Фундаментальный принцип, управляющий всеми жизненными процессами

Возможно, главным и основным механизмом управления, причем, удивительно простым, без которого жизнь не могла бы существовать ни в какой форме, является петля отрицательной обратной связи, которую можно описать либо как управляющий принцип, либо как регулирующий процесс.

Отрицательная обратная связь возникает, когда некоторая функция или продукт, являющиеся результатом системы, процесса или механизма, возвращается в ту же систему, но таким образом, что уменьшает выходные данные, генерируемые системой в ответ на внешнее воздействие или возмущение системы внешним агентом. Другими словами, отрицательную обратную связь можно рассматривать, как запланированное корректирующее поведение любой системы, которое возвращает ее к исходному состоянию всякий раз, когда она отклоняется от базового уровня. Это также важно для целенаправленного поведения, поскольку механизмы отрицательной обратной связи позволяют осуществлять корректирующее поведение, если совершается деятельность, которая не соответствует намеченной цели этого самого поведения. Вот вам хороший пример, описывающий, как работает негативная обратная связь: когда кто-то планирует выйти из дома, он заранее решает, какую одежду он наденет. Делает он это, поглядев на улицу и проверив, холодно там или тепло, либо по визуальным подсказкам, которые он улавливает, глядя в окно, или проверяя прогноз погоды. То, надел ли человек слишком много или слишком мало одежды, станет очевидным только тогда, когда он выйдет на улицу и температурные рецепторы его кожи подвергнутся воздействию внешнего воздуха. Это запустит регуляцию по принципу обратной связи – либо снять одежду, либо надеть побольше, либо вообще вернуться внутрь, если температура отличается от спрогнозированной, и на улице либо слишком холодно, либо слишком жарко. Эти различные корректирующие реакции на раздражитель приводят к тому, что человек поддерживает правильную температуру тела, позволяющую ему выжить, независимо от того, какие факторы действуют на него снаружи. Подобное регулирование температуры путем добавления или снятия одежды является хорошим примером того, как в организме человека действует механизм управления с помощью петли отрицательной обратной связи.

Согласно этому примеру, для работы системы управления с отрицательной обратной связью требуется три компонента. Первым компонентом является наличие сенсорного аппарата, который может обнаруживать либо изменения в любом контролируемом веществе или процессе, либо улавливает изменения во внутренней среде или других системах, которые взаимодействуют или влияют на контролируемое вещество или процесс. Вторым компонентом будет структура или процесс управления, который будет отправлять информацию от сенсорного аппарата, хранить информацию о базовых уровнях системы, которые необходимо поддерживать, чтобы обеспечить дальнейшее успешное функционирование системы (организма), и будет принимать решения на основе сравнения обнаруженных изменений с этими базовыми "заданными" значениями и "решить", вносить ли изменения в результате полученной информации или поддерживать текущий уровень активности системы, если решит, что обнаруженные изменения не способны нанести вред системе (организму). Третьим компонентом будет исполнительный механизм или процесс, который будет осуществлять или вносить изменения в систему, на основании "сигналов" от структур управления, принимающими решения. Эти базовые компоненты петли отрицательной обратной связи присутствуют во всех жизненных процессах и структурах и имеют фундаментальное значение для жизни. Если бы их не было, потенциально вредная деятельность продолжалась бы или ускорялась до тех пор, пока система (организм) не стала бы перегружена до точки повреждения и, в конечном итоге, разрушения.

Пример – раковые клетки, в которых, по какой-то неизвестной причине нормальные механизмы тормозной обратной связи, регулирующие деление клеток, "ломаются", а нормальные структуры организма перегружаются агрессивно делящимися клетками, которые невозможно "выключить" процессами отрицательной обратной связи.

Петли отрицательной обратной связи не просто обнаруживаются и контролируют человеческое тело, но возникают и регулируют все структуры и системы, которые мы используем в повседневной жизни, например, такие как двигатели, самолеты, кондиционеры, усилители динамиков. Все наши действия, такие как поворот руля лодки при виде преграды, отведение ребенка от горячего чайника или изменение поведения или своего окружения после неоптимального социального взаимодействия, являются примерами механизмов управления с отрицательной обратной связью. Философы предполагают, что способность к отрицательной обратной связи является важным фактором, необходимым для определения того, является ли система, процесс или структура "живой" – хотя эти дебаты часто носят теоретический, а не прагматический характер.

Диабет и регуляция уровня сахара в крови являются классическим примером отрицательной обратной связи и того, насколько эта связь важна для выживания.

У здоровых людей после еды концентрация сахара в крови начинает увеличиваться, и это фиксируется "датчиками" уровня сахара в различных частях тела. Эти датчики быстро посылают сигналы в центры регуляторного контроля в мозге и теле, которые затем дают команду поджелудочной железе вырабатывать гормон инсулин, который быстро преобразует сахар в крови в другие формы запасенной энергии в различных клетках тела (например, в жировых клетках) и при этом уровень сахара в крови поддерживается в пределах довольно жестких "разрешенных" границ. При диабете же, после приема пищи по ряду причин поджелудочная железа не реагирует должным образом или не может этого сделать по разным причинам, при некоторых типах диабета инсулин вообще не секретируется, а при других – сколько бы инсулина ни секретировалось, клетки на него не реагируют. Таким образом, механизм отрицательной обратной связи начинает давать сбой, и это приводит к тому, что уровень сахара в крови поднимается выше или ниже обычно "приемлемых" границ, допустимых организмом, и этот повышенный уровень сахара в крови может вызвать прямое повреждение тканей и клеток в организме, особенно если он остается высоким в течение слишком длительного периода времени.

Интересно, что когда быстродействующая петля обратной связи, контролирующая уровень сахара в крови, начинает давать сбой, как это происходит при диабете, запускается ряд более длинных и сложных петель отрицательной обратной связи, некоторые из которых включают в себя секрецию других гормонов, которые обычно не используются в той степени, в которой они используются при диабете. Это попытка центра регуляторного контроля организма вернуть уровень сахара в крови до допустимого уровня. Могут возникать и другие петли обратной связи, смысл которых заключается в поведенческом ответе на симптомы, вызванные слишком высоким уровнем сахара в крови, такие как повышенная утомляемость, потеря веса и ускоренное прохождение мочи. Это могут быть, например, уменьшение потребления пищи с высоким содержанием сахара, увеличение физической активности или посещение врача и прием таблеток и лекарств для противодействия эффекту "неработающего инсулина". Все эти изменения сами по себе являются примерами более длительных механизмов регулирования с отрицательной обратной связью, которые включаются в работу, когда основная петля отрицательной обратной связи выходит из строя. Все эти действия направлены на восстановление уровня сахара в крови до наиболее оптимального уровня, чтобы обеспечить максимальное и оптимальное продолжение жизни, причем как можно дольше, даже в нарушенном состоянии с точки зрения регуляции системы, при диабете.

Принцип отрицательной обратной связи всегда был и останется неприкосновенным общим механизмом, с помощью которого контролируется вся метаболическая активность организма.

Вся деятельность, которую человек совершает на протяжении своей повседневной жизни связана с каким-то конкретным циклом петли отрицательной обратной связи – будь то добывание еды для поддержания запасов "топлива", регулярные тренировки для поддержания здоровья, встречи с друзьями для поддержания социального благополучия, ежедневный поход на работу, для получения достаточных средств для обеспечения своих основных потребностей. Все, что мы делаем, связано с петлями отрицательной обратной связи, позволяющими обеспечить постоянное выживание и будущее благополучие.