ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы ТЕОРИЯ УПРАВЛЕНИЯ И ЖИВЫЕ СИСТЕМЫ Специфика живых систем из "Теория управления и биосистемы Анализ сохранительных свойств" Книга рассказывает о современных методах теории управления и их пр 1-менении для исследования живых систем. В ней рассматриваются основные идеи метода пространства состояний н компартментального моделирования биосистем. Эти методы использованы для анализа сохранительных свойств биологических систем. Изложение сопровождается примерами из области физиологии (системы терморегуляции, кислородного режима, энергетического баланса) и других областей биологии. [c.2] Книга рассчитана на специалистов в области биокибернетики, бионики, биофизики, а также биологов, медиков, физиологов и инженеров. [c.2] Проблема изучения тех свойств биосистем, которые позволяют им в изменяющихся условиях окружения сохранять свою жизнедеятельность, поддерживая стационарное неравновесное состояние и обеспечивая постоянство внутренней среды, в силу целого ряда причин приобретает в последние годы все большее значение В данной книге для обозначения этой характерной особенности биологических систем мы будем использовать термин сохраиительные свойства. [c.6] В перспективе возникает уже и вопрос о сохранительных свойствах и ресурсах биологических и социальных систем в масштабах планеты. Биосферный мониторинг... должен обеспечивать наблюдения, контроль и прогноз возможных изменений уже не в региональном (экосистемном), а в глобальном масштабе, т. е. в отношении биосферы в целом как среды жизни всего человечества и ее изменений, вызванных деятельностью общества , — пишет И. П. Герасимов [52]. [c.7] Разными путями решаются задачи анализа сохранительных способностей биологических систем на различных уровнях организации жизни, но по мере развития биохимии, физиологии, экологии, разработки все более и более мощных и совершенных методов исследования постепенно проявляется определенная общность механизмов самосохранения объектов живой природы от клеточного и субклеточного до популяционного и экологического уровня. Все большую роль при анализе процессов самосохранения начинают играть количественные методы исследования, в том числе и методы теории управления, применению которых для изучения сохранительных свойств биосистем посвящена настоящая книга. [c.7] Самосохранение объектов живой природы является одним из основных свойств, лежащих в основе жизненных явлений. Сохраняются только такие составляющие живой природы, в которых стремление к самосохранению выражено достаточно ярко , — писал А. А. Ляпунов [ПО]. [c.7] Понятие самосохранения имеет в применении к биологическим системам два аспекта. Прежде всего самосохранение биосистемы означает ее способность поддерживать в изменяющихся условиях функционирования и окружающей среды стационарное неравновесное состояние, т. е. обеспечивать энтропийный баланс в системе и баланс вещества и энергии. Другой, не менее важный аспект сохранительных свойств биоснстем связан с поддержанием гомеостаза — постоянства существенных для жизнедеятельности системы переменных при наличии возмущений во внешней среде. [c.7] ПОЗВОЛЯЮТ ПОНЯТЬ или уточнить механизмы функционирования биосистем, выяснить, как образуются определенные свойства в биологических структурах, дать количественные методы и критерии их оценки. [c.8] Книга написана специалистом по теории управления и с позиций этой теории. Рассчитанная на читателей-физиологов, биологов, медиков, инженеров и специалистов по теории управления, книга содержит разделы, по-разному интересные для специалистов разных дисциплин. [c.8] Первая часть книги в основном носит обзорный характер и посвящена рассмотрению общебиологических представлений о гомеостазе и сохранительных способностях биосистем, с одной стороны, и изложению идей и методов теории управления — с другой. [c.8] 3—5 посвящены идеям и методам теории управления. Здесь следует заметить, что конкретные методы классической теории управления, связанные, например, с анализом передаточных функций, не всегда дают адекватное описание сложных биологических систем. Будучи приспособленными для решения относительно простых задач регулирования со сравнительно небольшим числом управляемых переменных, эти методы подчас малоприменимы для исследования биологических проблем, где даже при грубом упрощении приходится иметь дело с десятками и сотнями переменных и параметров. Таковы, например, задачи анализа биохимических или экологических систем, где рассматривается взаимодействие сотен компонент — различных веществ, участвующих в биохимических реакциях, или видов растений и животных, образующих экологические системы. Несколько проще дело обстоит с анализом систем физиологического уровня, где для описания функционирования таких систем, как терморегуляция, регуляция кислородного режима, требуется обычно не более двух-трех десятков переменных. [c.8] Поэтому, хотя процессы управления в живых системах в своей основе имеют много общего с управлением в технических системах, сами конкретные методы классической теории управления должны применяться для анализа биосистем с большой осторожностью. Так, использование простой следящей системы в качестве модели гомеостаза в физиологических системах не позволяет дать сколько-нибудь полной картины процессов адаптации и приспособления. Применение такой простой модели для моделирования процессов в нервной системе может дать описание только самой элементарной ее функции — функции слежения у человека-оператора, и непригодно для описания других ее свойств. Можно ожидать, что новые методы, разработанные в теории управления, в ряде случаев будут более адекватным аппаратом исследования биосистем. В частности, применение метода пространства состояний, разработанного в теории управления в последние годы, позволяет по-новому осветить вопросы гомеостаза в физиологических системах. [c.9] Если классические методы теории управления достаточно хорошо известны специалистам, работающим в области биологических применений кибернетики, в том числе и специалистам-биологам и физиологам по вышедшим на русском языке в середине 1960-х гг. монографиям Ф. Гродинза и Дж. Милсума [60, 130], то разработанные к началу 1970-х гг. в теории управления методы пространства состояний до сих пор малоизвестны широким кругам специалистов, интересующихся медико-биологическими применениями теории управления. [c.9] Метод пространства состояний требует использования матричного способа описания и исследования систем, с которым знакомы сейчас далеко не все специалисты, работающие в этой области. Поэтому описание метода пространства состояний в книге сопровождается изложением элементарных основ теории матриц. Впрочем, изложение теории матриц включается и в книги по методу пространства состояний, написанные для инженеров. В этой же части обсуждается и проблема оптимальности (гл. 4)—концепция, целиком пришедшая в биологию из кибернетики и теории систем, разбираются ее основные черты и особенно пределы применимости. [c.9] 6 посвящена теории компартментальных моделей. [c.9] Второе обстоятельство, позволяющее более широко применять метод пространства состояний для анализа многокомпонентных биологических систем, состоит в том, что используемые в нем матричные методы описания систем в равной степени применимы к линейным системам как малой, так и большой размерности. [c.10] Во второй части метод цространства состояний используется для анализа сохранительных свойств биосистем на организмен-ном уровне, в основном —для физиологических систем. Хотя разработанные методы в принципе применимы и для анализа других уровней организации живого, их конкретное использование для биосистем других типов требует учета особенностей биосистем — своеобразия их структуры и функционирования, наличия специфических целей систем и механизмов управления на популяционном, экологическом и биохимическом уровнях. Разнообразие биосистем на разных уровнях организации жизни — при всем несомненном их сходстве — не позволило автору провести такого исследования. [c.10] Даже на организменном уровне анализ тех или иных систем и структур открывает пе,ред исследователем практически неограниченное поле деятельности. Так, в отдельную ветвь давно выделилось исследование принципов и механизмов управления движениями. Другую не менее мощную ветвь составляет изучение моделей нервной системы — нейронов, нейронных систем и структур. Эти важнейшие направления исследований на организменном уровне остаются за рамками изложения в этой книге, в которой внимание читателя концентрируется на вегетативном уровне процессов регулирования и управления в организме, Это — низший этаж процессов самосохранения, связанный со снабжением организма, его систем и органов веществами и энергией и с поддержанием постоянства условий жизнедеятельности во внутренней среде организмов — гомеостаза. [c.10] 7 обсуждаются вопросы моделирования сохранительных свойств биологических систем в рамках классической теории управления и с использованием метода пространства состояний. Главная мысль этой главы состоит в том, чтобы продемонстрировать единство открытого характера живых систем и их гомеостатических свойств. Единая система управляющих механизмов в целостной биосистеме может, как показано в этой главе, не только поддерживать стационарный режим в открытой системе, но при определенных условиях обеспечивать и ее гомеостаз. Этот результат позволяет по-новому подойти к взглядам Л. фон Берталанфи, противопоставлявшего теорию открытых систем и кибернетические методы описания гомеостаза. [c.11] Вернуться к основной статье