Physical-information model of the immune system as a development of P.K. Anokhin’s theory of functional systems

Full Text

Благодаря большим успехам в развитии молекулярной биологии во второй половине ХХ века, сегодня в биомедицине господствует парадигма понимания биосистемы как преимущественно физико-химической системы, основные принципы организации которой лежат на уровне физико-химических процессов. Не исключением является здесь и иммунология. Можно говорить о господстве в современной иммунологии своего рода комбинативного подхода, когда основные элементы системы – это молекулы и клетки, которые случайно движутся в биологических средах организма и случайно встречаются комплементарными участками, что приводит к ряду последовательных событий. В целом имеем такой образ иммунной системы, который можно было бы обозначить как комбинативно-комплементарная система с каскадными механизмами.

Комбинативно-комплементарная система – система, состоящая из множества элементов, которые могут независимо комбинировать свои состояния, и также обладают комплементарными участками, которые могут случайно встречаться, образуя обратимые комплексы. Таковы, например, модели протекания биохимических реакций с участием ферментов, когда фермент и субстрат случайно встречаются комплементарными участками, что приводит к определенной реакции. Таковы же процессы встречи антитела и антигена и т. д. Элементы с комплементарными участками случайно встречаются, образуют временные комплексы, затем могут распадаться, и весь цикл может повторяться. Либо образование комплекса приводит к трансформации некоторых или всех участников, что создает новые элементы.

Каскадный механизм – цепочка событий, в которых каждое последующее событие определяется предыдущим событием как своей причиной. Например, антиген активирует антигенпрезентирующую клетку, которая активирует соответствующий Т-хелпер, который активирует В-лифмоцит.

Представление об иммунных процессах на основе комбинативно-комплементарных процессов вместе с каскадными механизмами можно, по-видимому, принять сегодня как стандартную иммунологическую модель, согласно которой строятся все основные представления в современной иммунологии.

В то же время если эту модель довести до своей чистоты, то она порождает множество парадоксов. Например, общая тенденция усложнения комбинативно-комплементарных моделей в иммунологии состоит часто в том, что в имеющиеся ранее цепочки событий вставляется все большее число более детальных промежуточных событий, которые якобы должны ускорять имеющийся процесс. Например, встраивание Т-хелпера в процесс активации В-лимфоцита антигеном рассматривается как условие ускорения распознавания антигена, т. е. вместо более ранней простой цепи антиген→В-лимфоцит рассматривается более детальная цепь антиген –→Т-хелпер→– В-лимфоцит. Но дело в том, что в рамках комбинативно-комплементарной модели добавление каждого нового промежуточного звена – это добавление своего рода еще одной двери с кодовым замком, которую приходится отпирать случайным перебором цифр, и каждая дополнительная такая дверь может только замедлить процесс. Известно, что разных клонов В-лимфоцитов существует порядка 10⁸, а клонов Т-хелперов – порядка 10¹⁰, т. е. вероятность их встречи равна 10^-18! Реально же процесс Т-В-кооперации реализуется примерно за 10 дней (это значит, что за 1 день нужно реализовать 10¹⁷ комбинаций, т. е. за 1 секунду – порядка 10¹² комбинаций!). Это немыслимый молекулярно-клеточный пулемет!

В целом комбинативно-комплементарная модель в иммунологии представляет иммунную систему как своего рода царство слепо-глухих, которые могут использовать только контактные взаимодействия – своего рода молекулярное ощупывание. И последнее протекает в форме случайных комбинаций в хаотической среде жидких биологических сред, где господствует хаотическое броуновское движение.

Реальные же иммунные процессы протекают достаточно быстро и направленно, что заставляет предположить наличие каких-то дополнительных факторов, которые как бы накладываются на случайные комбинации и направляют и ускоряют случайные процессы. В связи с этим актуальным является вопрос о возможных более функциональных и целостных моделях понимания иммунных процессов. Одним из таких перспективных подходов несомненно является теория функциональных систем П.К. Анохина.

В самом деле, в отличие от других систем организма (нервной, эндокринной, сердечно-сосудистой), иммунная система не имеет четко оформленного макроносителя, подобного мозгу и нервам в случае нервной системы или сердца и сосудов сердечно-сосудистой системы. Иммунная система более субстратна на клеточно-молекулярном уровне, и по мере повышения по уровням организации все более приобретает характер функциональной целостности, что вполне соответствует принципам теории функциональных систем.

П.К. Анохиным был предложен принцип функциональной системы, основанный на взаимодействии центральных и периферических структур, обеспечивающих достижение конечных приспособительных результатов [Ошибка: источник перекрестной ссылки не найден]. Общая архитектура функциональных систем включает несколько этапов: синтез входящих сигналов (афферентный синтез), принятие решения, прогнозирование ожидаемых результатов (акцептор результатов действия), синтез исходящих сигналов (эфферентный синтез), выполнение действия и оценку результатов с помощью обратной связи. Системообразующим фактором выступает конечный приспособительный результат. Отклонение от достижений этого результата приводит к перестройкам взаимоотношений между компонентами функциональной системы. Саморегуляция является циклическим процессом, в котором необходима информация о конечном адаптивном эффекте для центральных регуляторов. Эта информация выражается в отклонении конечного эффекта от уровня константы. Импульсы, идущие из центральных регуляторов к периферии, корректируют конечный результат. Путь возбуждения от конечного адаптивного эффекта через рецепторы в центральной нервной системе получил название обратной афферентации.

Функциональные системы – единство материальных, энергетических и информационных процессов. Аппарат акцептора результатов действия играет центральную роль в оценке информации. Информация связана с материальными и энергетическими факторами. Информационные процессы в функциональных системах получили новую интерпретацию благодаря концепции информационного эквивалента объектов действительности [2]. В этих системах циркулирует информация о потребностях и их удовлетворении, оцениваемая акцептором результатов действия.

Идея применения теории функциональных систем в иммунологии не нова [6]. Перспективы применения этой теории к конкретным иммунным процессам в некоторой мере сталкиваются с трудностью понимания тех медиаторных механизмов, которые могли бы скоординировать функциональный уровень целостного организма с уровнем клеточно-молекулярных иммунных процессов. В попытке обеспечить такую координацию одним из авторов данной статьи была предложена в свое время так называемая физико-информационная модель биосистемы (ФИМ) [5].

Суть этой модели состоит в том, что в организации биосистемы выделяются два основных уровня – информационный и физический. На информационном уровне представлен акцептор результата действия в виде целевой ситуации, которую система пытается достичь. Здесь же реализуется та структура реальности (онтология), которая строится на основе данных органов чувств и разного рода принципов организации сенсорного материала. Онтология системы моделируется как многомерное пространство степеней свободы – аналог фазового пространства в физике и синергетике. Акцептор результата действия и текущее состояние системы могут быть представлены как точки в этом пространстве состояний. Пытаясь перейти из текущего в финальное состояние, система строит схему траектории в пространстве состояний – сначала абстрактной траектории, затем все более конкретных, которые учитывают возможность их реализации органами действия системы, обход препятствий, разбиения более интегральных активностей на все более частные и т. д.

В частности, схемы траекторий в пространстве состояний могут строиться системой на основе так называемых органических потенциалов – таких скалярных функций, определенных на состояниях системы, которые принимают минимум на финальном состоянии системы и выражают идею своего рода органического напряжения, редукцией которого система реализует свою активность. Здесь так же имеется аналогия с физическими потенциалами физических систем, но органические потенциалы скоординированы с акцептором результата действия и выражают конкретные потребности данной системы. Продвигаясь по траектории, система все более движется в сторону падения органического потенциала, стремясь к финальному состоянию как минимуму этого потенциала.

Раскладывая интегральную траекторию активности на все более мелкие последовательно-параллельные части, происходит разбиение интегральной схемы движения на самые малые активности – своего рода дифференциалы движения, которые могут быть реализованы отдельными процессами сопряжения – синтезом АТФ, сокращением актин-миозиновых нитей, активным транспортом ионов и т. д.

В общем случае процесс сопряжения – это схема координации двух процессов, в одном из которых происходит падение некоторого физического потенциала (несущий процесс), в другом же такой потенциал возрастает (несомый процесс). Биосистеме нужны именно несомые процессы, которые идут с ростом тех или иных физических потенциалов и самопроизвольно протекать не могут [4]. Чтобы обеспечить их реализацию, биосистема использует схему сопряжения несомых процессов с несущими в рамках процессов сопряжения. В свое время факт устойчивого отклонения от падения физических потенциалов в рамках несомых процессов был отмечен Э. Бауэром в его знаменитом принципе устойчивого неравновесия биосистемы: в отличие от физических систем, биосистемы устойчиво отклоняются от состояния физического равновесия [3]. В рамках ФИМ мы объясняем это устойчивое отклонение от физических потенциалов тем, что за несомыми процессами в процессах сопряжения стоят фрагменты интегрального органического потенциала, которые перевернуты относительно физических потенциалов. В итоге биосистема также стремится к равновесию, но это равновесие не совпадает с физическим равновесием и выражается своим органическим потенциалом.

Итак, на интегральном информационном уровне система строит интегральную траекторию, координируя ее с органическим потенциалом, затем эта интегральная траектория раскладывается на все более частные фрагменты, пока они не дойдут до мельчайших участков, способных реализоваться в несомых процессах процессов сопряжения.

Факторы, идущие со стороны акцептора результата действия и интегральных схем деятельности биосистемы, как раз могли бы послужить теми ускорителями и канализаторами хаотически-броуновской среды случайных встреч и комбинаций отдельных молекул и клеток, которые происходят в иммунных процессах. Например, встреча Т-хелпера и В-лимфоцита, активированных одним эпитопом, могла бы происходить за реальные 10 дней, если бы эти клетки были некоторым специальным образом выделены в информационном плане иммунной системы, они могли бы некоторым образом опознаваться, и их движение могло бы получить элементы направленности, преодолевающих хаос бесконечных случайных комбинаций.

На этой основе можно предполагать дальнейшее развитие теории функциональных систем, и, как нам представляется, было бы очень плодотворным построение нового образа иммунной системы.

About the authors

V. I. Moiseev

Russian University of Medicine

Author for correspondence.
Email: vimo@list.ru

PhD, MD (Philosophy), Professor, Head, Department of Philosophy, Bioethics and Humanities

Russian Federation, Moscow

K. S. Mochalov

Bashkir State Medical University

Email: vimo@list.ru

PhD (Biology), PhD, MD (Philosophy), Associate Professor, Philosophy Department

Russian Federation, Ufa, Republic of Bashkortostan

M. V. Goloviznin

Russian University of Medicine

Email: vimo@list.ru

PhD (Medicine), Associate Professor

Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files