Смекни!
smekni.com

Управление большими системами (стр. 10 из 14)

В качестве вещественных управляющих сигналов вы­ступают массы различных неорганических веществ (на­пример, ионы, молекулы кислорода, глюкозы), макро­молекулы органических гормонов (инсулин, адреналин). Энергетические управляющие сигналы — это теплота, свет, звук, давление, энергия импульсации нейронов. К информационным управляющим сигналам следует отнести, например, словесную обстановку, параметры импульсации нейронных систем (мгновенную частоту, фазу и другие).

Временная неоднородность биосистем проявляется в том, что в одной функциональной системе взаимодей­ствуют в достижении одного и того же результата под­системы с разными постоянными времени (медленнодей­ствующие — биохимические, гормональные; быстродей­ствующие — нервная; сверхбыстродействующие — ре­чевая, мыслительная, вторая сигнальная).

Практически любая функциональная система орга­низма включает все три вида управления — медленно­действующее вещественное с постоянной времени, рав­ной часам; среднедействующее энергетическое с постоян­ной времени, равной минутам, и быстродействующее информационное с постоянной времени, равной секундам.

Временная неоднородность используется организмом при формировании различных способов управления в одной и той же системе с целью достижения оптималь­ного результата. Так, на сердечно-сосудистую систему действуют информационные управляющие сигналы сим­патических и парасимпатических узлов нервной системы, вещественные — в виде гормонов, энергетические — в виде теплоты, мышечной работы. Все три типа систем управления действуют не изолированно, а взаимосвязан­но, что обеспечивает преобразование сигналов различной природы друг в друга.

Взаимодействие биосистем со средой, их постоянное приспособление к среде, эволюция невозможны без ди­алектического единства двух противоположных свойств:

структурно-функциональной организованности и струк­турно-функциональной вероятностности, стохастичности и изменчивости.

Структурно-функциональная организованность про­является на всех иерархических уровнях биосистем и ха­рактеризуется высокой устойчивостью биологического вида, его формы и внешнего вида, однообразием составля­ющих его элементов, органов и систем. На уровне макро­молекул это свойство обеспечивается репликацией макро­молекул, на уровне клетки — делением, на уровне особи и популяции — воспроизведением особей путем размножения.

Структурно-функциональная стохастичность био­систем функционально проявляется в разнообразии ре­акций в ответ на одни и те же воздействия (состояния) сре­ды и сигналы биосистем ниже- и вышележащих уровней иерархии. Структурно стохастичность проявляется в способности биосистемы с помощью различных струк­турных реализации добиваться однотипного функци­онального результата. Наиболее полно это проявля­ется при формировании новых условных рефлексов. У биосистем различного уровня иерархии существуют специальные механизмы, обеспечивающие реализацию свойства стохастичности. На уровне макромолекул — это мутации, на уровне клетки — рекомбинации хромо­сом, на уровне организма и популяций — рекомбинации генетического фонда.

Динамика стохастичности биосистем проявляется в изменении во времени распределения реакций на один и тот же набор сигналов внешней среды или смежных иерархических уровней.

Важными свойствами биосистем являются также структурная дискретность, без которой невозможно было бы их различие, и функциональная непрерывность, т. е. вариабельность количественных параметров в пре­делах одной и той же дискретности.

1.3. ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Структурно-функциональные принципы. Эксперимен­тальные исследования биологических систем обычно со­провождаются теоретическими обобщениями. При этом применение математических методов анализа способству­ет более строгому формулированию общих положений.

Ранний период внедрения математических методов в биологию относится ко второй половине прошлого века, когда начала разрабатываться вариационная статисти­ка, которую «...Пирсон и его продолжатели специально развивали и расширяли, чтобы сделать ее алгоритмы как можно более пригодными к оценкам, сравнениям и коли­чественным характеристикам биологических явлений»

[36].

В начале XX в. П. П. Лазарев, В. Нернст иДж.Леб,

исследуя раздражения нервной ткани, установили коли­чественные закономерности и вывели формулы, связы­вающие величину возбуждения с силой электрического раздражения. Несколько ранее, в 1901 г., Ж. Вейс пред дожил использовать для этой цели формулу гиперболы. Таким образом, в области нейрофизиологии давно ощу­щалось влияние математизации, что сказалось как на проведении самих экспериментов, так и на формулирова­нии результатов. Если результаты и не облекались в строгую математическую форму, то формулировались они достаточно логично.

Процесс обобщения результатов и формулирования общих положений, связанных с функционированием био­систем, усилился с развитием кибернетики и внедрением в биологические исследования методов моделирования. Общие принципы, выдвинутые кибернетиками при изу­чении работы технических систем, оказались вполне применимыми к биологическим.

Рассмотрим группу принципов, связанных со структу­рой и функцией биосистем, между которыми существует тесное единство. В каждый момент времени функция формируется на структуре, однако необходимость выпол­нять определенную функцию в течение некоторого вре­мени неизбежно приводит к формированию новой струк­туры.

Одним из общих принципов, связывающих структуру и функцию системы, является принцип наипростейшей конструкции, сформулированный в 1943 г. американским биофизиком Н. Рашевским. Одни и те же функции при одинаковой их интенсивности, вообще говоря, могут вы­полняться несколькими различными структурами. Со­гласно принципу Рашевского [114] «...та конкретная структура или конструкция, которую мы действительно находим в природе, является простейшей из возможных структур или конструкций, способных выполнять данную функцию или группу функций». В 1954 г. американский ученый Д. Кон усилил формулировку этого принципа и предложил принцип оптимальной конструкции, по которому органическая структура, необходимая для выполнения данной функции, должна быть оптимальной в отношении нужного количества материала и необходи­мых затрат энергии. Дальнейшее изучение структур­ных особенностей биосистемы привело Н. Рашевского в 1961 г. к принципу адекватной конструкции организма [114]: «Конструкция должна быть адекватной заданной функции при заданных изменяющихся условиях среды».

Сформулированные выше принципы допускают, оче­видно, не единственное решение проблемы формы и струк­ туры. Но это является не недостатком, а преимуще­ством. В органическом мире действительно существуют организмы и органы, которые выполняют в основном оди­наковые функции, но тем не менее различны по форме. Однако нельзя утверждать, что системы, выполняющие разные функции, всегда различны по своей структуре.

Дополнением к теории адекватной конструкции Ра­шевского является принцип эволюционной компенсации силы тяжести [28]. Применительно к рецепторному ап­парату вестибулярного анализатора он формулируется следующим образом: в условиях нормальной весомости сила тяжести компенсируется внутренними упругими си­лами конструкции рецепторов. В периферической части вестибулярного анализатора в процессе эволюции этот принцип используется для увеличения чувствитель­ности рецепторных окончаний специфических нервных клеток.

Обобщением взаимоотношений структуры и функции является принцип структурно-функционального един­ства. В любой биологической системе структура и функ­ция представляют единое целое, причем функциональный эффект биосистемы достигается за счет ее внутреннего структурирования. Единство структуры и функции био­системы формируется в процессе взаимодействия со сре­дой и является проявлением адекватности биосистемы среде. В самой биосистеме структура и функция взаимоадекватны.

Принцип структурно-функционального единства при­менительно к нервной клетке был сформулирован в 1973 г. [75]: пространственно-временная функциональная не­однородность нервной клетки обеспечивается взаимо­действием пространственно распределенных структурно неоднородных синаптических образований со структурно однородной мембраной клетки.

Этот принцип справедлив для биосистем любого иерар­хического уровня. Чтобы его установить, необходимо детально изучить структурирование биосистемы на под­системы и проанализировать формирование функции каж­дой подсистемы и биосистемы в целом на основе взаимо­действия между подсистемами.

Свойство иерархичности биосистем позволило сфор­мулировать принцип этажности [61. В любой сложной системе этажи переработки информации взаимосвязаны и оказывают влияние один на другой. На определенном этапе эволюции биосистем начали возникать этажные структуры. Живые системы усложня­лись сначала за счет длины цепей элементов, затем их соединения становились параллельными, далее происхо­дила надстройка этажей.

Для клетки этажи — это атомы (если отбросить эле­ментарные частицы), простые и сложные молекулы, струк­туры из молекул и, наконец, целые клетки. На каждом этаже происходит обмен энергией и вещественными час­тицами. В процессе развития каждой регулирующей си­стемы организма также формируется сложная структу­ра иерархических этажей с вертикальными связями. Од­новременно закладываются горизонтальные связи между соответственными этажами близких регулирующих си­стем. Для организма прибавляются новые этажи — ткани, органы, системы органов, целостный орга­низм.

Затем формируются иерархические уровни систем, объединяющие несколько первичных систем. На каждом уровне сначала образуются параллельные, затем этаж­ные структуры. Таким образом, сложные отношения, в которых находятся между собой биологические систе­мы организма, носят иерархический характер. Степень независимости одной системы от другой, более крупной, определяется ее жизнеспособностью при отключении от нее энергетических и информационных воздействий со стороны других подобных систем. С понятием сложных отношений связана степень упорядоченности системы или степень непротиворечивости деятельности ее подсистем и элементов, т. е. то, насколько частные функции не ме­шают и не противодействуют друг другу.