Саморегулирующиеся системы

 

Это системы с обратной связью, способные реагировать на внешние и внутренние изменения так, чтобы сохранялось состояние динамического равновесия.

В качестве примера саморегулирующейся системы можно привести термостат кондиционера. Например, вы выставляете целевую температуру в помещении равную 22 градусам. Если она повышается до 25 градусов, не важно по какой причине, включается охлаждение и воздух остывает до установленных 22 градусов. Этот цикл будет повторяться до тех пор, пока действуют причины для повышения температуры. Если же похолодает, то включится обогрев и воздух нагреется.

Для работы саморегулирующейся системы нужен датчик или набор датчиков, которые следят за необходимыми параметрами и центр принятия решений, где происходит обработка информации и принятие корректирующих действий для поддержания параметров в нужном диапазоне. В случае с кондиционером датчиками являются термометры, а регулирующие решения принимает термостат, в роли которого может быть простое реле или сложный компьютер.

Различные параметры в человеческом организме регулируются аналогичным образом, жесткость поддержания целевых значений зависит от их важности для выживания.

Например, без воздуха человек может прожить считанные минуты, запаса на более длительное существование без кислорода у нас нет, но при этом воздух в большинстве случаев для нас доступен (в отличие, например, от морских млекопитающих, которые вынуждены регулярно нырять на длительные промежутки времени). Поэтому, системы регуляции частоты дыхания работают довольно авторитарно. Человек может задерживать дыхание или дышать чаще необходимого, ему дается такая вольность для выполнения разных задач, типа того же ныряния или пения, этот навык даже можно тренировать, постепенно расширяя допустимые границы работы в управляемом режиме, но слишком больших прав не предоставлено. Захотите на спор продержаться как можно дольше без дыхания? Пожалуйста, но пару-тройку минут после этого вы будете заняты обслуживанием системы поддержания газового состава крови, о произвольной деятельности можете забыть, пока не отдышитесь. Задохнуться просто прекратив дышать вы точно не сможете.

Ряд параметров регулируется еще более автономно, практически без возможности сознательного контроля. Температура тела, уровень глюкозы в крови, водно-солевой баланс, частота сердечных сокращений или кровяное давление — вмешиваться в эти «настройки» по собственной воле вы скорее всего не можете, если не являетесь факиром-йогином с десятилетиями тренировок.

Регулируется ли аналогичным образом вес тела человека? Да, в регуляции веса (точнее, процента жира) есть похожая автономная часть, но это лишь малая часть сложной и умной системы.

Если сравнить с дыханием, то без еды человек может выживать существенно дольше, чем без воздуха. Но и доступность пищи в естественных условиях пропорционально ниже. Мало дать сигнал «ешь» аналогичный сигналу «дыши», нужно чтобы еще было что есть в этот момент. Поэтому помимо автономной структуры регуляции веса тела есть еще и поведенческая составляющая, цель которой обеспечить в нужный момент доступность, а в идеале и качество пищи; а также самообучающаяся система, задача которой улучшить навыки поиска и добычи съестного.

Установочная точка

Большинство животных, особенно в естественных условиях обитания, склонны поддерживать некий оптимальный для них вес. При переедании и превышении необходимого веса у них повышается двигательная активность, потом падает аппетит и мотивация искать пищу, они даже могут голодать, пока не прийдут в норму. В ситуации дефицита пищи они активизируются в ее поисках, чему способствует повышенный аппетит и возбуждение нервной системы, но при длительном существовании в дефиците пищи их активность падает до минимально необходимой, происходит адаптивное замедление метаболизма, что снижает скорость потери веса и оттягивает голодную смерть.

Такая склонность держать стабильный вес объясняется эволюционной целесообразностью: в большинстве случаев движение — это жизнь, а эффективно двигаться можно только имея некий оптимальный вес. Кто не двигается — тот не ест, или того едят. А кто не ест, или, тем более, кого съели, еще и размножается неважно, что эволюционно тоже важное мероприятие.

Организм человека тоже пытается поддерживать болеем-менее постоянный вес, или, точнее, процент жира. В англоязычной литературе параметр, установленный на определенное значение, к которому стремится система регуляции называют «setpoint» или установочной точкой. Отвечает за поддержание различных параметров организма на своих установочных точках отдел мозга под названием гипоталамус.

Например, он следит как упомянутый термостат, чтобы собственная температура гипоталамуса была 37,1 градус, тогда на поверхности тела температура будет примерно 36,6-37 градусов в зависимости от места измерения. При проникновении инфекции в организм и возникновении воспалительного процесса в крови появляются эндогенные пирогены (интерлейкины, интерферон и др.). Эти вещества запускают продукцию простагландинов в нейронах преоптической области переднего гипоталамуса, а они в свою очередь заставляют нейроны центра терморегуляции терять кальций, что меняет характер импульсации нейронов и установочную точку температурного гомеостаза. В результате нормальная температура тела начинает восприниматься гипоталамусом как пониженная и он «включает» комплекс реакций для ее повышения — снижение потоотделения и потерь тепла (ледяные руки и ноги у температурящего больного), дрожь. Нестероидные противовоспалительные препараты, например, 1 г ацетилсалициловой кислоты, блокируют выработку простогландинов и возвращают гипоталамус «в чувство», он понимает, что температура несколько зашкаливает, включает потоотделение и приводит температуру в норму.

Аналогичным образом работает и поддержание стабильного процента жира, но только реализовано все на порядок сложнее.

Учитывая, что измерять процент жира напрямую гипоталамус не может, ведь калипер или DEXA-сканирование ему не доступны, он собирает информацию из множества различных источников (гормоны, нейромедиаторы, уровень глюкозы и других химических веществ в крови) и в конечном итоге превращает все это либо в аппетит, либо в его временное отсутствие.

При этом, решать приходится одноврменно две задачи, тактическую (поддержание постоянства снабжения тканей тела энергией) и стратегическую (запасы для стабильной работы этой системы).

У большинства людей вряд ли приходится говорить о какой-то одной установочной точке в отношении веса (хотя есть и такие, у кого вес не меняется с начала учебы в институте и до пенсии), скорее о некотором наборе установочных точек для разных условий функционирования организма. Примерно как настройки кондиционера — летом хочется попрохладнее, а зимой лучше потеплее, потому что субъективно воспринимается температура по-разному. Или как артериальное давление, которое с возрастом может повышаться, что во многом связано с культурой питания, физических нагрузок, зависит от веса тела.

В некоторых случаях изменения «настроек» могут происходить довольно заметно и даже радикально. Такие изменения настройки установочной точки чаще всего происходят в ситуациях глобальной перестройки работы организма: во время полового созревания; после 25-27-летнего возраста, когда завершается рост; после беременности или в период климакса; после некоторых тяжелых заболеваний. В результате, например, человек, который всегда был стройным, начинает пухнуть как на дрожжах.

В других случаях, это происходит менее выражено. Так, при разных физических нагрузках, стиле питания, условиях окружающей среды у людей могут проявляться разные настройки установочной точки. Это может быть связано не только с работой самого гипоталамуса и вариантов генетических программ на разные случаи жизни, но и с состоянием сигнальных путей, по которым он «догадывается» какой у человека процент жира. Например, малоподвижный образ жизни и калорийное питание могут снизить чувствительность гипоталамуса к некоторым из гормонов, по причине чего он может начать считать повышенный вес нормальным, что является одним из механизмов развития ожирения.

Также можно отметить, что у довольно высокого процента людей регуляция веса работает не симметрично, а с перекосом в сторону набора лишнего веса.

Для примера сбалансированной регуляции веса представим себе человека, у которого вес без его усилий не меняется последние 30 лет, а костюм с выпускного он использовал еще и на свадьбе и похоронах всех родственников, потому что процент жира его также не претерпевает особых перемен (хотя под костюмом некоторые перемены все же обнаруживаются).

За счет чего обеспечивается такая стабильность? Если такой человек переедает в течение дня, то его аппетит может снизиться на несколько последующих дней, что он даже не заметит, потому что дискомфорта это не вызовет, он просто забудет поесть. Если по какой-то причине он будет переедать несколько дней или недель не обращая внимания на отсутствие аппетита, вероятнее всего у него вырастут также и траты энергии на термогенез (за счет повышенного TEF и некоторого повышения основного обмена), а также спонтанная двигательная активность. Если он даже наберет лишнего, то в ближайшем будущем скорее всего от этого легко избавится, в основном за счет умеренного снижения аппетита.

Если такого человека долго не кормить, то будут обратные эффекты: снижение TEF и потерь тепла, снижение двигательной активности, адекватный дефициту питания аппетит, необходимый, чтобы при первой возможности наверстать упущенное.

Энергетический баланс в таком случае будет выглядеть примерно следующим образом:

Под несимметричной регуляцией понимается ситуация, когда набирает вес человек намного легче, чем теряет. У него скорее setpoint поползет вверх, чем он остановит набор веса (хотя бесконечно он обычно все же не растет, даже в такой ситуации люди обычно останавливаются на каком-то весе и он стабилизируется).

В дикой природе такие повадки организма являлись преимуществом. Логика простая: если эволюционно человек развивался в ситуации, когда еды всегда не хватало, фактически существовал от голода к голоду, то зачем его сильно ограничивать в наборе веса? Ну будет он медленнее бегать, не велика проблема, если есть дубинка и мозги.

Что мы получаем, если человека с такой физиологией перекармливать? Единственный параметр, который растет пропорционально съеденному — это ТЕF. А вот в остальном все вяленько — спонтанная двигательная активность особо не повышается, как любил поваляться на диване, так и любит, аппетит совершенно не страдает, а то и растет вместе с понижением чувствительности к гормонам сытости.

А вот если не кормить такого человека, то реакция будет наоборот более выраженной, чем можно было бы ожидать. Аппетит будет все время повышенным, двигательная активность начнет непропорционально быстро спадать и уже через несколько дней недоедания начнутся жалобы на плохое самочувствие, снижение настроения, либидо и прочих радостей жизни, быстрее наступят адаптивные изменения метаболизма.

Почему в популяции есть люди обоих типов? Точный ответ неизвестен, возможно, это просто нормальное распределение (как люди разного роста), возможно, ответ лежит в эволюционной плоскости, ведь для выживания популяции выгоднее иметь людей разной конституции для реализации более широкого спектра задач (кто-то должен бегать и воевать, а кто-то выживать в любой голод для сохранения жизни популяции в целом).

Так или иначе, то, что было для отдельно взятого человека эволюционным преимуществом много миллионов лет, при текущем статусе нашей цивилизации является недостатком, потому что избыточный вес в период изобилия оказывается такой же губительной штукой, как и недостаточный в период дефицита.

Пищевое поведение

Следующий фактор в регуляции веса — пищевое поведение. Как мы уже упоминали, в условиях постоянного дефицита пищи недостаточно просто прореагировать на сигнал «хочу есть», который подает гипоталамус. Была бы еда — не хотел бы есть, а коль хочу, то ее нет, и ее еще где-то надо взять.

По этой причине сигналы голода не просто поступают в отделы нервной системы, способные заняться поиском пищи, они еще и привязаны к отделам, ответственным за мотивацию, у которых есть «кнут и пряник» для обучения.

Голод, само по себе чувство авторитетное, будучи окрашенное всякими неприятными эмоциями является отличным кнутом, стимулирующим к поисковой активности.

Недостаточно один раз успешно найти и освоить еду, важно выполнять это стабильно каждый раз, когда такая потребность возникает. А еще лучше, думать наперед. Поэтому нужен пряник, чтобы мотивировать человека становиться все более квалифицированным добытчиком еды.

Для таких целей у нас есть лимбическая система, которая заведует лабораторией удовольствий и страданий. Основной лозунг ее работы в случае с пищевым поведением звучит как «лучшее поощрение — прекращение наказания», т. е. избегание голода как первостепенная задача, но и с дополнительными поощрениями за успешно добытую еду обычно тоже порядок.

Работа этой системы также не очень соответствует реалиям сегодняшнего дня. Она «не понимает», что не нужно мучать голодом человека, который находится в 5 метрах от холодильника и уж точно не собирается умирать от истощения в ближайшие месяцы, не нужно очередной порцией эндорфинов заставлять кайфовать нашедшего очередную калорийную бомбу, потому что и так уже перебор. В реалиях нашего мозга не может быть все настолько хорошо, чтобы садо-мазо вокруг еды можно было отключить. Поэтому даже те, кто не склонен к набору веса от природы, рискуют со временем все равно попасть в эту историю с черного входа или питаться довольно сомнительно с точки зрения качества пищи, выбирая то, что приносит больше удовольствия.

Ну и последний штрих в картине. Помимо внутренних стимулов, которые явно сговорились подталкивать человека набирать лишний вес, есть еще и внешние. Не просто уже неоднократно упомянутая доступная еда, а супер еда, которой в природе даже не существует, как не существует в природе гламурных моделей с обложек глянцевых журналов.

Все эти запредельно легкодоступные калории, комбинации жирного, сладкого, соленого, хрустящего, мокрого одновременно в одном продукте, все эти запахи, образы, цвета, созданные, чтобы продать и без того привлекательную пищу... они способны свести с ума любую «автоматику», особенно ту, что рассчитана на диаметрально противоположные условия работы, а система мотивации радостно выполняет и перевыполняет план. Об осознанном поведении в такой обстановке, сами понимаете, говорить сложно, но вся надежда на выживание в эпоху изобилия только на него!