Теория управления и биосистемы. Анализ сохранительных свойств - Новосельцев В.Н.
Скачать (прямая ссылка):
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.
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.
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].
Конечно, 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.
Такая кривая называется иногда регуляционной характеристикой [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.
Так, 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].
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].
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].
Наличие гомеостаза открывает (в эволюции), возможность дальнейшего совершенствования свойств управляющих механизмов в живых системах. В частности, гомеостаз позволяет внутренним клеткам и органам живых систем работать в наилучших возможных условиях и не расходовать энергию и управленческие ресурсы на создание и функционирование специальных сохранительных систем внутри организмов [117].
