Теория управления и биосистемы. Анализ сохранительных свойств - Новосельцев В.Н.
Скачать (прямая ссылка):
В теоретической биологии складывается противоположная традиция: пассивные механизмы относятся к системам управления. Термин «пассивная система управления» введен У. Р. Эшби [259] и вошел в учебники по теории управления для биологов [130]. Пассивный характер управления в живых системах означает, что «если заданы всеобщие химические и физические законы, а также компоненты и организация живой системы..., то для поддержания стационарного состояния или возникновения характерных ответов системы не требуется какой-либо метаболической работы» [216, стр. 15].
Одна из причин того, что пассивные регулирующие механизмы в живых системах относятся к системам управления, состоит в следующем. Если в неживой природе можно указать множество объектов, в которых присутствуют одни лишь пассивные механизмы, как в упомянутом выше примере с мостом, то в живых системах пассивные механизмы управления сплошь и рядом составляют только «нижний этаж» иерархических управляющих структур, на который накладываются следующие этажи, составленные уже из активных механизмов управления.
Как мы увидим, многие интересные черты гомеостатического поведения биологических систем получают простое объяснение, если биосистема представляется в виде элемента, охваченного «пассивной» связью, которая затем дублируется активными обратными связями (см. разд. 7.4, 7.8). Для физиологических систем, например, взаимодействие пассивной и активной регуляции приводит к возникновению характерной зависимости переменных внутренней среды от окружающих условий — так называемой регуляционной или гомеостатической кривой (см. разд. 2.3 и 8.2).
Если пассивное управление в равной мере присутствует в живой и неживой природе, то активное управление в природе специфично только для биосистем.
Активное управление требует от биосистемы метаболических затрат, поскольку управление осуществляется специальными механизмами, обособленными от элементов системы, которыми они управляют. В этом смысле активное управление является внешним, подобно тому, как пассивное управление является внутренним.
Внешние управляющие механизмы «накладываются» на внутренние, образуя вместе с ними единую систему замкнутых контуров управления, комплекс прямых и обратных связей в системе. В живых системах, в отличие от рассмотренных выше технических систем, пассивное управление также может быть представлено в виде обратной связи.
Внешние механизмы управления организованы так, что любое возмущение v на систему, изменяющее ее состояние, обнаруживается (либо непосредственно, либо по тем эффектам в системе, которые обусловлены этим возмущением) при помощи специальных чувствительных элементов. Сигнал с чувствительного элемента поступает на внешние элементы контура, где обрабатывается, в результате чего вырабатывается ответный управляющий сигнал, противодействующий влиянию возмущения на систему.
Рис. 1.5. Наложение контура внешнего активного управления на внутренние механизмы управления. Возмущение v изменяет реакцию А -< у В; эффект D воспринимается чувствительным элементом 5, сигнал с которого поступает в устройство обработки информации М. Исполнительный элемент (эффектор) R формирует управляющий сигнал, парирующий действие возмущения v; у\—входной поток веществ, у2 — выходной поток.
На рис. 1.5 показано, как простой внешний контур активного управления накладывается на внутренний механизм пассивного управления в метаболической структуре биосистемы [216]. В реальных биосистемах имеется множество механизмов пассивного управления, на которые накладываются многочисленные механизмы активного управления. На рис. 1.6 представлена схема наложения активных механизмов регуляции на пассивные механизмы окислительных процессов в системе
физиологического уровня — системе кислородного снабжения организма. Показанное на рисунке изображение является интерпретацией в терминах активного и пассивного управления схемы, приведенной в [9, 10].
Активные механизмы регуляции, по всей видимости, широко распространены и на клеточном уровне. Хотя фактически о тех специфических стадиях регуляторных процессов, где происходит потребление метаболической энергии, известно очень немного, нет сомнений в том, что в метаболизме клетки «должны
Рис. 1.6. Наложение активных механизмов регуляции на пассивные механизмы окисли* тельных тканевых процессов. Система окислительных процессов в тканях обладает само-регуляторными свойствами, основу которых составляют пассивные меха1измы регуляции Механизмы активной регуляции составляют высший этаж управляющей системы. В схеме рассматриваются следующие активные механизмы регуляции: целенаправленные изменения дыхательного объема, жизненной емкости легких, объема резервного воздуха, глубины вдоха, частоты дыхания, ударного объема серща, частоты пульса, объемной скорости кровотока, величины сопротивления сосудов, количества гемоглобина в крови, величины кислородной емкости крови и, наконец, эритропозза.
существовать и будут, несомненно, обнаружены какие-то специальные пункты ' подачи энергии в регуляторный процесс» [98]. Возможно, одним из технических аналогов активных регулирующих процессов клеточного и субклеточного уровня является механизм случайного поиска [169]. Своеобразная модель механизма активной регуляции в субклеточных структурах была исследована в работе [59]. Этот механизм представляет собой реализацию случайного поиска на уровне митохондриальных структур нейронной клетки, целью которого является «оптимизация энергетического режима нервной клетки».
