Общие понятия о функциональной системе

 

В современной науке нет более популярного понятия, чем понятие «система». Известный отечественный физиолог, академик П. К. Анохин писал, что термин «система» имеет весьма древнее происхождение, и вряд ли есть научное направление, которое бы его не употребляло. Действительно, понятием системы и элементами системного подхода (или «системного мышления») в различных его вариантах пользуются сегодня во всех областях знаний – от философии и теоретической физики до экономики, медицины и приборостроения. И это не случайно, ибо объём научных знаний в современном мире за каждые два года увеличивается в пять раз, и на повестку сегодняшнего дня науки поставлены сложнейшие проблемы, в том числе объективное, количественное исследование спортсмена в процессе становления его мастерства. Разобраться в новом потоке информации, решать задачи и квалифицированно проектировать новые исследования можно только на основе определённых общих подходов и принципов, среди которых системный подход играет важнейшую роль.

Без таких общих подходов измерение каких бы то ни было показателей, сбор каких бы то ни было экспериментальных данных о спортсмене часто теряет свой смысл, превращаясь в простое «коллекционирование фактов». Именно поэтому элементы системного подхода являются необходимой частью теории и методики измерений в спорте.

Системой называется (в несколько упрощённом виде по П. К. Анохину) комплекс элементов, у которых взаимодействие носит характер взаимосодействия, направленного на получение определённого полезного результата. Это определение позволяет применять системный подход при изучении как отдельных физиологических систем организма спортсмена (дыхание, кровообращение, управление движением и др.), так и спортсмена в целом как многосложную систему, способную к обучению и достижению поставленной цели. В рамках этого определения оказываются и такие системы, как тренировочный процесс, движения спортсмена, техника выполнения упражнений, психологическая подготовка и т. п.

Понятно, что перечисленные системы имеют различную физическую природу и на первый взгляд у них мало общего (например, тренировочный процесс, движения спортсмена, кровообращение). Однако в одном эти системы сходны – все они относятся к числу «кибернетических систем».

Кибернетической системой называется система управления со сложным поведением и сложной структурой потоков информации, состоящая из очень большого числа элементов. Иначе говоря, кибернетические системы – это сложные системы управления. К ним относятся: биологические системы управления, системы управления большими коллективами людей, сложные системы автоматического регулирования в технике, системы управления экономикой и целый ряд других столь же сложных систем.

Называя систему кибернетической, мы не только подчеркиваем её чрезвычайную сложность, но характеризуем способ её изучения и описания. Так, биологическую систему управления движением спортсмена можно изучать с гистологической и физиологической точек зрения как перечень элементов (костей, мышц, нейронов и т. д.), но ввиду исключительной сложности системы такой подход не принесёт успеха. Гораздо эффективнее кибернетический подход, ставящий во главу угла закономерности обмена информацией между элементами системы.

Учение о кибернетических системах сегодня выделилось в самостоятельное научное направление со своими традициями и своим специфическим языком.

Важнейшим понятием теории систем является понятие переменной. Переменная – величина, характеризующая систему и принимающая в каждый момент времени определённое значение. Говоря словами одного из основоположников кибернетики У. Р. Эшби, «все величины, используемые в физике, химии, биологии, физиологии и психологии, являются переменными в смысле данного определения». Для примера упомянем о системе кислородного обеспечения организма человека, переменными которой служат потребление кислорода, артериовенозная разница по кислороду, минутный объём кровообращения и т. п. Другой пример – движения спортсмена. К переменным этой системы относятся кинематические и динамические характеристики движения.

Принято различать входные и выходные переменные. К числу входных переменных, изменяющих состояние системы, относят влияние внешних факторов (температура, влажность, барометрическое давление, мышечная нагрузка, психологические воздействия, питание и т. п.) среды. Входные переменные подразделяются на: а) контролируемые и управляемые; б) контролируемые и неуправляемые; в) неконтролируемые и неуправляемые.

Выходные переменные характеризуют состояние системы (параметры деятельности физиологических систем, кинематические и динамические характеристики движения, результаты тестирований и т. п.). По своей информативности и важности эти переменные делятся на существенные и несущественные.

Существенными переменными называются жизненно важные показатели системы, от которых зависит её существование. Несущественные переменные – это показатели менее важные, второстепенные, не оказывающие решающего влияния на эффективность работы системы. Понятно, что всякая реальная система характеризуется множеством переменных. Но для её анализа используются только существенные переменные, тщательно отбираемые из десятков, а то и сотен количественных характеристик системы. Включение тех или иных переменных в число существенных зависит от конкретной цели исследования. Например, при оценке функционального состояния стайера измеряют производительность систем кровообращения и дыхания, потребление кислорода и другие показатели, характеризующие выносливость. Если же исследуется спринтер, то в центре внимания оказываются его психофизиологические показатели, определяющие скоростные навыки, способность к «взрывным» действиям, анаэробные возможности организма. В том и другом случае к несущественным переменным можно отнести показатели технико-тактических действий.

Величины переменных, характеризующих живую систему, непрерывно изменяются во времени. Математик сказал бы, что они являются функциями времени. Поэтому набор численных значений переменных в конкретный момент времени определяет состояние системы в этот момент, что может отображаться в пространстве так называемой репрезентативной точкой.

Итак, измерение переменных системы позволяет получить представление о состоянии системы в момент измерения. Например, оценив физическую, техническую, психологическую и тактическую подготовленность спортсмена, можно судить об уровне его тренированности на сегодняшний день. Однако задача тренера состоит не только в том, чтобы определить функциональное состояние своего воспитанника. Задача тренера – подготовить спортсмена высокого класса или, говоря языком теории систем, перевести данную систему (спортсмена) в определённое, наперёд заданное состояние. Эта задача известна в теории систем как задача об управлении системой.

Таким образом, управлением называется целенаправленное изменение состояния системы. Цель управления – переместить систему в желаемое состояние (например, в высокий уровень мастерства спортсмена или из состояния низкой тренированности перевести систему в состояние высокой тренированности).

Управление различными системами (биологическая, техническая и др.) имеет свои особенности. Однако некоторые принципы управления справедливы для систем любого происхождения, назначения и сложности. К таким общим, основополагающим принципам относятся принципы иерархичности и обратной связи.

Принцип иерархичности состоит в многоступенчатом построении управляющей системы, при котором функции управления распределяются между соподчинёнными частями системы. Иначе говоря, все подсистемы управления взаимосвязаны, взаимодействуют друг с другом при соблюдении строгой субординации (выполнение своих функций, невмешательство в работу других подсистем, взаимодополнение). При этом управляющие сигналы подсистем старшего ранга носят обобщённый характер и конкретизируются в подсистемах младшего ранга. Исключительным примером тому может являться центральная нервная система (ЦНС) человека, где чётко обозначена иерархия управления – от коры головного мозга до спинальных нейронов.

Управляемая система состоит из двух частей: управляемого и управляющего объектов, которые всегда соединены связями (каналы прямой и обратной связи). Прямая связь идёт от управляющего объекта к объекту управления, а обратная – от объекта управления к управляющему устройству или органу. Обратная связь является важнейшим принципом управления любой кибернетической (или функциональной) системы. Именно она является важным условием выживания, целенаправленного и оптимального поведения сложных биологических систем.

В биологии наличие обратной связи в живых организмах долгое время ускользало от внимания исследователей. Так, ещё в начале ХХ века великий русский физиолог И. П. Павлов понимал рефлекс как однонаправленный акт, состоящий в появлении некоторой реакции на определённый раздражитель. В датированной 1911 г. работе харьковского врача Н. А. Белова промелькнула мысль о важной роли отрицательной обратной связи в развитии патологии. Позже Н. А. Бернштейн убедительно показал, что важнейшая роль в управлении движением и формировании двигательных навыков принадлежит обратной связи в виде потоков афферентной импульсации от интеро- и экстерорецепторов. Спустя годы П. К. Анохин сформулировал основные положения созданной им «теории функциональной системы». Она базируется на представлении о наличии в живой системе обратной связи («обратной афферентации») и контролирующего элемента («акцептора результата действия», или «измерителя ошибки»), сличающего действительный результат деятельности системы с ожидаемым и формирующего команды, направленные на устранение несоответствия между ними. Все перечисленные элементы представлены в обобщённой схеме простейшей системы регулирования с обратной связью (см. рис. 1).

 

Рис. 1. Структурная схема системы автоматического регулирования с обратной связью: 

А – эталонная величина; Б – измеритель ошибки; В – ошибка регулирования; 

Г – регулирующее воздействие; Д – регулируемая величина