Системный подход к решению научных проблем в биологии и медицине Текст научной статьи по специальности «Математика»

Системный подход к решению научных проблем в биологии и медицине

Луцкая И.К.,

доктор медицинских наук, профессор,

заведующая кафедрой терапевтической стоматологии

Белорусской медицинской академии последипломного образования, Минск

Lutskaya I.K.

Belarusian Medical Academy of Post-Graduate Education, Minsk

Systematic approach to solving scientific problems

in biology and medicine

Резюме. Освещаются основные положения общей теории систем применительно к научным исследованиям в биологии и медицине. Приводятся определения таких терминов, как иерархия, надежность, системообразующий элемент. Подробно раскрывается содержание теории функциональных систем, ее значение для развития научных направлений, в частности в области нормальной физиологии. На конкретном примере показана роль системного подхода в изучении механизмов резистентности зуба к кариесу. Ключевые слова: системный подход, функциональная система, фундаментальные положения биологии и медицины. Summary. The main positions of the general theory of systems in relation to biological and medical scientific research are discussed. There are given the definitions of such terms as hierarchy safety backbone element. There was discussed the content of the theory of functional systems and its significance for the development of scientific fields, particularly in the area of normal physiology. The role of system approach to the study of resistance mechanisms of teeth to caries is showed on the concrete example. Keywords: system approach, functional system, fundamental positions of biology and medicine.

Один из общих и вместе с тем важных подходов к исследованию живых объектов - принцип системности, который рассматривает живой организм с позиции наличия в нем взаимодействующих элементов. Основная содержательная и методологическая проблема исследования состоит в том, чтобы выявить детерминанты, приводящие к организации элементов в систему, обнаружить специфические основания, связи и отношения, особую качественность данной системы, установить закономерности ее структуры, функционирования и развития.

Разработка принципов и идей системного подхода имеет свою историю. Крупнейшие конкретно-научные, системные по содержанию теории созданы еще в середине XIX века. Открытие фундаментальных закономерностей больших систем: К.Марксом по отношению к развитию общества и Ч.Дарвином применительно к развитию живой природы -привело к важному гносеологическому сдвигу в миропонимании. Однако интенсивный характер и широкий размах разработка принципов системного подхода приобрела лишь в начале XX века. Предложены обобщающие концепции, такие как всеобщая организационная наука (тектология) А.А. Богданова, праксиология Т. Катарбиньского, общая теория систем Л. Берталанфи.

Основная идея тектологии - это признание необходимости подходить к любому явлению со стороны его организации. Весь доступный нашему восприятию мир, и особенно мир живого, является совокупностью организованных элементов. Методы тектологии, определяемые ее задачей систематизировать организационный подход к объектам исследования, возрождены в современных обобщающих науках уже в несколько иных формах.

Концепция общей теории систем была выдвинута в 30-50-х годах XX века австрийским биологом Л. фон Берталанфи. Идея состояла в том, чтобы найти общий подход к большим системам самой разной природы, будь то сложные инженерные комплексы, системы управления производством или другими крупными операциями, биологические системы вплоть до экологических сообществ. Общая теория систем как новая форма мышления выросла из более ранней концепции, впервые сформулированной Л.Берталанфи в 20-х годах. Она развила те проблемы биологии, которые не решались или неправильно решались в первой четверти XX века. Теория по своему замыслу и существу является не философским, а общебиологическим учением о целостности, системности и динамичности живого. Однако в процессе разработки этой биологической концепции

Берталанфи обнаружил, что ее основные принципы приложимы и к другим наукам.

Благодаря большой общности многих методологических принципов организми-ческой концепции оказалось возможным превратить это учение в общую теорию систем, основные положения которой стали распространяться не только на биологию, но и на другие науки, например медицину, психологию, социологию, физику, химию.

Теория функциональных систем П.К. Анохина возникла как закономерный этап развития физиологии. Она пришла на смену рефлекторной теории приспособительной деятельности организма. Как концепция она зародилась в 1932-33 гг. и была сформулирована в достаточно развитой форме уже в 1935 г. в сборнике «Проблемы центра и периферии в нервной деятельности».

Однако в первых же формулировках функциональная система как интегра-тивное образование организма включала все компоненты, характерные для нее и сейчас. Теория функциональной системы в первые же годы после ее формулирования явилась толчком к бурному развитию именно конкретной исследовательской работы, которая нашла в функциональной системе совершенно очевидный конструктивный стимул к формулировке новых задач исследования. Уже в 1937 г.

была опубликована кардинальная работа «Функциональная система как основа интеграции нервных процессов в эмбриогенезе». Фактически это было зарождением той эволюционной концепции, которая в 1945 г. была сформулирована как теория системогенеза.

С точки зрения П.К. Анохина, функциональные системы - это динамические, саморегулирующиеся организации; деятельность всех ее составных элементов способствует получению жизненно важных для организма приспособительных результатов. Центральным системообразующим фактором каждой функциональной системы является результат ее деятельности, определяющий в целом для организма нормальные условия течения метаболических процессов. В живом организме можно условно выделить четыре группы приспособительных результатов:

1. Ведущие показатели внутренней среды, определяющие нормальный метаболизм тканей.

2. Результаты поведенческой деятельности, удовлетворяющие основные биологические потребности.

3. Результаты стадной деятельности животных, удовлетворяющие потребности сообщества.

4. Результаты социальной деятельности человека, удовлетворяющие его социальные потребности, обусловленные его положением в определенной общественно экономической формации.

Поскольку в целом организме существует множество полезных приспособительных результатов, обеспечивающих различные стороны его обмена веществ, целый организм существует благодаря совокупной деятельности многих функциональных систем.

Любая функциональная система, согласно представлениям П.К. Анохина, включает следующие общие, универсальные для разных систем узловые механизмы:

1. Полезный приспособительный результат как ведущий пункт функциональной системы.

2. Рецепторы результата.

3. Обратная афферентация от рецепторов результата к центральным образованиям функциональной системы.

4. Центральная архитектура, представляющая избирательное объединение нервных элементов различного уровня.

5. Исполнительные соматические, вегетативные и эндокринные компоненты, включая организованное целенаправленное поведение.

П. К. Анохин подчеркивает, что полезный результат - подлинный системо-

образующий фактор, переводящий неупорядоченное множество компонентов в систему. Операциональная архитектоника функциональной системы придает ей конкретный научный характер. Благодаря этому создается возможность проникнуть во внутреннюю структуру любой системы с целью ее изучения и приложения к деятельности «больших систем» даже социально-экономического уровня. Таким образом, функциональная система действительно представляет универсальную модель для понимания и построения любой системы в различных классах явлений, включая организмы, машины и социально-экономические организации. Теория функциональной системы представляет конкретные возможности для системного анализа, различных классов явлений природы и общества. Наряду с этим функциональная система является связующим звеном между синтетическим и аналитическим уровнем исследований.

Разработанный П. К. Анохиным системный подход к анализу изучаемых явлений получил широкое распространение в различных областях науки. Особенно плодотворно оказалось его применение в кибернетике и бионике. Так, в корне изменилась расшифровка компенсаторного процесса при восстановлении нарушенных функций, более глубоко понят генез гипертензивных состояний вообще и, в частности, гипертонической болезни, изменилась расшифровка понятий «заболевание» и «выздоровление». Практически все формы нарушений и нормальные функции организма значительно более легко расшифровываются с точки зрения теории функциональной системы, чем при обычном подходе.

Явления действительности носят системный характер. В определении системы, как «комплекса элементов, находящихся во взаимодействии друг с другом» (Вв11а!апрИу, 1949), одновременно являющейся элементом другой, более высокой системы, заключена идея иерархического порядка систем разного уровня. Отсюда первичное описание любой конкретной системы прежде всего включает указание на тот уровень, который она занимает в общей иерархии системы мира. Берталанфи придает большое значение разработке теории открытых систем, считая, что «иерархическая организация» и «открытый» характер систем являются основными принципами живого...».

Для многоуровневых систем характерна не только иерархия, но и связь между уровнями, а также связь на одном

уровне при помощи механизмов регулирования (управления) и восприятия. Чрезмерно большая степень связи, как и нарушение каналов связи, может привести к дезинтеграции многоуровневой системы.

Системный подход заключается не просто в использовании понятий общей теории систем для известных явлений, а в постановке вопроса, основанного на понятиях теории систем. Большинство биологических явлений можно изучать на разных уровнях, что позволяет предсказать поведение систем или исправить функциональное нарушение.

Если удалось изучить явление на одном уровне, нет смысла анализировать его на других уровнях теми же методами. Анализ на любом уровне может разрешить одни проблемы, но быть бессильным перед другими. Если модель соответствует более высокому разрешающему уровню, то нужно дорабатывать ее специально по этому уровню.

Каждый уровень исследования имеет свой язык, методы, математический аппарат и т.д. Нельзя переносить понятие одного уровня на другой. Информация между уровнями влияет на развитие на каждом уровне.

Будучи общефилософским принципом, системный подход наибольшее значение имеет для исследования живых образований, потому что в них проявляется высшая степень организованности и органической целостности. Современная наука от интуитивного знания сущности биологических явлений и умозрительных представлений переходит к точным знаниям конкретных «механизмов» организации сложных биологических объектов. Таким образом, принцип системности становится популярной и руководящей идеей современного исследования. Если внимательно проанализировать успехи в развитии биологии, то становится ясным, что системный подход представляет собой методологическую основу научных исследований.

Существуют различные мнения относительно того, что представляет системный подход в биологии: от применения технических средств до поиска общебиологических законов (подобно тому, как физические законы управляют неживой материей). Анализ обширных научных исследований позволяет рассматривать применение теории систем для изучения и анализа биологических явлений (принципиальная основа и практический метод для научного объяснения физиологических механизмов).

МЕДИЦИНСКИЕ НОВОСТИ

№5^ 2013

26

Методология системного подхода в биологии слагается из следующих этапов:

1. Формализация (абстрагирование) - построение системы и определение конструктивного задания.

2. Дедукция - исследование свойств системы дедуктивными методами.

3. Интерпретация - изучение смысла найденных свойств.

Теория систем оперирует понятиями реально существующих систем: целостность, надежность, устойчивость адаптация, управление и т.д.

Системность заключается в последовательном включении механизмов и динамических систем организма; целостность - в динамическом порядке взаимодействия систем разных уровней, регулируемого единым центром; динамичность - в непрерывном течении процессов разных уровней, согласованных во времени и пространстве. Последние сохраняют организм в подвижном равновесии и одновременно преобразуют его так, что в каждую новую единицу времени он уже не тот, каким был мгновение назад. Таковы основные принципы и важнейшие части общей теории систем.

Одна из важнейших философских проблем - сохранение целостности объекта особую значимость приобретает при рассмотрении вопросов биологии и медицины. Причем основные задачи познания биологической системы - это, прежде всего, выявление наиболее существенных закономерностей самосохранения, саморазвития.

Целостность функциональной системы имеет внутреннюю обусловленность основных свойств и параметров. Биологические системы не просто реагируют на внешние воздействия, но перерабатывают информацию, используя ее для поддержания, даже повышения своей целостности. Факторы внешней среды могут быть и полезны и вредны в зависимости от их силы, направленности, длительности и точки приложения. Чрезвычайные раздражители могут приводить к «поломкам» в организме, менее активные воздействия способны оказаться повреждающими, однако нести положительный опыт. Незначительные повреждения клеток или тканей являются тренирующими для органа или организма в целом. Сложная функциональная система дорого платит за обучение, однако и жить может дольше благодаря многозвеньевым структурам

иерархии (клетки, ткани, органы, организм) и полученным ими «урокам». Естественный отбор или искусственное закаливание - не что иное как приобретенный ценой повреждений и тренировок опыт.

Способность поддерживать оптимальное состояние структуры и функции (при наличии защитных резервных возможностей сохранения гомеостаза в стрессовых ситуациях), обеспечивается одним из важнейших свойств системы -надежностью.

Надежность - такое соотношение элементов физиологического процесса, которое обеспечивает оптимальный ход с резервным запасом, возможность быстро возвращаться к исходному состоянию. Надежность системы гарантируется следующими принципами: резервные возможности (или избыточность элементов); дублирование, или взаимозамена, механизмов; быстрый возврат к исходному состоянию; динамическое взаимодействие звеньев системы.

Механизмы надежности, определяющие устойчивость развития и одновременно приспособляемость к условиям внешней среды, представляют интерес в качестве методологического подхода для оценки резистентности к повреждающим воздействиям.

Надежность механизмов защиты функциональной системы к внешним воздействиям повышается при избыточности резервирования элементов, обеспечивающих дублирование и в определенной степени дополнение друг друга. В свете приведенных данных при обсуждении результатов исследования в качестве методологического подхода используется концепция надежности как способности поддерживать оптимальное состояние структуры и функции клеток, тканей, органов. В стоматологии высокую устойчивость тканей зуба к повреждающим факторам обеспечивают особенности химического состава и структуры (высокоминерализованные кристаллы плотно упакованы в эмалевые призмы), пелликула, зубной ликвор, слюна и т.д. Именно оптимальное соотношение защитных механизмов обеспечивает резистентность зуба к механическому и микробному факторам. Избыточность одного элемента приводит к торможению другого. Например, повышение минерализованности зуба подавляет активность ликворного механизма. В эксперименте на животных раздражение электрическим током при-

водит к снижению кислотной резистено-сти эмали, а анестезия - к повышению. Нарушение иннервации не влечет «отказ» механизма защиты, а лишь снижает его эффективность. В частности, депульпи-рование зуба ослабляет механическую прочность эмали.

Резистеность зубов к кариесу обеспечивается различными путями, в том числе влиянием местных и общих факторов, а также собственными механизмами кариесрезистености. В литературе широко освещена роль слюны в формировании устойчивости эмали посредством ее минерализации, показано значение проницаемости, влияние органических образований на поверхности зуба, в том числе пелликулы. Изучены закономерности кислотной растворимости эмали в различных условиях. Использование в научных исследованиях в качестве методологического подхода теории систем и одного из важнейших ее свойств - надежности - позволяет раскрыть механизм, реализующий по-ражаемость зубов кариесом. Высокая подверженность эмали детских зубов патогенным воздействиям зависит от низкой надежности механизмов защиты: незавершенная минерализация и несовершенный функциональный компонент резистентности эмали неспособны противостоять кариесогенным факторам внешней среды.

Одно из главных достижений теории систем - ее способность объяснить и поставить на определенное место даже тот материал, который был задуман и получен исследователем без всякого системного подхода. Именно система явлений оказывается той базовой единицей реального мира, по отношению к которой становится возможным установление конкретных законов.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Анохин П.К. Принципиальные вопросы общей теории функциональных систем: в книге «Принципы системной организации функций». - М., 1973.-С.5-61.

2. Луцкая И.К. Возрастные особенности механизмов кариесрезистентности зуба к кариесу и пути управления ими: дис. ...д-ра мед. наук. - Донецк, 1989.

3. Сетров М.И. Организация биосистем. - Л., 1971. - 308 с.

4. Уотермен Т. Теория систем и биология. - М., 1971. - 210 с.

Поступила 07.02.2013 г.