Управление большими системами (стр. 11 из 14)

Повышение степени упорядоченности увеличивает устойчивость системы, но понижает способность ее к эволюции.

Принципы динамического функционирования биосистем. Одна из первых попыток формирования принципа работы биосистемы принадлежит П. Мопертюи (XVIII в.). Его принцип наименьшего действия гласит: когда в природе происходит некоторое изменение, количество действия, необходимое для этого изменения, является наименьшим возможным. По иронии судьбы принцип Мопертюи, высказанный по отношению к живой природе, к биосистемам, получил строгую трактовку уже безотносительно к биологии, и теперь широко известны егоприложения к теории синтеза технических систем автоматического управления.

Начало анализа сохранительных свойств биосистем связывается с обобщением принципа самосохранения Ле-Шателье: если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, подействовать извне, изменяя какое-нибудь из условий, определяющих положение равновесия, то равновесие смещается в том направлении, при котором эффект произведенного воздействия уменьшается.

Этот принцип был сформулирован французским химиком А. Ле-Шателье в 1887 г. для термодинамических систем. После того как немецкий физик К. Браун показал, что это положение является следствием второго начала термодинамики, его иногда стали называть принципом Ле-Шателье—Брауна.

Аристотель учил, что каждому элементу отвечает свое естественное место во Вселенной, к которому тела стремятся по природе с тем, чтобы тем достигнуть покоя. После Ньютона, однако, стало ясно, что такого естественного места не существует: все тела, если на них действуют силы, сохраняют свое состояние, а изменение состояния, каким бы оно ни было, осуществляется внешними силами. Тела же сопротивляются любому насильственному изменению своего состояния.

Б. Спиноза сформулировал свою концепцию самосохранения так: «Никакая вещь не имеет в себе ничего, через' что она могла бы уничтожиться; наоборот, она противодействует всему тому, что может уничтожить ее существование. Следовательно, насколько возможно и насколько это от нее зависит, она стремится пребывать в своем существовании» [125].

Принцип Ле-Шателье — Брауна, таким образом, можно трактовать как частное применение общего принципа самосохранения к термодинамическим системам.

В сходных терминах было сформулировано У. Кен-ноном и понятие самосохранения живых систем: «В открытой системе, такой как наши организмы, состоящие из нестабильного материала и подверженные непрерывному воздействию возмущений, само постоянство служит доказательством существования агентов, действующих или готовых к действию, чтобы поддержать это постоянство.

Если состояние остается устойчивым, то это происходит потому, что любая тенденция к его изменению авто магически вызывает увеличение эффективности фактора или факторов, противодействующих этому изменению» [154].

Важность принципов самосохранения для понимания процессов в живых системах очевидна. Эти принципы в различных сферах исследования используются в различных формах. Так, часто принципы сохранения принимают гомеостатический характер, в той или иной мере близкий принципу Ле-Шателье [33, 154]. В иных случаях связь концепций с принципом Ле-Шателье отрицается [38].

Большое значение для развития представлений об общих принципах работы биосистем имеет сформулированный И. М. Гельфандом и М. Л. Цетлиным принцип наименьшего взаимодействия. Согласно этому принципу, систему можно назвать целесообразно работающей в некоторой внешней среде, если система стремится минимизировать взаимодействие со средой [142]. При этом мерой взаимодействия организма со средой может служить отклонение параметров внутренней среды организма от оптимальных значений. Этот принцип был ими выдвинут при изучении механизмов управления движениями и взаимодействием иерархических уровней нервной системы. Суть его состоит в том, что если рассматривать сложную систему управления как совокупность подсистем, составляющих несколько уровней, то каждая такая подсистема стремится уменьшить свое взаимодействие с внешней средой. На каждом уровне внешние воздействия включают идущую с нижних уровней афферентацию, а взаимодействие высших уровней определяет организацию взаимодействия низших уровней. Модель, соответствующая этому принципу, определяет достижение цели в меняющейся среде с помощью методов поиска экстремума нестационарной функции многих переменных.

В развитие теоретической биологии большой вклад внес советский биофизик Э. Бауэр, изучивший химические и физические процессы, протекающие в организме на клеточном уровне. Свои выводы он изложил в виде очень оригинальных принципов, облеченных в строгую математическую форму, в книге «Теоретическая биология» (1935 г.). Э. Бауэр подчеркивал, что на уровне законов химии и физики в организме не наблюдается равновесия, напротив, организму присуще устойчивое неравновесие. Рассматривая процессы обмена между биосистемой и средой по веществу и энергии, Э. Бауэр [32] формулирует некоторые принципы, общие для живых систем:

всем живым существам свойственно прежде всего самопроизвольное изменение своего состояния, т. е. изменение состояния, которое не вызвано внешними причинами, лежащими вне живого организма;

при изменении внешних условий существо не просто противодействует внешней силе (инерции и трению по принципу Даламбера), а в результате противодействия изменяет состояние среды;

работа живых систем при всякой окружающей среде направлена против равновесия, которое должно было бы наступить в данной окружающей среде при данном первоначальном состоянии системы.

Обобщением этих трех принципов является сформулированный Э. Бауэром всеобщий закон биологии: все и только живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии постоянно работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях. Этому закону он придал следующую математическую трактовку:

где F — свободная энергия системы при наступившем равновесии; х— разность факторов работы (разность потенциалов, концентраций); Dх— изменения, вызванные этими факторами; Dl — время, в течение которого произошли эти изменения. Здесь штрих относится к неживой системе, а разность в правой части соответствует работе живой системы против выравнивания.

Практически всему человечеству известны работы И. П. Павлова по условным рефлексам. Здесь мы лишь обсудим соотношение взглядов И. П. Павлова с понятиями кибернетики. Практически все работы И. П. Павлова и его школы относятся к исследованию тех или иных форм поведения, к исследованию условий, в которых под влиянием изменившейся окружающей среды разрушается старый и формируется новый стереотип поведения. Известно также, что в кибернетике принято рассматривать систему и ее среду и объяснять изменение поведениясистемы изменением среды. С этой точки зрения исследование формирования простых, а затем и сложных инструментальных рефлексов у животных под действием безусловных и условных раздражителей есть исследование кибернетических (живых) систем. И результаты, полученные в этом отношении акад. И. П. Павловым, трудно переоценить. Он не использовал математические методы при интерпретации своих экспериментов, но ему удалось сформулировать ряд весьма важных принципов, которые до сих пор не утратили своего значения.

При исследовании взаимодействия организма со средой И. П. Павлов обосновал логическую структурную модель условных рефлексов. В эксперименте он создал специальные комбинации входных воздействий на организм, четко регистрировал реакцию организма не только по общему поведению, но и по качественным значениям физиологических показателей.

Результатом такого структурного подхода явилось формулирование И. П. Павловым в конце 20-х и в начале 30-х годов принципа уравновешивания системы со средой, который обобщал три важных положения [104]:

мозг регулирует процессы, протекающие внутри организма,— принцип нервизма;

мозг устанавливает и регулирует взаимосвязь между организмом и внешней средой на базе безусловных и условных рефлексов — принцип условных и безусловных рефлексов;

кора головного мозга осуществляет функцию образования и сохранения динамического равновесия между внутренней средой организма и окружающей организм средой — принцип динамического уравновешивания внешней и внутренней среды.

Если обратиться к истокам кибернетики, нельзя не отдать должное исследованиям И. П. Павлова. И принцип нервизма, и принцип безусловных и условных рефлексов, и принцип уравновешивания внешней и внутренней среды привели к выводу о том, что биологическая система, активно перестраивая свое поведение, стремится к уравновешиванию со средой. Это дает ключ к пониманию не только динамического приспособления к изменившимся условиям среды в онтогенезе, при обучении, но и в эволюции видов, к филогенезу.

Акад. И. П. Павлов является также основателем школы, использующей метод логического структурирования биологической модели при исследовании биосистем различного иерархического уровня.