Автоматизація та будова людини
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Коли фахівець в області автоматичного регулювання чує, що людина – це «вінець творіння», він не сперечається з таким твердженням. Він вкладає в нього свій власний сенс. Справді, ні природа, ні техніка не створили пристрою, здатного зрівнятися з людським організмом по достатку і розмаїтості систем регулювання, їх гнучкості та надійності. З вражаючою точністю підтримують вони температуру тіла, тиск крові, вміст у ній кисню, цукру та інших речовин. Особливі регулятори керують роботою очей, інші беруть на себе координацію руху рук і ніг, треті завідують діяльністю внутрішніх органів. Ці системи регулювання пов’язані між собою складним і не завжди зрозумілим чином.
… Дихання і биття серця. У тому, що ці два процеси взаємопов’язані, легко може переконатися кожен. Варто лише на декілька секунд затримати дихання або, навпаки, штучно його участити, як серце відразу ж на кілька митей збивається зі свого звичного ритму.
Цей ритм (він називається основним тоном) створюється невеликим нервово-м’язовим утворенням в серці – синусним вузлом. Автоматично, без жодного втручання свідомості, синусний вузол приблизно раз на секунду посилає в серце імпульс збудження (середня частота ударів серця людини в спокійному стані – сімдесят п’ять у хвилину). Але серце – занадто важливий для нашого життя орган, щоб воно могло бути залишено без контролю з боку «верховного керівництва» – мозку і нервової системи. Дійсно, до нього протягнуті лінії управління від обох гілок центральної нервової системи, що відають внутрішнім господарством організму, – симпатичної і парасимпатичної.
При великому фізичному навантаженні, при сильній радості, хвилюванні або переляку, симпатична гілка по своїх нервових волокнах посилає сигнали, що примушують серце битися частіше. Люди в таких випадках навіть говорять про свій стан: «Серце, здається, готове вискочити з грудей».
А парасимпатична галузь центральної нервової системи через блукаючий нерв посилає розряди, що уповільнюють роботу синусового вузла. Фізіологи припустили, що саме з цього каналу і зв’язується в нашому організмі дихання з частотою биття серця. Дослід показав, що ця думка правильна: при введенні в організм людини атропіну, паралізуючого вплив блукаючого нерва, серце перестає «звертати увагу» на дихання – частота його биття стає незмінною.
Вченим вдалося простежити всі «телефонні вузли», через які йде своєрідна розмова легень з серцем. Чутливий датчик – рецептор розширення грудної клітки – безперервно посилає сигнали в мозок. Звідти через блукаючий нерв йде команда синусному вузлу. На основний тон серця накладаються коливання, викликані роботою легенів.
Манфрёд Клайнс, який багато займався моделюванням різних технічних пристроїв, вирішив зібрати електронну модель цієї своєрідної біологічної системи автоматичного регулювання.
Але виконати це виявилося далеко не так просто, як уявлялося на перший погляд. Коливання ритму серця, викликані зміною дихання, з працею піддавалися вивченню. Справа в тому, що вони різко відрізняються від коливань, викликаних сигналами, що йдуть по симпатичній системі, тобто сигналами, виникаючими від переляку, радості і т. п. Такі перебої ритму серця під впливом психіки тривають досить довго – декілька хвилин. А ось зміни в диханні викликають хоч і не менш сильні, але вельми короткочасні відхилення частоти биття серця. Вловити їх важко, бо вже через кілька секунд після глибокого вдиху (або видиху) ритм серця вирівнюється.
Довелося попутно створювати новий прилад, який чуйно реагує на миттєві зміни ритму серця – надточний напівпровідниковий кардіотахометр. Тгахограма, знята з його допомогою, дає чіткий запис відрізків часу між окремими ударами. Величини цих відрізків обернено пропорційні частоті биття серця: чим довше проміжок між ударами, тим рідше б’ється серце, тим менше частота биття.
Другу складність можна було передбачити заздалегідь. Інженеру зазвичай доводиться конструювати з добре відомих йому елементів систему, що володіє необхідними властивостями. У своїй роботі він йде від часткового до загального. Його мета – синтез. Навпаки, метод роботи біолога – від загального до конкретного. Він повинен з’ясувати, що являють собою елементи системи, властивості якої він знає, іншими словами, піддати систему аналізу. Тому завдання, яка виникло перед Клайнсом біологом, виявилося протилежним тому, що доводилося вирішувати Клайнсу інженеру.
Порівняно просто вдалося скласти модель синусового вузла. Значно складніше виявилося змоделювати залежність між диханням і гальмуючою дією блукаючого нерва. Це було важко зробити, зокрема, й тому, що існує багато різних форм дихання: часте, спокійне, переривчасте, глибоке.
Клайнс вирішив почати роботу з дослідження самого елементарного акту дихання – одиночного вдиху. Для цього він записав електрокардіограму при глибокому вдиху з наступною затримкою дихання.
Протягом перших трьох ударів биття серця помітно прискорено. Потім слідує велика пауза, після якої серце поступово робить частішим свої скорочення і до 10-15-го удара входить у звичайний ритм. Не відразу, але все ж таки вдалося домогтися, щоб налаштоване на машині електронне серце билося так само.
Наступним кроком було вивчення другого елементарного акту дихання – видиху. За логікою речей в цьому випадку все мало б відбуватися навпаки: адже видих є дія, зворотна вдиху. Значить, в рівняннях, що описують процес дихання, замість знака «плюс» просто слід було поставити знак «мінус». Насправді виявилося, що при видиху і вдиху серце працює майже однаково.
Це було несподівано, але Клайнс зумів створити «електронне серце», яке на розтяг грудної клітки відповідало так само, як на стиск. А як переконатися в тому, що електронна модель і в іншому веде себе подібно живому серцю? Сама методика експерименту була запорукою того, що вчені не помилилися. Досліджувалося живе серце. Знімалася кардіограма. Одночасно за допомогою гумової трубки, наповненої графітовим порошком, реєструвалося дихання людини. У вигляді електричних сигналів воно вводилося в пристрій, де була набрана модель серця, точніше тільки тієї його частини, по якій передається вплив дихання на серцебиття. Сигнали, що надходять з виходу цього моделюючого пристрою, – готова електрокардіограма «електронного серця», і її можна порівняти з такою ж кардіограмою живого людського серця.
Втім, простіше і точніше таке порівняння провести на кривих зміни швидкості ударів серця – тахограми. Тому обидві кардіограми обробляються кардіотахометрами і вже з них надходять на записуючі пристрої. Клайнс склав півгодинну випробувальну програму, яка включала в себе найрізноманітніші комбінацій вдихів і видихів – по глибині, по тривалості пауз. Коли випробуваний «продихав» за цією програмою і порівняли отримані тахокардіограми «машинного» і живого сердець, виявилося, що вони майже повністю збігаються.
Таким чином, на машині була реалізована залежність між розширенням грудної клітини (диханням) і інтенсивністю гальмування серцевого синусового вузла (частотою биття серця). Цю залежність можна було записати математично. У такому вигляді вона була названа «передавальною функцією від дихання до частоти биття серця». Така функція дозволяє передбачити, як поведе себе ланка автоматичного регулювання (а саме у вигляді такої ланки і змоделював серце Манфред Клайнс) при будь-якому зовнішньому впливу.
Значення досліджень Клайнса для фізіології і медицини очевидно. Але істотно й інше. Виявилося, що біологія, запозичивши у техніки її метод дослідження, дуже скоро повернула борг. Отримана Клайнсом біологічна передавальна функція була, наприклад, нещодавно використана конструкторами авіаційних приладів при створенні нового автопілота.
Ще одна розробка передана з лабораторії природи в лабораторію промисловості. Клайнс не зупинився на вирішенні цього цікавого, але приватного завдання. У ході подальших досліджень йому вдалося знайти, як він вважає, загальний закон біологічних систем – цілком ймовірно, перший закон біології, відкритий за допомогою обчислювальної машини. Клайнс назвав його «законом односпрямованої чутливості». Суть цього закону полягає в тому, що в біологічних системах на відміну від звичайних технічних систем регулювання кожен канал чутливий до швидкості зміни сигналу тільки в одну сторону – на спадання або на зростання. Зіниця ока, наприклад, вловлює тільки темп збільшення яскравості, але не вловлює темпу його зниження.
Із закону односпрямованої чутливості слідує кілька важливих висновків. Зокрема, в біологічних системах для передавання швидкості інформації в обидві сторони потрібно мати два канали. Якщо ж канал передачі інформації один, то, по-перше, неможливо зупинити реакцію після того, як був даний початковий імпульс, і, по-друге, реакція на позитивний і негативний імпульси однакова, а не протилежна. Звідси стає зрозумілим, чому серце однаково реагує на вдих і видих.
…Коли фахівець в області автоматичного управління чує, що людина – це «вінець творіння», він не сперечається з таким твердженням. Він вкладає в нього свій зміст. І справді, що може бути вище, ніж пізнати себе і силою розуму і вмінням рук створити модель, що повторює її конструктора? Моделювання роботи серця – ще один крок на шляху до цього.
Автори: К. Левітін, А. Меламед.