Очерки адаптации и биологии и технике - Лабутин В.К.
Скачать (прямая ссылка):
Для построения теоретических моделей гомеостатических механизмов часто привлекают классическую теорию технических систем автоматического регулирования, основной идеей которой является принцип обратной связи. Подобные модели описаны, например, Ф Гродинзом [23] применительно к системе регулирования дыхания (дыхательный хемостат) и сердечно-сосудистой системе. Они полезны для биологов, стремящихся облечь основные черты функционирования важных систем организма в математические соотношения, и позволяют пополнить арсенал медицины количественными описаниями новых, экспериментально контролируемых характеристик организма. В то же время существенные упрощения, неизбежные при вписывании гомеостатических механизмов в классические структуры следящих систем, могут привести к исключению из поля зрения наиболее интересных с точки зрения бионики особенностей биологических систем.
Одна из таких особенностей положена в основу теории «уль-трастабильных» систем, развиваемой английским кибернетиком У. Р. Эшби [85]. Построенная им техническая модель такой системы, названная гомеостатом, имитирует процессы стабилизации существенных переменных в условиях, когда заранее неизвестно, в каком направлении надо изменять несущественные переменные.
Гомеостат Эшби состоит in четырех одинаковых блоков (рис. 4). В каждом блоке имеется гальванометр, стрелка которого связана с движком реостата R. Электромагнит гальванометра снабжен обмогкамн, получающими питание чере; реостаты гальванометров других трех блоков и через переключатели П, изменяющие направление тока в этих обмотках. Переключатели срабатывают в случае, если стрелка гальванометра достигает крайнего положения. В оригинальной модели Эшби
сеть н другие вспомогательные элементы, не имеющие принципиального значения.
Если установить стрелки гальванометров и переключатели в случайные положения н включить питание, то сразу начнется перемещение стрелок и связанных с ними движков реостатов всех гальванометров, поскольку перемещение стрелки каждого гальванометра изменяет токи, поступающие в обмотки остальных гальванометров. При этом в редких случаях движение прекращается раньше, чем стрелка хотя бы одного гальванометра отклонится до упора. Но в последнем случае произойдет изменение направления тока в какой-нибудь обмотке, и направление перемещения стрелки соответствующего гальванометра'изменится на противоположное. Спустя большее пли меньшее число таких циклов гомеостат сам находит такое взаимное соединение обмоток и реостатов, при котором вся система оказывается в равновесии и стрелки гальванометров останавливаются в промежу-[очных положениях, не доходя до упоров.
Аналогичные процессы можно наблюдать, если по достижении гомеостатом равновесия принудительно отклонить стрелку какого-нибудь гальванометра или переключить направление тока в одной из обмоток.
Существенными переменными .дась являются положения стрелок, которые в стационарном состоянии не должны доходить до границ, определяемых упорами.
Вообще говоря, эта модель ближе к механизмам простых поведенческих адаптаций, основанных па методе проб и ошибок. Тем не менее, в теорию этой модели введено важное для более широкого класса адаптаций, в том числе физиологических, представление о так называемых ступенчатых функциях. Это — скачкообразное изменение рабочих характеристик или структуры системы, возникающее в случае, если действовавший до этого механизм не смог справиться с задачей стабилизации. Именно такого рода ступенчатыми функциями являются подключения новых, более мощных механизмов регулирования (мышечного, дыхательного в системе терморегуляции), когда вследствие сильного изменения внешних условий (температуры) первоначально введенные механизмы (окислительный, кровеносный) оказываются недостаточными. Кроме того, ступенчатые функции резко расширяют ассортимент доступны^ состояний системы и являются мощным средством обеспечения устойчивости систем с большим числом взаимосвязанных переменных.
Множественность механизмов регулирования и наличие ступенчатых функций обнаруживается и при изучении процессов поддержания нормального соотношения между кислородом и углекислым газом в крови человека. Первой реакцией организма на недостаток кислорода оказывается учащение дыхания и увеличение глубины вдоха. Если этой меры недостаточно для возврата к норме отношения С02/02 в крови, то происходит учащение пульса, причем возрастает количество гемоглобина, проходящего через легочные капилляры за единицу времени. После этого могут еще вступить в действие химические механизмы, свойственные крови, которые позволяют повысить коэффициент поглощения кислорода гемоглобином. Наконец, в резерве остаются аварийные механизмы, такие, как усиление функции кроветворения, повышающей содержание гемоглобина в крови.
Использование широкой сети датчиков не только регулируемой величины, но н воздействий, способных ее изменять, и наличие целого ряда регулирующих механизмов различной природы и мощности в сочетании со ступенчатыми функциями управления придают гомеостатическим системам завидную эффективность, гибкость и высокую надежность.
