Структурно-функциональный и системный подходы к изучению организма
Научная физиология родилась в один день с анатомией — это произошло в середине XVII в., когда великий английский врач Уильям Гарвей получил разрешение церкви и короля и произвел первое после тысячелетнего перерыва вскрытие трупа приговоренного к смерти преступника с целью научного изучения внутреннего строения тела человека. Разумеется, еще древнеегипетские жрецы, бальзамируя тела своих фараонов, прекрасно знали устройство человеческого тела изнутри — но это знание не было научным, оно было эмпирическим, и к тому же — тайным: разглашение любых сведений об этом считалось святотатством и каралось смертью. Великий Аристотель, учитель и наставник Александра Македонского, живший за 3 столетия до нашей эры, очень смутно представлял себе, как устроен организм и как он работает, хотя был энциклопедически образован и знал, кажется, все, что к тому времени накопила европейская цивилизация. Более осведомленными были древнеримские врачи — ученики и последователи Галена (II век н.э.), которые заложили начала описательной анатомии. Огромную славу снискали себе средневековые арабские врачи, но даже величайший из них — Али Абу ибн Сина (в европейской транскрипции — Авиценна, XI в.) — лечил скорее человеческий дух, нежели тело. И вот У. Гарвей при стечении огромного количества народа проводит первое в истории европейской науки исследование устройства тела человека. Но Гарвея более всего интересовало, КАК РАБОТАЕТ организм. С древнейших времен люди знали, что в груди каждого из нас бьется сердце. Врачи во все времена измеряли пульс и по его динамике оценивали состояние здоровья и перспективы борьбы с разнообразными болезнями. До сих пор одним из важнейших приемов диагностики в знаменитой и таинственной тибетской медицине служит длительное непрерывное наблюдение за пульсом больного: врач сидит у его постели и держит руку на пульсе часами, а потом называет диагноз и предписывает лечение. Всем было хорошо известно: остановилось сердце — прекратилась жизнь. Однако традиционная в тот период Галеновская школа не связывала движение крови по сосудам с деятельностью сердца.
Но перед глазами Гарвея — сердце с трубочками-сосудами, наполненными кровью. И Гарвей понимает: сердце — всего лишь мышечный мешок, выполняющий роль насоса, который качает кровь по всему телу, потому что по всему телу разбегаются сосуды, которые становятся все более многочисленными и все более тонкими по мере удаления от насоса. По таким же сосудам кровь возвращается к сердцу, совершая полный оборот и непрерывно притекая ко всем органам, к каждой клеточке, неся с собой питательные вещества. Еще ничего не известно о роли кислорода, не открыт гемоглобин, никак не умеют врачи различать белки, жиры и углеводы — вообще знания химии и физики еще крайне примитивны. Но уже начали развиваться разнообразные технологии, инженерная мысль человечества изобрела множество приспособлений, облегчающих производство или создающих совершенно новые, небывалые раньше технические возможности. Современникам Гарвея становится ясно: в организме работают определенные механизмы, структурную основу которых составляют отдельные органы, причем каждый орган предназначен для выполнения той или иной конкретной функции. Сердце — это насос, качающий кровь по «жилам», точно так же, как те насосы, которые подают воду из равнинных озер в усадьбу на пригорке и питают радующие глаз фонтаны. Легкие — меха, через которые прокачивается воздух, как это делают подмастерья в кузнице, чтобы сильнее раскалить железо и его было легче ковать. Мышцы — канаты, прикрепленные к костям, и их напряжение заставляет эти кости перемещаться, что и обеспечивает движение всего тела, — точно так же, как строители с помощью талей поднимают огромные камни на верхние этажи строящегося храма.
Человеку свойственно всегда сопоставлять новые открытые им явления с уже известными, вошедшими в обиход. Человек всегда строит аналогии, для того чтобы легче понять, объяснить самому себе суть происходящего. Высокий уровень развития механики в эпоху, когда Гарвей проводил свои исследования, неминуемо привел к механической интерпретации многочисленных открытий, сделанных врачами — последователями Гарвея. Так родилась структурно-функциональная физиология с ее лозунгом: один орган — одна функция.
Однако по мере накопления знаний — а это в значительной мере зависело от развития физических и химических наук, поскольку именно они поставляют основные способы для проведения научных исследований в физиологии, — стало ясно, что многие органы выполняют не одну, а несколько функций. Скажем, легкие — не только обеспечивают обмен газами между кровью и окружающей средой, но также участвуют в регуляции температуры тела. Кожа, выполняя в первую очередь функцию защиты, одновременно является и органом терморегуляции и органом выделения. Мышцы способны не только приводить в действие скелетные рычаги, но и за счет своих сокращений согревать притекающую к ним кровь, поддерживая температурный гомеостаз. Примеры такого рода можно приводить без конца. Полифункциональность органов и физиологических систем стала особенно явственной в конце XIX — начале XX в. Любопытно, что в это же время в технике появилось множество разнообразных «универсальных» машин и инструментов, обладающих широким спектром возможностей — порой, в ущерб простоте и надежности. Это — иллюстрация того факта, что техническая мысль человечества и уровень научного понимания организации процессов в живой природе развиваются в теснейшем взаимодействии между собой.
К середине 30-х годов XX в. стало ясно, что даже концепция полифункциональности органов и систем уже не способна объяснить согласованность функций организма в процессе адаптации к изменяющимся условиям или в динамике возрастного развития. Стало складываться новое понимание смысла процессов, происходящих в живом организме, из которого постепенно сформировался системный подход к исследованию физиологических процессов. У истоков этого направления физиологической мысли стояли выдающиеся российские ученые — А.А. Ухтомский, Н.А. Бернштейн и П.К. Анохин.
Наиболее принципиальное различие структурно-функционального и системного подходов состоит в понимании того, что является физиологической функцией. Для структурно-функционального подхода характерно понимание физиологической функции как некоего процесса, осуществляемого определенным (конкретным) набором органов и тканей, меняющим по ходу функционирования свою активность в соответствии с влиянием управляющих структур. В такой интерпретации физиологические механизмы — это те физические и химические процессы, которые лежат в основе физиологической функции и обеспечивают надежность ее выполнения. Физиологический процесс — вот тот объект, который находится в Центре внимания структурно-функционального подхода.
Системный подход базируется на представлении о целесообразности, т.е. под функцией в рамках системного подхода понимают процесс достижения некой цели, результата. На различных этапах этого процесса потребность в вовлечении тех или иных структур может весьма существенно меняться, поэтому констелляция (состав и характер взаимодействия элементов) функциональной системы очень подвижна и соответствует той частной задаче, которая решается в текущий момент. Наличие цели предполагает, что существует некоторая модель состояния системы до и после достижения этой цели, программа действия, а также существует механизм обратной связи, позволяющий системе контролировать свое текущее состояние (промежуточный результат) по сравнению с моделируемым и на этом основании вносить коррективы в программу действия ради достижения конечного результата.
С позиций структурно-функционального подхода окружающая среда выступает как источник стимулов для тех или иных физиологических реакций. Возник стимул — в ответ возникла реакция, которая либо угасает по мере привыкания к стимулу, либо прекращается тогда, когда перестает действовать стимул. В этом смысле структурно-функциональный подход рассматривает организм как закрытую систему, имеющую лишь определенные каналы обмена информацией с окружающей средой.
Системный подход рассматривает организм как открытую систему, целевая функция которой может быть помещена как внутри, так и вне ее. В соответствии с этим взглядом организм реагирует на воздействия внешнего мира как единое целое, перестраивая стратегию и тактику этого реагирования в зависимости от достигаемых результатов каждый раз таким образом, чтобы либо быстрее, либо надежнее достичь модельных целевых результатов. С этой точки зрения реакция на внешний раздражитель угасает тогда, когда сформированная под его воздействием целевая функция оказывается реализованной. Стимул может продолжать действовать либо, напротив, — может прекратить свое действие еще задолго до завершения функциональных перестроек, но раз начавшись, эти перестройки должны пройти весь запрограммированный путь, и реакция закончится только тогда, когда механизмы обратной связи принесут информацию о полной сбалансированности организма со средой на новом уровне функциональной активности. Простой и наглядной иллюстрацией этого положения может служить реакция на любую физическую нагрузку: для ее выполнения активируются мышечные сокращения, что вызывает необходимость соответствующей активации кровообращения и дыхания, и даже когда нагрузка уже завершена — физиологические функции все еще довольно длительное время сохраняют свою повышенную активность, поскольку они обеспечивают выравнивание метаболических состояний и нормализацию гомеостазируемых параметров. Функциональная система, обеспечивающая выполнение физического упражнения, включает в себя не только мышцы и нервные структуры, отдающие мышцам приказ сокращаться, но также и кровеносную систему, дыхательную систему, эндокринные железы и множество других тканей и органов, вовлеченных в этот процесс, связанный с серьезными изменениями внутренней среды организма.
Структурно-функциональный взгляд на сущность физиологических процессов отражал детерминистский, механистически-материалистический подход, который был характерен для всех естественных наук XIX и начала XX в. Вершиной его развития, вероятно, можно считать теорию условных рефлексов И. П. Павлова, с помощью которых великий русский физиолог пытался познать механизмы деятельности мозга теми же приемами, которыми он с успехом исследовал механизмы желудочной секреции.
Системный подход стоит на стохастических, вероятностных позициях и не отвергает телеологических (целесообразностных) подходов, характерных для развития физики и других естественных наук второй половины XX в. Уже говорилось выше, что физиологи одновременно с математиками именно в рамках этого подхода пришли к формулированию наиболее общих кибернетических закономерностей, которым подчиняется все живое. Столь же важны для понимания физиологических процессов на современном уровне представления о термодинамике открытых систем, развитие которых связано с именами выдающихся физиков XX в. Ильи Пригожина, фон Берталанфи и др.