа СФЕ, которые входят в её состав в качестве элементов исполнения. Сколько патронов есть в пистолете, столько выстрелов он может сделать, не больше. Чем меньше СФЕ есть у системы, тем меньший диапазон изменений внешнего воздействия может привести к исчерпанию её ресурсов, тем хуже она противостоит воздействию внешней среды.

Собирая различные СФЕ во всё более и более сложные системы можно построить системы с любыми заданными свойствами (качества результата действия) и мощности (количества квантов результата действия). При этом элементы систем сами являются системами, хотя и более низкого порядка (подсистемами) для этих систем. А сама данная система также может быть элементом для системы более высокого порядка. В этом заключается суть иерархии систем.

Например, миокард должен развивать достаточно большие усилия, чтобы поддерживать необходимое артериальное давление, и иметь достаточно большую амплитуду сокращения, чтобы обеспечить необходимую величину ударного выброса желудочков.

Саркомер - это СФЕ сократительной системы миокарда (рис. 28). Каждый отдельный саркомер очень слаб по силе сокращения и амплитуда его сокращения очень мала. Если соединить много отдельных саркомеров в последовательный ряд, то суммарная амплитуда сокращения всей цепочки саркомеров будет кратна числу саркомеров в ряду, но мощность сокращения остаётся низкой и равной мощности сокращения одного саркомера (рис. 28В).

Рис. 28. Одиночный саркомер (А), и виды различных соединий саркомеров (В, C и D) .

Один саркомер может сократиться, например, на 0.001 мм, и развить усилие, например, в 0.001 гр (минимум длины и силы сокращения, А). Последовательное соединение саркомеров увеличивает амплитуду сокращения, но сила сокращения не меняется (больше амплитуда, но минимум силы сокращения, В). Параллельное соединение саркомеров не меняет амлитуды сокращения, но увеличивает её силу (больше сила, но минимум амплитуды сокращения, С). Последовательно-параллельное соединение саркомеров увеличивает и амплитуду и силу сокращения миокарда (для сокращения на 1 мм усилием в 1 гр необходимо 1 000 000 саркомеров, D). Все цифры взяты произвольно, с целью демонстрации влияния различных типов соединения саркомеров на их суммарную характеристику.

Последовательно-параллельное соединение саркомеров увеличивает и амплитуду и мощность сокращения. Для нормального выполнения своих функций, т.е., для нормальной амплитуды и силы сокращения в миокарде должно быть соответствующее число саркомеров, соединённых в последовательно-параллельные цепочки (рис. 28D).

§2. Иерархия целей и систем

Чем сложнее система, тем больше разнообразие внешних воздействий, на которые она реагирует. Но всегда на определённое воздействие (или определённую комбинацию внешних воздействий) система всегда должна дать только определённую реакцию (однозначную реакцию), или определённый комплекс реакций (однозначный комплекс реакций). Т.е., система всегда реагирует только на одно определённое внешнее воздействие, и всегда даёт только одну определённую реакцию.

Но мы всегда видим «много»-реактивные системы. Например, мы реагируем на свет, на звук, на температуру и т.д. При этом мы можем стоять, бежать, лежать, кушать, кричать и т.д. Т.е., мы реагируем на много внешних воздействий и делаем много различных действий.

Здесь нет противоречия, так как и цели, и реакции могут быть простыми и сложными. Конечная главная цель системы является логической суммой подцелей её подсистем. Цель складывается из подцелей. Например, у живого организма есть только одна, но очень сложная цель - выжить во чтобы то ни стало, а для этого он должен питаться. А для этого необходимо доставить пищу из окружающей среды к клеткам тканей. А для этого нужно сначала добыть её. А для этого нужно уметь быстро бегать (летать, кусать, хватать и т.д.). Затем нужно её размельчить, иначе не проглотить (жевание). Затем нужно «размельчить» длинные молекулы белка (желудочное пищеварение). Затем нужно ещё больше «размельчить» обрывки молекул белков (пищеварение в 12-ти-перстной кишке). Затем нужно внедрить переваренную пищу в кровь, притекающую к кишечнику (пристеночное пищеварение). Затем нужно... И таких «нужно» может быть очень много. Но каждое из этих «нужно» является определённой подцелью на каждом уровне иерархии целей. И для каждой такой подцели существует определённая подсистема на соответствующем уровне иерархии подсистем. И каждая из них выполняет свою функцию. И, таким образом, набирается много функций у системы. Но вся эта иерархия функций необходима для одной единственной кардинальной цели - выжить в этом мире.

Следовательно, мы можем оценивать любые живые организмы по этому признаку - выживаемости в каких-либо условиях. Для этого кардинальная цель дробится на подцели - уметь двигаться, вырабатывать энергию, реагировать на внешние раздражители и т.д., кардинальная цель дробится на более мелкие и более простые цели (иерархия целей).

Если учитывать иерархию целей, иерархию систем и иерархию внешних воздействий, то всегда можно определить только одно, хотя и сложное, внешнее воздействие и только одну, хотя и сложную, реакцию. Любая множественность укладывается в одно суммарное внешнее воздействие и одну суммарную реакцию, в зависимости от уровня иерархии.

Любой объект является системой и состоит из элементов, а каждый элемент предназначен для решения соответствующих подцелей (подзадач). У системы есть общая определённая цель, а любой из её элементов сам является системой (подсистемой данной системы), имеющей собственную цель (подцель) и собственный результат действия. Когда мы говорим «общую определённую цель», мы имеем ввиду не цели элементов системы, а ту генеральную цель, которая достигается путем их взаимодействия. У системы есть цель, которой нет у каждого её элемента в отдельности. Но генеральная цель системы дробится на подцели и эти подцели уже являются целями её элементов.

Система кровообращения состоит из крови, сосудов и желудочков сердца, выполняющих функцию насосов. Её цель - перенос кислорода от лёгких до тканей организма. Гемоглобин крови может захватывать кислород, но не может сам двигаться из лёгких в ткани. Желудочки сердца могут передвигать кровь, но не могут захватывать кислород. Сосуды могут распределять кровь по тканям, но не могут её передвигать и захватывать кислород. Следовательно, каждый из этих элементов не может доставлять кислород из лёгких в ткани, но это может делать результат их взаимодействия.

Нет систем в виде неделимого объекта, любая система состоит из группы элементов. А каждый элемент, в свою очередь, сам является системой (подсистемой) со свой целью, являющейся подцелью генеральной цели. Для достижения цели система делает множество различных действий и каждое из них является результатом действия её элементов. Логической суммой всех результатов действий подсистем системы является конечная функция - результат действия данной системы.

Таким образом, одна кардинальная цель определяет систему, а подцель - подсистему. И так вглубь иерархической лестницы. Цель дробится на подцели и строится иерархия целей (логически связанная цепь должных действий). Для выполнения этой цели строится система, состояшая из подсистем, каждая из которых должна выполнять соответствующие подцели и способные дать необходимый соответствующий результат действия. Таким образом строится иерархия подсистем. Число подсистем в системе равно числу подзадач (подцелей), на которые разбивается генеральная цель. Структурная схема системной иерархии в общем виде представлена на рис. 29.

В этой схеме сама система расположена на нулевом уровне иерархии, а все её подсистемы на минус первом, минус втором и т.д., уровнях соответственно. Порядок нумерации координат относительный. Это значит, что сама данная система может входить в качестве подсистемы в другую, более крупную систему. Тогда уже более крупная система будет приравнена к нулевому уровню, а данная система уже будет её подсистемой и будет расположена на минус первом уровне.

Следовательно, иерархическая лестница систем строится на основе иерархии целей. Целевые действия систем выполняют её элементы исполнения, но для управления их целевого взаимодействия необходимо взаимодействие блока управления самой системы и блоков управления её подсистем. Поэтому иерархическая лестница систем - это, по сути, иерархическая лестница блоков управления систем. Эта лестница строится по принципу пирамиды. Наверху один начальник (блок управления всей системы), под ним несколько его конкретных подчинённых (блоки управления подсистем системы), под каждым из них их конкретные подчинённые (блоки управления ниже стоящих подсистем) и т.д. На каждом уровне иерархии существуют собственные блоки управления, регулирующие функции соответствующих подсистем.

Иерахические отношения между блоками управления различных уровней строятся на подчинённости блоков низшего ранга высшим. Т.е., блок управления высокого уровня задаёт уставку блокам управления более низкого уровня.

Рис. 29. Иерархия системы.

Представлены только 4 уровня иерархии, от 0-го до -3-го. Отсчёт относительный, где за 0-й уровень принят уровень данной системы. Его можно продолжать как в стороны более высоких цифр, так и в сторону более низких (отрицательных) цифр. Понятия «порядок» и «уровень» идентичны. Понятия «система» и «подсистема» также идентичны. Например, вместо выражения «подсистема минус 2-го порядка» можно сказать: «система минус 2-го уровня». И хотя за нулевой уровень принят уровень самой системы, она сама может входить в качестве подсистемы в другую систему более высшего порядка. Тогда уже номер её уровня может стать отрицательным (нумерация уровня относительная).

Элементы каждого уровня иерархии систем являются частями системы, её подсистемами, системами более низкого порядка. Поэтому, понятия «часть», «исполнительный элемент», «подсистема», «система» и в ряде случаев даже «элемент» являются идентичными и относительными. Выбор названия диктуется лишь удобством подчёркивания места данного элемента в иерархии системы.

Понятие об иерархической лестнице (или о принципе пирамиды) является очень мощным инструментом и в ней заключается основное преимущество системного анализа. Без этого понятия невозможен системный анализ. Как всё наше окружение, так и любой живой организм состоит из огромного числа различных элементов, находящихся в различных отношениях. Невозможно анализировать всё громадное количество информации, характеризующее бесконечное число различных элементов. Понятие иерархии систем резко сужает число элементов, подлежащих анализу. Без неё мы должны брать на учёт все уровни окружающего мира, начиная от элементарных частиц и кончая глобальными системами, такими как организм, биосфера, планета и так далее.

Мы можем пытаться анализировать какую-либо болезнь и без учёта иерархии взаимосвязей этих элементов, учитывая все типы структур - молекулярный, клеточный, органный и т.д. Но это тупиковый путь, поскольку невозможно запомнить и увязать друг с другом все известные молекулярные образования, жидкости, особенности форм тканевых образований и пр. Если же использовать понятие иерархии систем и оперировать всего лишь понятиями систем на уровнях их подсистем, не углубляясь излишне в глубь тысяч подробностей, то у нас нет необходимости перерабатывать весь огромный материал (рис. 29 - 30). Достаточно анализировать всего лишь несколько уровней систем. Например, сосудистая часть большого круга кровообращения (БКК) состоит из тысяч различных веточек различных сосудов, и у многих из них даже есть свои имена. Невозможно не только представить их взаимодействие, но и даже запомнить их. Но представить себе взаимодействие всего четырех элементов БКК - приёмного, распределительного, микро-циркуляторного и коллекторного отделов очень легко.

Для глобальной оценки любой системы достаточно анализировать всего три уровня:

? глобальный уровень самой системы (её место в иерархии более высших систем)

? уровень её элементов исполнения (их место в иерархии самой системы)

? уровень элементов её управления (элементов блока управления самой системы)

Для оценки функции системы необходимо определить соответствие результата действия данной системы её цели - должному результату действия (глобальный уровень функции системы), определить число её подсистем и соответствие их результатов действия их целям - их должным результам действия (локальные уровни функций элементов исполнения), и оценить функцию элементов управления. В конечном итоге максимальный уровень функции системы определяется логической суммой результатов действий всех подсистем, входящих в её состав, и оптимальностью деятельности блока управления. Поэтому для оценки любых систем живого организма нам достаточно оперировать понятиями подсистем организма.

Система внешнего газообмена (СВГ) входит в состав системы обмена метаболических газов (рис. 30) и мы, например, хотим оценить функции СВГ (то, что обычно называют функциями лёгких). Конечной функцией СВГ является обеспечение необходимого уровня насыщения артериальной крови кислородом (SaO2a). Её минимальной системной функциональной единицей является функциональная единица вентиляции (ФЕВ), которая входит в состав системы (подсистемы) диффузии. Она состоит из групп альвеол и бронхиальных путей и её необходимо вентилировать, чтобы обеспечить необходимые уровни рО2А и рСО2А в альвеолярном воздухе. Нам достаточно знать число ФЕВ и условия их вентиляции, для того чтобы полностью оценить функции системы внешнего газообмена. Если функция системы снижена, это может быть либо из-за нарушений условий вентиляции ФЕВ, либо из-за недостаточности их числа. Следовательно, дальше мы должны анализировать либо те системы, которые ответствены за условия вентиляции, либо элементы, из которых «построены» ФЕВ, и так мы можем спуститься на следующий уровень и анализировать элементы самих ФЕВ - бронхи и альвеолы, чтобы узнать, почему условия вентиляции ФЕВ ненормальные. И так далее, вплоть до клеточного, субклеточного и молекулярного уровней, если понадобится. Так строится траектория патогенеза.

Рис. 30. Иерархия системы обмена метаболических газов.

Система обмена метаболических газов содержит две подсистемы минус первого уровня - систему внешнего газообмена и систему кровообращения. Система внешнего газообмена, в свою очередь, содержит три подсистемы минус второго уровня, а система кровообращения - шесть подсистем, также минус второго уровня.

Функциональная единица перфузии лёгких представляет собой минимальную системную функциональную единицу перфузии Малого Круга Кровообращения (ФЕП-МКК). Она состоит из терминальных артерий, артериол, альвеолярной капиллярной сети, венул и терминальных вен. Её назначение - пропускать через себя определённое количество венозной крови для её артериализации (рис. 31). В её состав также входят клетки, жидкости, мембраны и прочие белковые и не белковые структуры. Однако для её оценки нам нет надобности изучать всё многообразие этих структур. Достаточно измерить её интегральную функцию.

Рис. 31. Система обмена метаболических газов в покое (А) и в нагрузке (В).

1- активные лёгочные функциональные единицы (ФЕВ и ФЕП-МКК); 2 - вентилируемые бронхи; 3 - резервные (пассивные) ЛФЕ; 4 - невентилируемые бронхи; 5 - активные функциональные единицы перфузии (ФЕП-БКК); 6 - резервные (пассивные) ФЕП-БКК.

Каждая такая ФЕП-МКК может обеспечить альеолярный газообмен в количестве, например, 0.0001 мл/мин О2 (цифры произвольные). Если организм должен потреблять 2 000 мл/мин О2, то в его лёгких должно быть не менее 2 000 000 таких ФЕП. Однако, если во время теста с максимальной физической нагрузкой выясняется, что лёгкие данного пациента могут пропустить через себя не более 1 000 мл/мин О2, то, возможно, около половины ФЕП-МКК не функционируют (при условии, что остальные элементы СОМГ нормальные).

Сегодня так никто не делает, потому что нет технологии такого измерения и анализа получаемых данных. Каким образом измерить число этих ФЕП-МКК - это, как говорится, другой разговор. Пока мы не можем подсчитывать число не только нормальных и патологических ФЕП-МКК, но и других СФЕ в живом организме, но к этому нужно стремиться. Так надо делать и по мере развития технологии диагностики это станет возможным. Мы должны понимать, как функционируют системы живого организма и системный анализ даёт эту возможность. А когда что-то теоретически возможно, то и практически рано или поздно также становится возможным.

Придерживаясь следующей цепочки рассуждений:

? наличие цели для выполнения определённого условия,

? наличие новизны качества или количества результата действия,

? наличие петли (блока) управления,

можно выделить элементы любой конкретной системы, выявить её иерархию, и разделить перекрёстные системы, в которых одни и те же элементы выполняют различные функции.

Системы работают по законам логики, основным принципом которых является выполнения условия: «...если, то...». В этом условии «...если» является аргументом (целью), а «то...» - функцией (результатом действия). Этим условием определяется детерминизм в природе и иерархическая лестница. Любой закон, природный или социальный, требует выполнения какого-либо условия, а основой любого условия является эта логическая связка - «...если, то...». Причём, эта логическая связка касается только двух смежных подсистем на иерархической лестнице. Аргумент «...если» всегда задаёт система на более высокой ступеньке, а функцию (то...) выполняет система (подсистема), стоящая прямо под ней на более низкой ступеньке иерархической лестницы.

Действия самих элементов и взаимодействия между элементами могут быть основаны на законах физики или химии (законах электродинамики, термодинамики, математики, социальных или квантовых законах и т.д.). Но работа блока управления основана только на законах логики. А поскольку именно блок управления определяет характер функции систем, то можно утверждать, что системы работают по законам логики. Например, если в данной ФЕВ мало кислорода, то нужно прекратить кровоток по сопряженным с ней лёгочным капиллярам (рефлекс Эйлера-Лильёстранда), ... если данная сердечная мышца перерастянута притекающим кровотоком, то нужно увеличить силу сердечного сокращения (закон Старлинга), и т.д. Следовательно, законы логики более фундаментальны, чем остальные законы мироздания.

Любая система организма находится в определённых иерархических отношениях с другими его системами. У каждой из них есть свои блоки управления, которые имеют свои контуры регуляции - нервную, гуморальную или метаболическую (кора головного мозга, подкорка, гипоталамус, ствол мозга, вегетативная нервная система, интрамуральные ганглии, нервные и метаболические аксон-рефлексы, и т.д.). Если, например, «открыт» новый метаболит (гормон, простагландин и т.д.), то необходимо знать, какая система его производит (выход результата действия или стимулятора блока управления этой системы) и где точка его приложения (вход внешнего воздействия или уставки ведомой системы). Так мы можем построить причинно-следственную цепь работы данного метаболита.

Когда происходит организация систем, происходит соединение соответствующих выходов результатов действия и стимуляторов с входами внешнего воздействия или уставки соответствующих систем. Какая-либо система может «влезть» в блок управления другой системы только через вход уставки. Так строится иерархия систем, одна из них управляющая на верхней супеньки иерархии, другая управляемая, ниже на одну ступень иерархии. У управляемой системы, в свою очередь есть свои подсистемы на ещё более низкой ступени иерархии с их блоками управления и с их входами уставки. Таким образом, система состоит из подсистем или СФЕ, но и сама она может входить в качестве подсистемы в состав другой системы, стоящей на более высокой ступени системной иерархии. Число иерархических ступеней может быть любым.

Но глубина управления на лестнице системной иерархии не любая. У блока управления системы глубина иерархии управления должна быть не больше чем на одну ступеньку вниз по системной иерархической лестнице. Он не может управлять более высокими по отношению к нему системами, т.е., стоящих на одну и выше ступенек лестницы иерархии, потому что сам управляется блоком управления этой высшей системы через собственный вход уставки. Не хвост крутит собакой, а собака крутит хвостом.

Ему нет смысла управлять также и стоящими более чем на одну ступеньку вниз по этой же лестнице. У каждой подчинённой ему подсистемы есть собственная цель, которая является подцелью данной системы и которую она выполняет за счёт взаимодействия уже её собственных подсистем. Если она выполняет свою цель, то нет смысла лезть вглубь иерархии, поскольку данная подсистема так и так её выполняет. Если данная подсистема в силу каких-либо причин не может выполнить свою цель (подцель), то блоку управления нет смысла «влазить» ещё вглубь иерархии, потому что если «мелкий начальник» не смог управлять данной подсистемой, то и «выше стоящий начальник» также не сможет это сделать и данная подсистема всё равно не сможет выполнить свою цель. Т.е., блоки управления работают по средневековому феодальному принципу - «вассал моего вассала не мой вассал». Это вытекает из самого принципа работы блока управления. Он может управлять только качеством и количеством функций подчинённых ему подсистем или СФЕ за счёт их включения (выключения) и путём передачи в их блоки управления определённых уставок (директив). Причём число подчинённых подсистем не должно превышать определённое число, которое зависит от соотношения степеней сложности блока управления и выполняемой цели.

Иногда в сообществах людей «начальники» мнят, что они могут управлять на любых уровнях, но такой тип управления самый неэффективный. Наилучший тип управления - это когда директор (блок управления многофункциональной системы) управляет только начальниками отделов (блоки управления монофункциональных систем), ставит перед ними выполнимые цели и требует их выполнения. Причем, число его «замов» не должно превышать 7±2 (число Мюллера). Если какой-то отдел не выполняет своих целей, это значит, что либо руководство отдела (блок управления подсистемы) не годится, потому что или недостаточно продумало и распределило задания для своих подчинённых (для СФЕ), или неправильно подобрало рядовых работников (СФЕ), либо перед самим отделом (перед системой) была поставлена невыполнимая цель, либо сам директор (блок управления системы) не годится для управления. В этих случаях необходима реорганизация системы. Но если система налажена и функционирует нормально, то директору нет смысла самому «влазить» в текущие дела отдела. Для этого есть начальник отдела.

Решение о реорганизации системы происходит лишь тогда, когда система по какой-либо причине не может выполнить цель (кризис системы). Если нет кризиса, нет смысла в реорганизации. Для реорганизации система меняет состав своих исполнительных и управляющих элементов как за счёт включения (выключения) дополнительных подсистем, так и за счёт изменения комбинаций выход-вход этих элементов. В таких случаях может происходить перескок ступенек иерархии и нарушение принципа «вассал моего вассала не мой вассал». В этом суть реорганизации системы. При этом часть элементов может быть выброшена из системы за ненадобностью (так когда-то мы потеряли, например, хвосты и жабры), а другая часть может быть включена в состав системы или перемещена по лестнице иерархии. Но всё это может происходить только во время самой реорганизации системы. Когда сам процесс реорганизации заканчивается и реорганизованная система может выполнять поставленную перед ней цель (начинает нормально функционировать), восстанавливается закон управления «вассал моего вассала не мой вассал».

§3. Следствия из аксиом

Выше рассмотренные соображения касаются не только сообществ людей. В любой системе есть иерархия. Она есть в звёздных и планетарных системах, в кристалических системах, в системах биосферы и вообще во всех системах без исключения и независимо от сложности систем. Это определяется следствиями из аксиом, которые являются обязательными для любых систем.

Независимость цели. Цель не зависит от объекта (системы), поскольку определяется не данным объектом, не его потребностью, а потребностью другого объекта в чём-то (диктуется внешней средой или другой системой). Но понятие «система» по отношению к данному объекту зависит от цели, т.е., от соответствия возможностей данного объекта выполнить заданную цель. Цель задаётся извне и объект строится под неё, а не наоборот. Только в этом случае он является системой.

Например, существует потребность в доставке кислорода в клетки живого организма из окружающей атмосферы. Эту потребность может удовлетворить только такая система, которая может переносить кислород из атмосферы к клеткам организма (целью является перенос кислорода). Эту функцию выполняет система обмена метаболических газов (СОМГ). У некоторых насекомых эта система состоит из одного элемента - системы внешнего газообмена (СВГ). Это так называемая трахеальная СОМГ, осуществляющая перенос кислорода с помощью воздушного потока, доходящего прямо до любых клеток тела насекомого. Это возможно лишь благодаря малым размерам его тела. У высших животных, включая человека, СОМГ уже состоит из двух элементов - СВГ и системы кровообращения (СК). Часть переноса осуществляется за счёт воздушного потока, а часть - за счёт потока жидкости со специальными молекулярными проводниками газов (гемоглобин для кислорода и бикарбонаты для углекислого газа). У высших животных цель осталась та же, но для её выполнения система (СОМГ) была перестроена.

Ещё раз отметим необычность первого следствия - цель системы определяется потребностью в чём-то каким-то другим объектом (внешней средой или другой системой). Здравый смысл подсказывает нам, что вроде бы выживаемость является потребностью данного организма (данной системы). Но из первого следствия выходит, что потребность выживать исходит не из данного организма, а задана ему какой-то другой внешней по отношению к нему системой, например, природой, а организм пытается выполнить эту цель.

Специализация функций системы. В ответ на определённое (специфическое) внешнее воздействие система всегда даёт определённый (специфический) результат действия.

Например, сфинктеры могут только сокращать свой просвет, но не могут секретировать или проводить возбуждение. Секреторные клетки могут только выделять специфический секрет (гормон, мукозу, желудочный сок, инсулин и т.д.), но не могут сокращаться, передавать давление и т.д. Функциональные единицы вентиляции лёгких (ФЕВ) могут пропускать через себя только воздух, но не жидкость. Функциональные единицы перфузии лёгких (ФЕП-МКК) могут пропускать через себя только жидкость (кровь), но не воздух. Саркомеры активно могут только сокращаться, но не удлиняться. И т.д.

Специализация - это целенаправленность. Любая система специализиро-вана (целенаправлена), и это исходит из аксиомы. Нет систем вообще, есть конкретные системы. Поэтому у любой системы есть её специфическая цель. Специализация эритроцитов - переносить кислород. Специализация белых клеток крови - защищать организм от инородных тел.

Элементы исполнения (исполнительные СФЕ) каких-либо систем могут быть однотипными (одинаковыми, не дифференцированы друг от друга). Если же элементы исполнения отличаются друг от друга (разнотипны), то данная система состоит из дифференцированных элементов.

Клетки бластулы (яйцеклетка на стадии деления) не дифференцированы. Но начиная с некоторого определённого момента деления, возникает их дифференциация, появляются стволовые специализированные клетки, дающие начало зарождения отдельных специализированных тканей - нервных клеток, мышц, секреторных клеток и т.д.. Ткани содержат уже глубоко специализированные клетки, которые имеют специальные функции (сокращения, секреции, возбуждения, и т.д.). У раковых клеток происходит обратный процесс - уменьшение дифференциации, они ближе к бластуле, чем полностью дифференцированные клетки, из которых они произошли.

Цельность системы. Система проявляет себя как единичный и целостный объект. Это вытекает из единства цели, которое присуще только системе в целом, но не её отдельным элементам в частностях. Цель объединяет элементы системы в единое целое.

Например, часы являются цельным и единым объектом, хотя и состоят из многих мелких и крупных составных частей (рис. 32).

Рис. 32. Часы в сборе являются цельным объектом (А), хотя и состоят из многих элементов (В).

Система кровообращения также является единым и целостным объектом с одной главной целью - обменивать метаболические газы между воздухом в лёгких и клетками организма, хотя и состоит из четырёх элементов - сосудистой системы, двух насосных систем (левый и правый желудочки сердца) и крови, а каждый из них состоит из ещё более мелких объектов.

Ограниченная дискретность системы. Нет ничего неделимого и любую систему можно разделить на части. При этом любая система состоит из конечного числа элементов (частей) - элементов исполнения (подсистем, элементов, СФЕ) и элементов управления (блока управления).

Например, система обмена метаболических газов (СОМГ) состоит всего лишь из двух частей - системы внешнего газзобмена и системы кровообращения, хотя в каждой из них можно выделить ещё подсистемы и ещё подсистемы, и так до отдельных альвеол, сосудов, клеток, молекул, атомов и пр. Живой организм состоит из огромного числа элементов. Если мы начнём считать все веточки сосудов, клетки, молекулы, атомы и т.д., мы никогда не сможем остановиться, хотя все эти элементы входят в состав СОМГ. Но они входят в состав СОМГ только на уровнях своих иерархий. Сама же СОМГ состоит всего лишь из двух частей (подсистем, систем), функции которых определяют суммарную функцию СОМГ. Делить на подсистемы можно бесконечно, но сами системы имеют ограниченное и конечное число элементов.

Иерархичность системы. Элементы системы находятся в различных отношениях между собой и место каждого из них является местом на иерархической лестнице системы.

Система хотя и проявляет себя как единичный и целостный объект, но состоит из элементов (подсистем, частей), т.е., систем более низкого порядка. В то же время она сама может быть системой (подсистемой, частью), входящей в состав системы более высокого порядка.

Все элементы нашего мира взаимосвязаны в той или иной степени. Отсюда следует, что в принципе существует только одна Система под названием «Мир» (Вселенная, и т.д.), а всё, что в нём существует, является его элементами (подсистемами, СФЕ, частями, элементами, членами, и т.д.). Мы пока не знаем ни целей этой Системы, ни даже того, существует ли эта Система (Вселенная, доступная нам в изучении) в единственном числе, или их много. Возможно существуют бесконечные продолжения в стороны более высокого или низкого порядков.

Но в любом случае биосфера является органичным элементом этого мира и, в то же время, окружающей средой для организма человека. А организм человека является естественным элементом биосферы, которая воздействует на него и вызывает его реакции. Именно воздействия внешней среды могут привести к различным болезням - поражениям различных СФЕ организма.

Иерархичность систем обусловлена иерархичностью целей. У системы есть цель. А для достижения этой цели необходимо решить ряд более мелких подцелей, для которых большая система содержит ряд подсистем различной степени сложности, от минимальной (СФЕ) до максимально возможной сложности.

Иерархичность - это различие между целями системы и целями её элементов (подсистем), которые являются для неё подцелями. Причём, системы более высокого порядка ставят цели перед системами более низкого порядка. Таким образом, цель высшего порядка подразделяется на ряд подцелей (целей более низкого порядка). Иерархия целей определяет иерархию систем. Для достижения каждой из подцелей требуется специфический элемент (следует из закона сохранения). Управление в иерархической лестнице осуществляется согласно закону «вассал моего вассала не мой вассал». Т.е., прямое управление возможно лишь на уровне «система - собственная подсистема», и невозможно управление системой подсистемы её подсистемы. Царь, если он хочет отрубить голову рабу, он не делает это сам, а приказывает своему подчинённому палачу.

Любой живой организм является частью (системой, подсистемой) системы более высокого порядка - семьи, рода, вида и мира живых существ. А эти системы более высокого порядка, в свою очередь, являются элементами другой системы ещё более высокого порядка, называемой биосферой, которая сама является элементом системы ещё более высокого порядка, называемого «планетой Земля». Элементы живого организма (системы и подсистемы, состоящие из клеток, жидкостей и пр.) являются системами более низкого порядка по отношению к нему самому. Цель организма как системы - выжить в условиях биосферы. Эта цель подразделяется на ряд более мелких целей (подцелей) - двигаться, питаться, снабжать себя кислородом, удалять из себя все конечные продукты метаболизма, и т.д. Для каждой из этих подцелей существуют специфические системы (подсистемы, элементы), каждая из которых имеет только их специфические функции.

Функция системы. Результат действия системы является её функцией. Для достижения цели система должна целенаправлено выполнять определённые действия, которые в результате которых появляется функция системы. Цель является аргументом для системы (императивом), а результат действия системы - функцией.

Функции системы определяются набором исполнительных элементов, их взаимным расположением и блоком управления. Понятия «система» и «функция» неразделимы. Нет нефункциональных систем. Функциональная система - это тафтология, потому что они все функциональные. Но может быть не функционирующая в данный момент система (в режиме ожидания). После того, как на неё будет оказано определённое внешнее воздействие, она обязательно даст определённый и специфический результат действия (будет функционировать). Без внешнего воздействия нет действий системы (не функционирует). Пистолет не выстрелит, пока не нажмешь курок. Миоцит сокращается только после подачи на него синаптического импульса. Аорта растягивается только во время систолы левого желудочка, кисть руки работает только после сокращения мышц проминаторов или супинаторов, и т.д.

Вообще говоря, принято, что аргументом является внешнее воздействие, потому что на этом принципе производится построение графиков функции. По оси «Х» откладываются значения аргумента (внешнего воздействия), а по оси «У» - значения функции. Введение понятия цели вводит новый элемент графика - должную кривую, показываающую, каким образом должна вести себя функция при изменении внешнего воздействия. Т.е., цель указывает системе, каким образом она должна вести себя при определённом внешнем воздействии. Поэтому при учете цели аргументом является не внешнее воздействие, а цель.

Нужно различать внутренние функции системы (подфункции), принадлежащие её элементам (подсистемам, СФЕ), и внешние функции, принадлежащие всей системе в целом. Внешняя функция системы - это результат её собственного действия, выходящий из системы. Внутренние функции системы - это результаты действия её элементов.

Результативность систем. Соответствие результата действия поставленной цели характеризует результативность систем.

Результативность систем прямо связана с их функцией. Функция системы в плане результативности может быть достаточной, гиперфункцией, отстающей и полностью (абсолютно) недостаточной. Система выполняет какие-либо действия и это приводит к появлению её результата действия, который должен соответствовать той цели, для которой данная система создана. Результативность систем основана на их специализации. «Сапоги должен шить сапожник, а пироги печь пирожник». Если сделать наоборот, то не всегда результаты действия реальных систем будут соответствовать целевым (частичная результативность, или её отсутствие). Результат действия системы (её функция) должен полностью соответствовать качественно и количествено заданной цели. Он может не соответствовать, быть побочными, или даже быть противодействующими (противоцелевыми), причём у реальных систем могут быть все эти виды результатов действия одновременно. Только у идеальных систем результат может полностью соответствовать заданной цели (полная результативность). Но системы с коэффициентом полезного действия в 100% нам неизвестны.

Интегральный результат (интегральная функция) есть сумма отдельных побочных и полезных результатов действия. Эта сумма и определяет принадлежность данного объекта к понятию «система» в приложении к данной цели. Если сумма положительна, то в отношении заданной цели данный объект является системой той или иной эффективности. Если сумма равна нулю, то объект не является системой по отношению к данной цели (нейтральный объект). Если сумма отрицательна, данный объект является антисистемой (системой со знаком минус, препятствующей достижению данной цели). Это касается как самих систем, так и её элементов. Чем выше коэффициент полезного действия, тем результативнее система.

Несоответствие результата действия данной системы должной величине зависит от несоответствия количественных и качественных ресурсов системы, например, вследствие поломки (разрушения) или неправильного и/или недостаточного развития её элементов исполнения (СФЕ) и/или управления. Поэтому любой объект является элементом системы только в том случае, если его действия (функции) соответствуют достижению заданной цели. В противном случае он не является элементом данной системы.

Например, нефроны являются элементами системы водно-минерального обмена, которая в свою очередь является важным элементом системы стабилизации артериального давления. Если нефроны почек нормально работают, то водно-минеральный обмен будет нормальным и артериальное давление также будет нормальным. Если происходит разрушение почечных нефронов, то начиная с некоторого момента начинает развиваться артериальная гипертония почечной этиологии. Т.е., до истощения ресурсов, при достаточном количестве СФЕ (нефронов) результат действия соответствует заданной цели - артериальное давление стабильно и в пределах нормы. При истощении ресурсов, когда число разрушенных СФЕ (нефронов) превысит критическое, система стабилизации артериального давления переходит в свою антитезу - вместо стабилизации происходит увеличение артериального давления.

Результативность систем полностью определяется ограниченностью действий систем.

Ограниченность действий системы. Любая система характеризуется качественными и количественными ресурсами. В понятие ресурсы входит понятие функционального резерва - какие действия и сколько таких действий система может выполнить.

Качественные ресурсы определяются типом элементов исполнения (типом СФЕ), а количественные ресурсы - их количеством. А поскольку реальные системы имеют определённое и конечное (ограниченное) число элементов, то отсюда следует, что реальные системы имеют ограниченные качественные и количественные ресурсы. «Качественные ресурсы» - это «какие действия (или «что») может выполнять данная система (давить, толкать, переносить, удерживать, снабжать, секретеровать, заслонять свет и т.д.). «Количественные ресурсы» - это «сколько мер» (литров, mm Hg, единиц проживания, и т.д.) таких действий может выполнять данная система

Качественные ресурсы системы «кислородтранспортные единицы крови» (гемоглобин эритроцитов) заключаются в том, что СФЕ системы способны переносить кислород. Других действий, кроме этого данная система не производит. При этом в организме человека есть несколько миллиардов эритроцитов, содержащих около 600 г гемоглобина (количественные ресурсы). Весь этот гемоглобин способен вместить в себя только 800 мл О2, не более.

Дискретность (квантованность) функций системы. Действия системы всегда дискретны (квантованы), поскольку любые её СФЕ работают по закону «всё, или ничего». Нет плавного изменения функции системы, всегда есть ступенчатый (квантованный) переход с одного уровня функции на другой, потому что элементы управления включают или выключают очередные СФЕ, в зависимости от потребностей системы.

Наш мир дискретен (квантован). Переход систем с одного уровня функций на другой всегда осуществляется скачком. Мы не всегдо видим эту ступенчатость из-за того, что амплитуда результата действия отдельных СФЕ может быть очень и очень маленькой, но она всегда есть. Амплитуда этих ступенек перехода с уровня на уровень определяет максимальную точность результата действия систем и определяется амплитудой результата действия отдельной СФЕ (квант действия).

Мы не можем измерить ударный выброс левого желудочка с точностью до сокращения одного саркомера. Но величина ударного выброса определяется суммой сокращений тех саркомеров, которые приняли в нём участие.

Возможно, элементарные частицы являются самыми минимальными СФЕ нашего Мира и поэтому не разделимы на более мелкие части, подчиняющиеся физическим законам нашего Мира.

Коммуникативность систем. Сопряженные системы взаимодействуют между собой. В этом взаимодействии заключается связь между системами, их коммуникативность.

Различают открытые и закрытые системы. Однако в нашем мире нет полность изолированных (закрытых) систем, на которые невозможно было бы оказывать какие-либо воздействия, и которые никак не воздействовали бы на какие-либо другие системы. Можно найти минимум две системы, которые никак не взаимодействуют (не реагируют) между собой, но всегда можно найти третью систему (а возможно потребуется группа промежуточных систем), которая будет взаимодействать (реагировать) с первыми двумя, т.е., быть связующим звеном между ними. Если какая-либо система абсолютно не реагирует на любые воздействия, оказываемые любыми другими системами, и её собственные результаты действия абсолютно безразличны для других систем, и невозможно найти третью систему, или группу систем, с которыми эта система могла бы взаимодействовать (реагировать), это значит, что данная система не существует в нашем Мире.

Взаимодействие между системами может быть сильным или слабым, но оно должно быть, иначе системы не существуют друг для друга. Взаимодействие осуществляется за счёт цепочек действий - «...внешнее воздействие > результат действия...». Если замкнуть конец такой цепочки на её начало, получим замкнутую (закрытую) систему. Результат действия после своего «рождения» не зависит от «породившей» его системы. Поэтому он может стать внешним воздействием для неё самой же. Тогда это будет циклически действующая система - генератор с положительной обратной связью. Но и генератор для своей деятельности требует энергии, поступающей извне. Следовательно, и он в какой-то мере открыт. Поэтому, как уже выше было сказано, абсолютно закрытых систем не бывает. У каждой системы есть определённое число внутренних (между элементами) и внешних (между системами) связей, через которые система может взаимодействовать с внешнии другими системами. Закрытость (открытость) системы определяется отношением числа внутренних связей к внешним. Чем больше это отношение, тем больше закрытость системы.

Космические объекты типа «чёрных дыр» принято относить к закрытым системам, потому что даже фотоны не могут оторваться от них. Но они реагируют с остальными космическими телами через гравитацию. Значит они «открыты» через канал гравитации, через который они «испаряются» (исчезают).

У системы «артериальное русло Большого Круга кровообращения» есть очень много внутренних связей между его элементами (бифуркации артерий, структуры стенок артерий, внутриклеточные структуры, и т.д., т.е., большое множество внутренних связей). Но у неё есть две внешние связи - одна связь на приём внешнего воздействия (связь с выходным отделом левого желудочка, который воздействует на артериальную сеть ударным, или сердечным выбросом крови) и ещё одна связь на выдачу своего результата действия (связь с прекапиллярными сфинктерами микроциркуляторного русла). Таким образом, эта система «открыта» на левый желудочек и на микроциркуляторное русло БКК (две открытые связи). Поскольку число внутренних связей намного больше внешних, данная система относительно закрыта. В цепочке «...внешнее воздействие > результат действия...» происходит преобразование - «сердечный выброс > артериальное давление», а собственным результатом действия является «общее периферическое сосудистое сопротивление».

Возможно наш Мир является замкнутой на себя и полностью закрытой системой. На современном уровне знаний это пока неизвестно.

Управляемость систем. Любая система содержит элементы (системы) управления, которые контролируют соответствие между результатом действия системы и поставленной целью. Эти элементы управления образуют блок управления. Управление системой осуществляется через задание уставки в блок её управления, а управление её элементов исполнения - через задание уставок в их блоки управления.

Любой рефлекс является проявлением работы блока управления. А поскольку блок управления является неотъемлимой принадлежностью любых систем, в том числе и живых, то у любых систем организма и на любых уровнях (включая клеточные и субклеточные) есть собственные рефлексы.

Элементы исполнения должны выполнить цель ровно настолько, насколько это задано уставкой, ни больше, ни меньше (не минимально или максимально, а оптимально), по принципу - «необходимо и достаточно». Элементы управления следят за выполнением цели и если результат превышает заданный, блок управления заставляет элементы исполнения уменьшить функцию системы, если он ниже заданного - увеличить функцию системы. Цель диктуется внешними условиями по отношению к системе. Уставка вводится в систему через особый канал ввода уставки.

Фактически орган управления системы постоянно сравнивает внешние условия и результат действия с уставкой. Если заданная уставкой цель выполняется, орган управления системы не делает никаких действий. Если есть несоответствие между заданной целью и результатом действия системы, то орган управления воздействует на элементы исполнения таким образом, чтобы это несоответствие исчезло (система действует). Решения органа управления зависят от наличия и величины несоответствия (рассогласованности) результата действия системы и её цели.

Артериальное давление является динамическим балансом между притоком крови в артериальную сеть (сердечным выбросом) и суммарным сосудистым сопротивлением прекапиллярных сфинктеров, регулирующих кровоток по тканевым сосудистым сегментам в тканях. Система стабилизации артериального давления должна поддерживать среднее давление на уровне 100 mm Hg. В покое, когда работает небольшое число мышц, а значит - небольшое число тканевых сосудистых сегментов, сосудистое сопротивление относительно высокое, потому что большое количество прекапиллярных сфинктеров закрыто. В нагрузке, когда эти сфинктеры открываются, чтобы пропустить кровоток в новые работающие мышцы, общее периферическое сосудистое сопротивление падает. А поскольку артериальное давление прямо пропорционально сердечному выбросу и обратно пропорционально этому сопротивлению, то для поддержания давления на стабильном уровне во время нагрузки необходимо увеличить сердечный выброс, что и происходит на деле. Т.е., артериальная система диктует новую уставку миокарду - увеличить его производительность, которую он увеличивает за счёт своих СФЕ - саркомеров.

Каждый сосудистый сегмент срабатывает по закону «всё или ничего», т.е., для кровотока он либо открыт, либо закрыт. Следовательно, включение его в перфузию уменьшает общее сосудистое сопротивление скачком, на величину его сосудистого сопротивления (квант сопротивления равен сопротивлению одного отдельного сосудистого сегмента). На фоне общего сосудистого сопротивления, когда перфузируются сотни тысяч таких сегментов, включение одного сосудистого сегмента почти не проявляется на артериальном давлении. Но если в перфузию включаются тысячи таких сосудистых сегментов, то общее сосудистое сопротивление уже может значительно измениться и это может проявиться на артериальном давлении. Чтобы артериальное давление сохранялось стабильным и не менялось, петля ООС должна иметь достаточную чувствительность, чтобы во-время «заметить» изменение артериального давления и «подстроить» соответствующим образом сердечный выброс, тонус артерий мышечного типа и объём циркулирующей крови.

Уставку (задание цели для данной системы) всегда задаёт верхняя (старшая) в цепи иерархии система. Она (уставка) может меняться, в зависимости от «интересов» этой старшей системы А блок управления данной системы всегда будет следить за соответствтием результата действия уставке (цели) и действовать таким образом, чтобы новый результат действия соответствовал новой уставке. Самоорганизующиеся системы могут поменять некоторые параметры уставки, в зависимости от внешней ситуации. Но ни одна система не может поменять собственную цель, поскольку цель всегда задаётся извне. Даже когда мы, люди, ставим перед собой высокие цели, всё равно их ставим не мы. Они продиктованы «высшими целями», которые происходят из здравого смысла, из патриотизма, из любви к ближнему и т.д., т.е., внешними по отношению к нам обстоятельствами.