ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Иерархия целей в живых системах из "Теория управления и биосистемы Анализ сохранительных свойств" Процессы, происходящие в реальных биологических объектах, представляют собой управляемые (или самоуправляемые) процессы в том смысле, что важнейшую роль в них играют различного рода механизмы регуляции. Для содержательного описания результата управления в биосистемах в биокибернети-ческой литературе часто применяется понятие о цели управления. [c.30] Термин цель механизмов управления в биосистеме , используемый в таком контексте, не предполагает каких-либо сознательных или намеренных действий в анализируемых системах (даже говоря о целостном организме, мы ограничиваемся исследованием физиологического уровня регуляции, не включая в рассмотрение его поведенческие реакции). [c.30] Таким образом, проблема анализа целей в биосистемах в нашем контексте оказывается весьма близкой задаче изучения характеристик и свойств биосистем в их конечных состояниях. Однако, характеристики конечного состояния, достигаемого в живых системах, настолько разнообразны, что вопрос о целях в теории биосистем все еще недостаточно ясен. [c.31] Живые системы — многоцелевые в том смысле, что при их анализе можно указать множество полезных свойств, которые достигаются в различных ситуациях и при разнообразных внешних воздействиях. Анализ целей в живых системах усложняется и тем, что эта проблема может обсуждаться на разных уровнях организации, и рассмотрение часто не связывается с конкретными условиями окружения биосистем и условиями их функционирования. Относительно мало внимания уделяется и таким вопросам, как иерархия целей в живой природе, хотя в сложных многоуровневых структурах, характерных для биосистем, анализ глобальных целей системы и целей ее подсистем может оказаться полезным и интересным. При построении дерева целей живой природы можно было бы с успехом использовать идеи и результаты исследований сложных технических систем [73, 93, 127]. [c.31] Здесь мы рассмотрим только один аспект проблемы целей в живых системах, связанный с зависимостью результата функционирования системы от условий окружающей среды. Биосистема при этом будет рассматриваться как целостное структурное образование на данном этапе эволюционного процесса. Поэтому, если считать, что целью живой природы является получение эволюционной пластичности и организменной устойчивости [248], то мы будем иметь дело только со второй компонентой этой цели — устойчивостью сложившейся биосистемы. В частности, мы не будем касаться представлений о наилучшей приспособленности биосистем к среде как максимальной скорости размножения организмов, что восходит еще к идеям Дарвина (см., например, [77, 161, 190, 233]). [c.31] ЖИЗНИ коалиции аналогичных систем [82]. Нам представ -ляется, что в качестве такой цели живой природы в целом можно принять стремление к самосохранению , — писал А. А. Ляпунов [ПО]. [c.32] Но достижение цели самосохранение определяется, во-первых, способностью обеспечить свою жизнь необходимыми ддя этого средствами и, во-вторых, защитой выполняемых жизненных функций от неблагоприятных внешних воздействий [248]. Эти две стороны сохранительных свойств тесно связаны между собой и лежат в основе всех классических представлений о самосохранении биосистем. [c.32] Первая сторона сохранительных свойств биосистем обычно связывается с представлениями Клода Бернара. Клод Бернар писал, что организм имеет внешнее окружение и внутреннюю среду, и подчеркивал, что именно постоянство внутренней среды является условием свободной и независимой жизни. все жизненные механизмы, как бы разнообразны они ни были, имеют только одну цель, сохранение постоянства условий жизни во внутренней среде... ([270], см. также [3]). Эти представления легли в основу концепции постоянства внутренней среды организмов и биосистем вообще — концепции гомеостаза. [c.32] Другая сторона сохранительных свойств биосистем связана с необходимостью обеспечить адекватный приток веществ и энергии в биосистему извне, чтобы уравновесить их расход внутри системы, обеспечивая тем самым стационарное неравновесное состояние. [c.32] Оперируя понятиями темпов и уровней, рассмотренными в предыдущем разделе, можно уточнить, что речь идет, с одной стороны, о сохранении постоянства условий внутренней среды — о поддержании неизменных уровней вещества и энергии внутри системы, а с другой — о регулировании темпов потоков вещества и энергии, которыми система и ее элементы обмениваются со средой. [c.32] В биокибернетике обычно основное внимание уделяется постоянству внутренней среды регулированию потока веществ отводится относительно малая роль, и зачастую проблема регулирования скоростей и темпов потоков в биосистемах выпадает из поля зрения исследователей. [c.32] В то же время в классической физиологии регуляции темпов поступления веществ придавалось большое значение, начиная с работ И. М. Сеченова. Посмотрим теперь на регуляцию прихода с расходом... Механизмов, поддерживающих равновесие между ЭТИМИ двумя величинами, в животном теле очень МНОГО , — писал он в I860 г. [193, стр. 529]. [c.33] Большое внимание в биокибернетике уделяется еще одному желаемому результату живых систем — высокому качеству их функционирования — эффективности, экономичности, надежности. Часто для этих свойств биосистем используется терминология оптимальных систем [82, 175, 230, 231]. Анализу проблемы оптимальности биосистем ниже посвящена отдельная глава, сейчас же мы рассмотрим только некоторые соотношения иерархического порядка между тремя выделенными выше целями — обеспечением стационарного неравновесного состояния или, что то же самое, адекватного снабжения системы (регуляция темпов потоков вещества и энергии), обеспечением постоянства внутренних условий — гомеостаза (регуляция уровней вещества и энергии) и, наконец, достижением высокого качества функционирования биосистем. [c.33] Для простоты мы ограничимся только стационарными режимами работы биосистем, когда условия окружения фиксируются на различных уровнях, а система достигает уравновешивания со средой. Рассмотрим теперь, какие цели и в какой степени могут быть достигнуты в тех или иных условиях окружающей среды. [c.33] Впервые сопоставление двух целей биосистем, связанных с управлением темпами потоков вещества и с регуляцией постоянства внутренней среды, было сделано, вероятно, И. М. Сеченовым в I860 г. Обсуждая регуляцию прихода с расходом , он писал Приход и расход минеральных веществ равны между собой, и это есть, конечно, ручательство за то, что содержание этих веществ в организме остается постоянным [193, стр. 527— 529. [c.33] Сонечно, постоянство внутренней среды достигается с большим трудом, чем просто равенство притока и расхода, и представляет поэтому более высокий результат в системе. Совокупность точек равновесия, построенная для некоторой переменной внутренней среды ( какого-либо уровня вещества) в зависимости от внешних условий, имеет характерный вид платообразной кривой с пологим участком посередине и двумя более крутыми— по краям. Эта кривая целиком располагается в области, где равенство притока и расхода (стационарность) обеспечено. [c.33] Такая кривая называется иногда регуляционной характеристц-кой [166]. Ниже мы специально рассмотрим эту зависимость, которую будем называть также гомеостатической кривой (разд. 2.3, рис. 2.1). Платообразный характер этой кривой свидетельствует, что постоянство внутренней среды обеспечивается в системе в относительно узком диапазоне внешних условий по сравнению со всем диапазоном, в котором поддерживается равенство притока с расходом , т. е. при ухудшении условий окружающей среды уравновешивание со средой наступает при все больших и больших сдвигах внутреннего состояния биосистемы. И нарушается гомеостаз уже тогда, когда равенство притока и оттока еще сохраняется. Можно сказать поэтому, что сохранение равенства темпов притока и расхода веществ является целью первого порядка в биосистеме эта цель достигается в первую очередь и поддерживается в более широком диапазоне внешних условий. Поэтому приведенное выше высказывание И. М. Сеченова можно перефразировать следующим образом равенство темпов прихода и расхода вещества является необходимым условием постоянства уровней вещества в системе. В свою очередь постоянство уровней является достаточным условием равенства темпов притока и расхода. [c.34] в биохимических системах регуляция направлена на поддержание скоростей протекающих в них реакций [17, 72, 103, 289]. Однако эта регуляция приводит к тому, что и концентрация веществ часто оказывается постоянной в некотором диапазоне изменения условий внешней среды — система оказывается эластичной в изменяющихся внешних условиях [72]. [c.34] Нарушение энергетического снабжения биосистемы (невозможность обеспечить равенство темпов прихода и расхода веществ), а не нарушение условий внутренней среды является пределом жизни биосистем. Необходимым критерием границы физиологического приспособления служит нарушение законов обмена , — писал Э. С. Бауэр [26]. [c.34] Когда баланс темпов притока и расхода веществ обеспечен, появляется возможность достижения цели второго порядка — создания таких условий функционирования внутри системы, которые не зависели бы от изменения окружения — гомеостаза. По словам С. Лема, гомеостаз — так ученые называют стремление к равновесию, т. е. к существованию вопреки изменениям,— создал известковые и хитиновые скелеты, противодействующие силе тяжести, обеспечил подвижность посредством ног, крыльев и плавников, облегчил пожирание с помощью клыков, рогов, челюстей и пищеварительных систем и в то же время защитил от пожирания панцирями и камуфляжами и дошел на этом пути освобождения от внешней среды до регуляции, обеспечивающей постоянство температуры тела... [102, стр. 24]. [c.34] Вернуться к основной статье