CARACTERIZAREA SISTEMULUI ANIMAL

Caracterizarea sistemului animal

Definirea notiunii de sistem

Un organism care functioneaza ca un intreg este un sistem, indiferent ca el este unicelular sau pluricelular.

Ce este de fapt un sistem? In sens larg, denumirea de sistem poate fi atribuita oricarei colectii de obiecte sau de fenomene, cu conditia ca intre acestea sa existe anumite relatii de interdependenta neintamplatoare.

Teoria generala a sistemelor, elaborata de Bertalanffy (1942), abordeaza tocmai principiile si legile caracteristice tuturor sistemelor.

Notiunea de sistem este acea notiune cu care reusim sa delimitam campul in cadrul caruia se desfasoara procesele de conducere. Orice obiect sau fenomen este un sistem, daca poate fi separat riguros si univoc de celelalte obiecte si fenomene.

Avand in vedere aceasta conditie, prin sistem se intelege, in sens strict, o multime de elemente aflate intr-o interdependenta, care alcatuiesc un intreg organizat, net delimitat de mediul inconjurator.

Elementele unui sistem se comporta ca subsisteme si se supun unei organizari ierarhice. Concretizand, celula este un sistem, iar organismul pluricelular este un metasistem, adica un "sistem de sisteme".

Abordarea experimentala a unui sistem se poate face in doua moduri: (a) prin metoda cutiei negre, adica se analizeaza raportul dintre iesire si intrare in sistem, ignorandu-se procesele din interiorul acestuia, si (b) prin metoda analizei angrenajului mecanismelor interpuse intre intrare si iesire in sistem. Ambele modalitati sunt utilizate in fiziologie. Spre exemplu, in primul caz, in studiul comportamentului reflex conditionat, iar in cel de al doilea in determinarea metabolismului bazal.

Parametrii sistemului

Un sistem poate fi descris de formula

S =

unde X reprezinta multimea intrarilor, Y multimea iesirilor, S_t multimea starilor, iar A multimea operatiilor sau a transformarilor pe care sistemul le efectueaza asupra intrarilor, pentru a le transforma in iesiri.

Prin urmare, un sistem este in legatura cu alte sisteme - ce reprezinta mediul sau inconjurator - prin intrari sau imput (X) si iesiri sau output (Y).

Fiziologic, intrarea este excitatia, acea parte a sistemului care receptioneaza actiunea factorilor din afara lui (numiti: stimuli, excitanti, cauze etc.), iar iesirea este raspunsul (numit si efect, reactie etc.), adica partea prin care sistemul actioneaza asupra altor sisteme (fig. nr. ). Sub acest aspect, organismele vii, inclusiv cele animale, sunt sisteme deschise, adica sisteme care realizeaza schimburi reciproce de materie si energie cu exteriorul.

Fig. nr. - Schema elementara a unui sistem

Un sistem poate avea una sau mai multe intrari sau iesiri. El mai este caracterizat printr-o serie de parametrii: stare, transformare, structura, ordine, organizare, functie, functionare si reglare.

Starea sistemului. Procesele ce se interpun intre intrare si iesire - in general de natura metabolica - reprezinta starea sistemului.

Un sistem poate fi definit de ecuatiile sale de stare

S_t+1 = f(S_t . X_t)

Y_t = g(S_t . X_t)

Din aceste ecuatii, rezulta trei aspecte esentiale pentru sisteme, si indeosebi pentru sistemele biologice. Primul, ca starea S din momentul t + 1 este functie de influenta pe care intrarea X a avut-o asupra starii S din momentul t, iar iesirea Y, de care depinde comportamentul sistemului, este functie de influenta pe care starea S_t a avut-o asupra intrarii X_t. Al doilea, ca la un moment t exista valori pentru X_t, Y_t, si S, dar ca in evolutia sistemului se pot descrie mai multe stari succesive. Al treilea, ca orice sistem trebuie sa aiba o anumita stare sau o succesiune de stari, caracteristice comportarii sistemului respectiv.

Starea exprima evolutia anterioara a sistemului si determina, cel putin intr-o oarecare masura, evolutia viitoare a acestuia. Totodata, starea reprezinta valorile parametrilor fundamentali ai sistemului intr-un anumit moment. Ea poate fi exprimata de ecuatia diferentiala de stare:

S = A_s + B_x

unde S reprezinta starea, A matricea coeficientilor, iar B matricea comenzilor sau transformarilor, care se pot aplica intrarilor. Aceste valori pot fi masurate, dar pentru a putea caracteriza cat mai bine profilul de stare al unui sistem sunt necesare cat mai multe valori fundamentale care sa fie corelate cu valorile de definitie.

Trecerea dintr-o stare in alta se face prin intermediul unor transformari, transformarea fiind rezultatul unor actiuni executate asupra parametrilor sistemului de catre factorii perturbatori, intre care factorii patogeni joaca un rol deosebit.

In privinta starii, se disting doua tipuri de sisteme importante pe plan fiziologic: "steady state" - sisteme de invarianta (fara parametrul t) si sisteme in echilibru - in care intrarile sunt egale cu iesirile. Echilibrul nu este insa perfect, apar mici devieri compensate, adica o stare de "echilibru dinamic".

Structura sistemului. Reprezinta ordinea relativ stabila a conexiunilor interne dintre elementele unui sistem, de care depinde modul de comportare al sistemului respectiv. Ele dau capacitatea de transformare a sistemului. Cu toata variabilitatea intrarilor, iesirilor si starilor, sistemul are unele caracteristici invariabile, care determina structura lui. O asemenea caracteristica invariabila pentru o anumita perioada de timp o reprezinta, spre exemplu, homeostazia organismului animal, mai ales la vertebratele superioare. Explicarea structurii nu se poate face in afara notiunilor de "ordine" si de "organizare".

Ordinea sistemului. Notiunea de ordine este indisolubil legata de notiunea de "entropie", care este tocmai masura dezordinii unui sistem. Deci, legatura dintre ordine si entropie este invers proportionala. Cu cat sistemul este mai ordonat, cu atat entropia lui este mai mica. Conform principiului al doilea al termodinamicii, orice sistem pierde o anumita cantitate de energie (libera), care ar fi putut pastra ordinea sistemului. Din aceasta cauza, fenomenele evolueaza de la starea cea mai putin probabila, de ordine si organizare, la starea cea mai probabila, de dezordine si dezorganizare. Pentru a se opune acestei tendinte spontane, sistemele cibernetice trebuie sa desfasoare o multitudine de procese de reglare si autoreglare.

Sistemele biologice sunt sisteme deschise, adica sisteme care dispun de o serie intreaga de mecanisme de reglare si de autoreglare cu ajutorul carora reusesc nu numai sa-si mentina ordinea, ci chiar sa o creasca, in pofida tendintelor entropice ale mediului inconjurator.

Organizarea sistemului. Sistemele biologice sunt denumite de Prigogine sisteme disipative, care formeaza un metasistem cu mediul in care se afla. Fiind sisteme deschise, vietuitoarele isi iau din mediu substantele, energia si informatiile necesare, adica o serie intreaga de factori cu entropie mica si elimina in mediu o alta serie de factori, dar cu entropie mare. De aceea, Schrödinger a aratat ca sistemele biologice se hranesc, de fapt, cu negentropie, adica cu ordinea pe care o iau din mediul inconjurator.

Organismul animal, ca si cel vegetal, trebuie sa ia din mediu o anumita cantitate de ordine, deoarece si el trebuie sa plateasca celui de-al doilea principiu al termodinamicii un anumit tribut de dezordine. Un exemplu tipic in acest sens este receptionarea si transmiterea informatiilor necesare desfasurarii proceselor de reglare si autoreglare, cu ajutorul carora organismul reuseste sa-si pastreze ordinea. Acestea sunt insotite de o anumita dezordine locala (in timpul excitatiei ionii de Na⁺ intra, iar cei de K⁺ ies din celula, producandu-se astfel o tendinta spre egalizare, adica o crestere a entropiei).

Organizarea cuprinde atat modul in care sunt dispuse in spatiu elementele sistemului, cat si legaturile dintre ele (substantiale, energetice si informationale - ultimele deosebit de subtile). De aceea, posibilitatile sistemului de a-si pastra ordinea depinde in primul rand de legaturile dintre elementele sale.

Functia si functionarea sistemului. Prin functie se intelege comportarea exterioara a sistemului. Tocmai in acest sens se vorbeste despre functiile unui organ. Mai ales in sistemele biologice, functia si structura sunt intr-o stransa interdependenta.

Functionarea se deosebeste de functie prin faptul ca ea reprezinta mai ales manifestarile interne, adica comportarea interioara a sistemului, in timp ce functia reprezinta, in acceptiunea lui Piaget, mai ales relatiile sistemului cu celelalte sisteme. Functionarea reprezinta activitatea, iar functia expresia unei structuri.

Functia si functionarea sunt coordonate de anumite mecanisme de reglare, pentru ca un organ nu functioneaza in permanenta la aceeasi intensitate.

Desi functia este indisolubil legata de structura, organizarea structurala nu se suprapune peste organizarea functionala a sistemului pentru ca marimile de iesire ale unui element pot actiona si asupra unor elemente mai indepartate din punct de vedere anatomic, prin intermediul unor legaturi informationale. De aici deriva caracterul integral al unor sisteme, asa cum este organismul animal - si indeosebi cel uman - care este suprasaturat de legaturi interne.

Programele sistemelor. Sistemele biologice functioneaza pe baza de programe Spre deosebire de structura, care se refera la organizarea spatiala, programul stabileste organizarea in timp a elementelor si modul de succesiune a functiilor. El coreleaza starea unui element cu starea altui element, indicand cand si cu ce intensitate trebuie sa functioneze elementul respectiv.

Programul devine cu atat mai necesar cu cat sistemul are mai multe elemente. Sistemele dinamice complexe nu pot exista fara un program. Cele biologice evoluate dispun chiar de mai multe programe. De cele mai multe ori, perfectionarea sistemului nu se face prin perfectionarea structurii, ci prin perfectionarea programelor sale de functionare, asa cum s-a intamplat in cazul creierului uman.

Programele sunt genetice (mostenite, caracteristice speciei) sau epigenetice (elaborate in cursul vietii, invatate). Ambele tipuri de programe sunt inscrise in structura organismului. Dar, cu aceeasi structura, unele organe, precum creierul, pot indeplini mai multe programe.

Dintr-o alta perspectiva, programele pot fi deter-ministe sau chiar probabiliste. In programul determinist, o anumita intrare impune cu precizie o anumita desfasurare a functiilor, asa cum pare a fi programul de functionare a aparatului digestiv (un anumit aliment determina o anumita succesiune a functiilor digestive). Cu ajutorul lui, se realizeaza autoreglarea si coordonarea relatiilor dintre sistem si mediu. Peste programele deterministe, care asigura functionarea automata a nivelurilor inferioare, sistemele biologice mai dispun de niste sisteme probabilistice, in care intensitatea si succesiunea functiilor nu este strict determinata de intrarile sistemului.

Cand programele se desfasoara dupa reguli precise, iar operatiile se succed ordonat si duc la un rezultat sigur, ele se numesc algoritmi. Unele procese metabolice si chiar unele procese neuropsihice sau neuromusculare (exemplu: reflexul) se desfasoara algoritmic.

De cele mai multe ori, organismul nu dispune insa de reguli precise de rezolvare a problemelor, iar daca ar dispune de astfel de reguli realizarea fiecarui pas ar cere foarte mult timp, incat respectiva problema nu s-ar putea rezolva in timp util. De aceea, sistemele dinamice complexe, mai ales organismul uman, trebuie sa faca apel la metoda euristica. Adica organismele sunt capabile sa elaboreze noi programe de comportament prin tatonari, erori sau conditionari, pe baza unor principii foarte generale. In cadrul tatonarii, sistemul trebuie sa caute de mai multe ori atat regulile de prelucrare, cat si informatiile ce trebuie prelucrate. Creierul uman are posibilitatea de a lucra nu numai cu programe algoritmice, ci si cu programe euristice. Plecand de la regulile generale, el poate separa, prin metoda de incercare - eroare, problemele cele mai complicate (fig. nr. 1.2.).

Sistemul si informatia. Principala sarcina a sistemului biologic este reglarea raspunsurilor sale in raport cu actiunile exterioare. Pentru aceasta, sistemul trebuie sa capete informatie (are nevoie de un permanent aport informational) despre conditiile in care se afla sistemul, iar apoi, dupa prelucrarea acesteia, sa elaboreze o noua informatie destinata efectorilor. Informatia asigura eficacitatea procesului de conducere si de reglare, punerea in valoare a organizarii.

Informatia este indisolubil legata de substanta si de energie, fiind partea cea mai comunicabila a realitatii, ce trece foarte usor de pe o substanta pe alta. Cantitativ, este marimea noutatii, a nedeterminarii si a surprizei, exprimata in biti. S-au descris mai multe feluri de informatie: fizica, chimica, libera, latenta, "legata". Operatia de trecere a semnalelor de pe o structura substantial-energetica pe alta se numeste codificare. Codificarea se face prin stabilirea unei corespondente intre multimea X a semnalelor emise de sursa si multimea U a unui sir de semnale h, care trebuie sa corespunda fiecarui semnal X. Cel mai cunoscut cod din sistemele biologice este codul genetic, care face ca unor triplete de baze azotate din molecula de ADN sa corespunda cate un aminoacid in molecula de proteina. Codificarea sta la baza functionarii analizatorilor organismului animal (semnalele se codifica la nivelul receptorilor, sunt transportate, codificate si se decodifica la nivelul sistemului nervos, de unde pleaca alte semnale codificate care vor fi decodificate de catre efectori).

Informatia este definita, in sens larg, ca o succesiune de semnale, deci ca un mesaj despre evenimentele ce au loc in interiorul si exteriorul sistemului. In sens restrans, termenul de informatie are trei acceptiuni, statistica (accentul cade pe cantitatea de informatie, unde elementul "noutate" are importanta esentiala), semantica (accentul se pune pe continut, pe semnificatia informatiei - cea mai importanta sub aspect fiziologic) si pragmatica (accent pe valoarea comunicarii in raport cu un anumit scop).

Prin transmiterea de-a lungul canalului de comunicatie si prin trecerea de pe un substrat pe altul, informatia sufera anumite perturbatii (factori exteriori, boli etc.), datorita careia informatia primita de destinatar nu mai este identica cu informatia emisa de sursa.

Stiinta care studiaza modul de transmitere, de recunoastere, de prelucrare si de stocare a informatiilor de catre sistemele dinamice complexe, cum sunt si organismele animale, se numeste cibernetica.

Autoreglarea si reglarea sistemului. "Reglarea" este punerea de acord a raspunsului sistemului cu actiunea factorilor entropici care actioneaza asupra sa. Ea reprezinta ripostele pe care sistemul le da in mod organizat factorilor perturbanti, dupa prelucrarea, prin mecanismele de reglare si control, in modul cel mai adecvat a informatiei primite. Prin "autoreglare" se intelege reglarea prin mecanisme intrinseci (proprii). Notiunea de autoreglare are o sfera foarte diferita, de la o structura la alta. O sfera mai ingusta prezinta, spre exemplu "autoreglarea" la nivelul inimii si al presiunii sangvine, limitata la automatismul cardiac, respectiv la reglarea prin intermediul zonelor reflexogene. Aria autoreglarii este insa mult mai larga in cazul ritmului respirator, prin centrii respiratorii, aflati, la randul lor, sub controlul unor centri nervosi supraordonati.

Comportamentul organismului animal este preponderent expresia unor mecanisme de autoreglare. Actiunile reglatoare survin mai ales din partea mediului.

In sistemele biologice mai simple, alegerea actiunilor care definesc comportamentul se face dupa reguli precise, adica dupa algoritmi, in care toate actiunile sunt precis determinate, asa cum se intampla in reflexul miotatic. Dimpotriva, in sistemele biologice mai complicate, alegerea se face dupa criterii mai putin precise, adica euristice. Sistemele biologice si mai evoluate, mai ales omul, nu isi alege actiunile numai algoritmic, ci si euristic. Omul dispune nu numai de o colectie de algoritmi, ci si de o colectie de euristici.

Reglarea comportamentului se poate face si prin mecanisme de feed-back, (de exemplu: reglarea glicemiei), iar in sistemele cibernetice mai perfectionate prin mecanisme de feed-before, pentru ca acest ultim mecanism poate stabili utilitatea unei actiuni cand asupra sistemului actioneaza o serie de factori perturbanti (acesta dispune de un organ de decizie care stabileste cand si la ce intensitate trebuie sa functioneze mecanismele de feed-back, realizand astfel o reglare a reglarilor).

Sistemul animal ca transformator de energie

Datorita heterogenitatii structurale, la toate nivelurile de organizare, organismul animal, repetam, este un sistem deschis, care constituie sediul unor procese restrictionate termodinamic, neaflate in echilibru, dar ireversibile, neliniare, de obicei de scurta durata (≤ 1 ms) si desfasurate in conditii aproximativ constante de temperatura (37-38°C) si presiune (760 mm Hg). Aceste procese asigura mentinerea constanta a pH-ului si a osmolaritatii mediului celular si extracelular.

Este vorba de procese energetice, antagoniste si cuplate: procese exergonice (producatoare de energie ale metabolismului) cu procese endergonice (consumatoare de energie). In urma cuplarii lor, rezulta "acumulatorii" de energie, niste compusi intermediari macroergici care cedeaza, treptat, energie libera. Cand aceste procese sunt in echilibru nu rezulta energie care sa stea la baza producerii unui "lucru".

Compusul intermediar energetic cu cea mai ubicuitara raspandire in materia vie este acidul adenozin-trifosforic (ATP). Principalul generator de ATP din celula este mitocondria. Prin reactia de hidroliza:

ATP → ADP + Pa - 7,3 Kcal

Se elibereaza, deci, 7,3 Kcal/mol de ATP hidrolizat. ATP este valuta energetica a celulei si organismului.

O alta caracteristica a sistemelor deschise este entropia (rata pierderii, dezorga-nizarii energiei unui sistem, notata AS = D Q/T, unde D Q este caldura rezultata si T = temperatura absoluta). Entropia poate fi negativa, nula (stare tranzitorie de echilibru) sau pozitiva.

Sistemele deschise au si o functie disipativa, concretizata in transformarea energiei chimice in energie calorica, cedata mediului ambiant. Spre exemplu, energia chimica generata in muschi se transforma in energie mecanica (lucru mecanic), electrica (potentiale electrice) si termica (caldura emanata). Asemenea procese energetice se pot regasi si in functionarea altor organe ale organismului.

Sistemele cu reglare automata

Un ansamblu de elemente in care o marime de intrare aplicata unui element de executie genereaza o marime de iesire este un sistem de comanda.

Cele mai simple sisteme de comanda sunt sistemele in circuit deschis. Acestea sunt sisteme liniare, in care intrarea nu este influentata de iesirea din sistem (fig. nr. 1.3.A). Un asemenea sistem este, de exemplu, cel privind inscrierea automata a presiunii arteriale. O varianta a sistemului in circuit deschis liniar este sistemul care prezinta o reglare limitata la unul din subsisteme (fig. nr. 1.3.B). Sistemele biologice deschise apartin, in mod preponderent, ultimului tip de sisteme deschise.

(A)

(B)

Fig. nr. 1.3. - Modelul unui sistem in circuit deschis liniar (A) si cu reglare limitata la iesire (B)

In mod inevitabil, in afara marimii principale de intrare, apar marimi secundare de intrare, numite perturbatii, care impiedica realizarea corecta a marimii de iesire. Existenta perturbatilor impune controlul permanent al modului in care se realizeaza marimea de iesire, orice abatere a acesteia trebuind imediat corectata. Acele sisteme care asigura un efect in functie de marimile care actioneaza asupra lor sunt sisteme cu reglare automata (cibernetice). Acestea sunt sisteme dinamice complexe, in stare sa fie reglate si sa se autoregleze. Prin respectivele actiuni, sistemele reusesc sa-si mentina capacitatea de pastrare a stabilitatii si sa castige o independenta mai mare decat celelalte sisteme fata de modificarile entropice ale mediului in care se afla.

Fig. nr. 1.4. - Sistem cu bucla de retroreactie

Pentru realizarea controlului si autocontrolului sistemului de comanda, se adauga un dispozitiv de masurare a marimii de iesire si un dispozitiv de comparare a marimii de iesire reale cu cea optima in vederea depistarii erorilor. Intr-un asemenea sistem, informatia circula nu numai de la marimea de intrare catre cea de iesire, ci si invers, realizand astfel o legatura (conexiune) inversa in cadrul sistemului de comanda (fig. nr. 1.4.). Datorita conexiunii inverse, aceste sisteme se numesc sisteme in circuit inchis. Ele se caracterizeaza prin faptul ca o parte din valoarea de iesire actioneaza recurent asupra intrarii si, in consecinta, iesirea apare determinata atat de intrare, cat si de iesire. Conexiunea inversa se gaseste, aproape fara exceptie, in toate sistemele de comanda biologice. Deci, sistemele cu reglare automata au ca elemente structurale constante un dispozitiv de comanda (partea care comanda) si un dispozitiv de executie (partea comandata), iar ca element functional conexiunea inversa (fig. nr. 1.5.).

Sistemele automate de reglaj in care intrarea este permanent ajustata in functie de iesire sunt servomecanisme. Ele sunt cele mai complicate sisteme dinamice din organismul animal.