Автоматизация и строение человека
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Когда специалист в области автоматического регулирования слышит, что человек — это «венец творения», он не спорит с таким утверждением. Он вкладывает в него свой собственный смысл. В самом деле, ни природа, ни техника не создали устройства, способного сравниться с человеческим организмом по обилию и разнообразию систем регулирования, их гибкости и надежности. С поразительной точностью поддерживают они температуру тела, давление крови, содержание в ней кислорода, сахара и других веществ. Особые регуляторы управляют работой глаз, другие берут на себя координацию движения рук и ног, третьи заведуют деятельностью внутренних органов. Эти системы регулирования связаны между собой сложным и не всегда понятным образом.
…Дыхание и биение сердца. В том, что эти два процесса взаимосвязаны, легко может убедиться каждый. Стоит лишь на несколько секунд задержать дыхание или, наоборот, искусственно его участить, как сердце сразу же на несколько мгновений сбивается со своего привычного ритма.
Этот ритм (он называется основным тоном) создается небольшим нервно-мышечным образованием в сердце — синусным узлом. Автоматически, без всякого вмешательства сознания, синусный узел приблизительно раз в секунду посылает в сердце импульс возбуждения (средняя частота ударов сердца человека в спокойном состоянии — семьдесят пять в минуту). Но сердце — слишком важный для нашей жизни орган, чтобы оно могло быть оставлено без контроля со стороны «верховного руководства» — мозга и нервной системы. Действительно, к нему протянуты линии управления от обеих ветвей центральной нервной системы, ведающих внутренним хозяйством организма, — симпатической и парасимпатической.
При большой физической нагрузке, при сильной радости, волнении или испуге, симпатическая ветвь по своим нервным волокнам посылает сигналы, заставляющие сердце биться чаще. Люди в таких случаях даже говорят о своем состоянии: «Сердце, кажется, готово выскочить из груди».
А парасимпатическая ветвь центральной нервной системы через блуждающий нерв посылает разряды, замедляющие работу синусного узла. Физиологи предположили, что именно по этому каналу и связывается в нашем организме дыхание с частотой биения сердца. Опыт показал, что эта мысль верна: при введении в организм человека атропина, парализующего влияние блуждающего нерва, сердце перестает «обращать внимание» на дыхание — частота его биения становится неизменной.
Ученым удалось проследить все «телефонные узлы», через которые идет своеобразный разговор легких с сердцем. Чувствительный датчик — рецептор расширения грудной клетки — непрерывно посылает сигналы в мозг. Оттуда через блуждающий нерв идет команда синусному узлу. На основной тон сердца накладываются колебания, вызванные работой легких.
Манфрёд Клайнс, много занимавшийся моделированием различных технических устройств, решил собрать электронную модель этой своеобразной биологической системы автоматического регулирования.
Но выполнить это оказалось далеко не так просто, как представлялось на первый взгляд. Колебания ритма сердца, вызванные изменением дыхания, с трудом поддавались изучению. Дело в том, что они резко отличаются от колебаний, вызванных сигналами, идущими по симпатической системе, то есть сигналами, возникающими от испуга, радости и т. п. Такие перебои ритма сердца под влиянием психики длятся довольно долго — несколько минут. А вот изменения в дыхании вызывают хоть и не менее сильные, но весьма кратковременные отклонения частоты биения сердца. Уловить их трудно, потому что уже через несколько секунд после глубокого вдоха (или выдоха) ритм сердца выравнивается.
Пришлось попутно создавать новый прибор, чутко реагирующий на мгновенные изменения ритма сердца — сверхточный полупроводниковый кардиотахометр. Тгахограмма, снятая с его помощью, дает четкую запись отрезков времени между отдельными ударами. Величины этих отрезков обратно пропорциональны частоте биения сердца: чем дольше промежуток между ударами, тем реже бьется сердце, тем меньше частота биения.
Вторую трудность можно было предвидеть заранее. Инженеру обычно приходится конструировать из хорошо известных ему элементов систему, обладающую требуемыми свойствами. В своей работе он идет от частного к общему. Его цель — синтез. Наоборот, метод работы биолога — от общего к частному. Он должен выяснить, что представляют собой элементы системы, свойства которой он знает, иными словами, подвергнуть систему анализу. Поэтому задача, которая возникла перед Клайнсом биологом, оказалась противоположной той, что приходилось решать Клайнсу инженеру.
Сравнительно просто удалось составить модель синусного узла. Значительно сложнее оказалось смоделировать зависимость между дыханием и тормозящим действием блуждающего нерва. Это было трудно сделать, в частности, и потому, что существует много различных форм дыхания: частое, спокойное, прерывистое, глубокое.
Клайнс решил начать работу с исследования самого элементарного акта дыхания — одиночного вдоха. Для этого он записал электрокардиограмму при глубоком вдохе с последующей задержкой дыхания.
В течение первых трех ударов биение сердца заметно ускорено. Затем следует большая пауза, после которой сердце постепенно учащает свои сокращения и к 10—15-му удару входит в обычный ритм. Не сразу, но все же удалось добиться, чтобы настроенное на машине электронное сердце билось точно так же.
Следующим шагом было изучение второго элементарного акта дыхания — выдоха. По логике вещей в этом случае все должно было бы происходить наоборот: ведь выдох есть действие, обратное вдоху. Значит, в уравнениях, описывающих процесс дыхания, вместо знака «плюс» просто следовало поставить знак «минус». На самом деле оказалось, что при выдохе и вдохе сердце работает почти одинаково.
Это было неожиданно, но Клайнс сумел создать «электронное сердце», которое на растяжение грудной клетки отвечало так же, как на сжатие. А как убедиться в том, что электронная модель и в остальном ведет себя подобно живому сердцу? Сама методика эксперимента была порукой тому, что ученые не ошиблись. Исследовалось живое сердце. Снималась кардиограмма. Одновременно с помощью резиновой трубки, наполненной графитовым порошком, регистрировалось дыхание человека. В виде электрических сигналов оно вводилось в устройство, где была набрана модель сердца, точнее только той его части, по которой передается воздействие дыхания на сердцебиение. Сигналы, поступающие с выхода этого моделирующего устройства,— готовая электрокардиограмма «электронного сердца», и ее можно сравнить с такой же кардиограммой живого человеческого сердца.
Впрочем, проще и точнее такое сравнение провести на кривых изменения скорости ударов сердца — тахограммах. Поэтому обе кардиограммы обрабатываются кардиотахометрами и уже с них поступают на записывающие устройства. Клайнс составил получасовую испытательную программу, которая включала в себя самые разнообразные комбинаций вдохов и выдохов — по глубине, по длительности пауз. Когда испытуемый «продышал» по этой программе и сравнили полученные тахокардиограммы «машинного» и живого сердец, оказалось, что они почти полностью совпадают.
Таким образом, на машине была реализована зависимость между расширением грудной клетки (дыханием) и интенсивностью торможения сердечного синусного узла (частотой биения сердца). Эту зависимость можно было записать математически. В таком виде она была названа «передаточной функцией от дыхания к частоте биения сердца». Такая функция позволяет предсказать, как поведет себя звено автоматического регулирования (а именно в виде такого звена и смоделировал сердце Манфред Клайнс) при любом внешнем воздействии, оказанном на него.
Значение исследований Клайнса для физиологии и медицины очевидно. Но существенно и другое. Оказалось, что биология, позаимствовав у техники ее метод исследования, очень скоро вернула долг. Полученная Клайнсом биологическая передаточная функция была, например, недавно использована конструкторами авиационных приборов при создании нового автопилота.
Еще одна разработка передана из лаборатории природы в лабораторию промышленности. Клайнс не остановился на решении этой интересной, но частной задачи. В ходе дальнейших исследований ему удалось найти, как он полагает, общий закон биологических систем — по всей вероятности, первый закон биологии, открытый с помощью вычислительной машины. Клайнс назвал его «законом однонаправленной чувствительности». Суть этого закона заключается в том, что в биологических системах в отличие от обычных технических систем регулирования каждый канал чувствителен к скорости изменения сигнала только в одну сторону — на убывание или на возрастание. Зрачок глаза, например, улавливает только темп увеличения яркости, но не улавливает темпа ее снижения.
Из закона однонаправленной чувствительности следует несколько важных выводов. В частности, в биологических системах для передачи скорости информации в обе стороны нужно иметь два канала. Если же канал передачи информации один, то, во-первых, невозможно остановить реакцию после того, как был дан начальный импульс, и, во-вторых, реакция на положительный и отрицательный импульсы одинакова, а не противоположна. Отсюда становится понятным, почему сердце одинаково реагирует на вдох и выдох.
…Когда специалист в области автоматического управления слышит, что человек — это «венец творения», он не спорит с таким утверждением. Он вкладывает в него свой смысл. И в самом деле, что может быть выше, чем познать себя и силою ума и умением рук создать модель, повторяющую ее конструктора? Моделирование работы сердца — еще один шаг на пути к этому.
Авторы: К. Левитин, А. Меламед.