Теория управления и биосистемы. Анализ сохранительных свойств - Новосельцев В.Н.
Скачать (прямая ссылка):
Нарушение гомеостаза автоматически влечет за собой изменение режимов внутренних органов и систем и, возможно, ухудшение их характеристик. Таким образом, цель «гомеостаз», вероятно, оказывается проще достижимой, чем получение наилучших свойств биосистемы. Гомеостаз является необходимым условием высокого качества биосистем.
Этот вопрос, однако, не был до последнего времени предметом сколько-нибудь широкого обсуждения, хотя на отдельных уровнях организации биосистем он и поднимался. Так, в экологии «зрелое сообщество... очень часто способно буферить (тормозить) физическое окружение в гораздо большей степени, чем молодое. Таким образом, с эволюционной точки зрения достижение уровня стабильности или гомеостазиса более важно, чем просто повышение продуктивности» [148].
Подводя итог сказанному, можно установить следующий порядок достижения целей в биосистеме для случая установившихся режимов, возникающих при различных фиксированных условиях окружающей среды. Наиболее важной и достигаемой в первую очередь целью является поддержание стационарного неравновесного состояния. Эта цель может быть сформулирована как поддержание равенства темпов потоков вещества и энергии, поступающих в систему и покидающих ее. После этого возникает возможность поддержания постоянства внутренней среды — гомеостаза, что является целью второго порядка. Наконец, если обе эти цели достигнуты, возможно прогрессирующее улучшение качества процессов в системе. В этой ситуации можно говорить об энергетической эффективности, оптимальной конструкции, получении максимальной надежности функционирования и т. д. Однако достижение максимально высоких показателей в биосистемах является уже целью третьего порядка по сравнению с поддержанием стационарного неравновесия и гомеостаза.
По крайней мере, очевидно, что такие качества, как максимальная надежность системы, означающая способность к безотказному функционированию в широком интервале условий окружения, относится именно к наилучшим внешним условиям (эти условия часто' называют адекватными [82]). В неадекватных условиях система вынуждена адаптироваться к среде, и это ведет к определенному напряжению регуляторных механизмов
и перестройке их функционирования [2, 20, 219J. Аналогичное рассуждение применимо не только к надежности, но и к другим свойствам биосистем, в обеспечении которых принимает участие множество механизмов. Исчерпание ресурсов этих механизмов при ухудшении условий среды может повлечь за собой снижение качества процессов в системе. Жизнедеятельность в неадекватных условиях требует включения дополнительных механизмов реакций, и система переходит сначала в состояние напряжения, а затем — патологии [185, 197, 201]. В отличие от нормального режима, который «обеспечивает оптимальные условия жизнедеятельности (в некоторых пределах, выработанных в процессе эволюции), аварийный режим преследует цель прежде всего обеспечить самосохранение системы при действии патологического фактора» [22].
Рис. 1.9 иллюстрирует иерархию трех типов целей в живых системах. Пусть V\ и Уг — некоторые переменные, описывающие
Рис. 1.9. Иерархия целей в биосистеме. Самосохранение системы связано с обеспечением стационарного неравновесия — равенства темпов расхода и притока веществ, что является иерархически наиболее важной целью, обеспечиваемой в системе в первую очередь. Другой целью, иерархически менее важной, является поддержание постоянства внутренней среды. Первая цель достигается в более широкой области изменения условий окружающей среды, вторая — в более узкой, Заштрихована область ?2^, в которой система может иметь иаилучшне (оптимальные) характеристики. Пунктиром показана область, в которой система может существовать только ограниченное время; н Vi — переменные внешней
среды.
стационарные свойства окружающей среды. Эти сигналы будем рассматривать как постоянные возмущения. Тогда на плоскости (v\, v2) можно выделить область ?2S, где регуляторные механизмы системы обеспечивают существование стационарных режимов, и меньшую область Qh, в которой поддерживается гомеостаз. Наконец, условно можно выделить и еще более узкую область для которой характерно наиболее высокое качество функционирования биосистемы в указанном выше смысле. Разумеется, границы между этими областями можно выделять лишь приближенно.
По мере ухудшения условий в системе происходит «отказ» от иерархически менее важных целей, связанных с получением «оптимальных» характеристик (область . Дальнейшее ухудшение условий приводит и к потере гомеостатических свойств (выход изображающей точки за пределы области Q/t), а затем и к потере способности системы обеспечить стационарный режим при выходе за пределы области Qs. В этом случае жизнедеятельность системы может поддерживаться лишь некоторое ограниченное время за счет запасов вещества и энергии, имеющихся в системе, и расход которых временно позволяет сохранять равенство темпов расходования веществ в местах их траты и темпов поступления веществ к этим местам из «депо» внутри системы. Эта область показана на рис. 1.9 пунктиром. Отметим, что под свойствами среды могут пониматься не только ее физические или химические характеристики, но и переменные, описывающие биологическое окружение данной биосистемы.
