Теория управления и биосистемы. Анализ сохранительных свойств - Новосельцев В.Н.
Скачать (прямая ссылка):
В перспективе возникает уже и вопрос о сохранительных свойствах и ресурсах биологических и социальных систем в масштабах планеты. «Биосферный мониторинг... должен обеспечивать наблюдения, контроль и прогноз возможных изменений уже не в региональном (экосистемном), а в глобальном масштабе, т. е. в отношении биосферы в целом как среды жизни всего человечества и ее изменений, вызванных деятельностью общества», — пишет И. П. Герасимов [52].
Разными путями решаются задачи анализа сохранительных способностей биологических систем на различных уровнях организации жизни, но по мере развития биохимии, физиологии, экологии, разработки все более и более мощных и совершенных методов исследования постепенно проявляется определенная общность механизмов самосохранения объектов живой природы от клеточного и субклеточного до популяционного и экологического уровня. Все большую роль при анализе процессов самосохранения начинают играть количественные методы исследования, в том числе и методы теории управления, применению которых для изучения сохранительных свойств биосистем посвящена настоящая книга.
Самосохранение объектов живой природы является одним из основных свойств, лежащих в основе жизненных явлений. «Сохраняются только такие составляющие живой природы, в которых стремление к самосохранению выражено достаточно ярко», — писал А. А. Ляпунов [110].
Понятие самосохранения имеет в применении к биологическим системам два аспекта. Прежде всего самосохранение биосистемы означает ее способность поддерживать в изменяющихся условиях функционирования и окружающей среды стационарное неравновесное состояние, т. е. обеспечивать энтропийный баланс в системе и баланс вещества и энергии. Другой, не менее важный аспект сохранительных свойств биосистем связан с поддержанием гомеостаза — постоянства существенных для жизнедеятельности системы переменных при наличии возмущений во внешней среде.
Живые системы — это необычайно сложные формы, возникшие в результате долгого эволюционного процесса, с сильно выраженными способностями к адаптации, приспособлению и эволюции, обладающие иерархической структурой и представляющие собой интеграцию многих гетерогенных элементов и подсистем. В этой книге мы будем касаться далеко не всех вопросов, связанных со сложностью, иерархией, гомеостазом и адаптацией живых систем, ограничиваясь в основном лишь теми их сторонами, где современные методы теории управления
позволяют понять или уточнить механизмы функционирования биосистем, выяснить, как образуются определенные свойства в биологических структурах, дать количественные методы и критерии их оценки.
Книга написана специалистом по теории управления и с позиций этой теории. Рассчитанная на читателей-физиологов, биологов, медиков, инженеров и специалистов по теории управления, книга содержит разделы, по-разному интересные для специалистов разных дисциплин.
Первая часть книги в основном носит обзорный характер и посвящена рассмотрению общебиологических представлений о гомеостазе и сохранительных способностях биосистем, с одной стороны, и изложению идей и методов теории управления — с другой.
В гл. 1—2 рассказывается о специфических характеристиках биологических систем на разных уровнях организации жизни. Материал этих глав излагается на биологическом языке, но цель их написания состоит не только в том, чтобы суммировать содержательные сведения о сохранительных свойствах биосистем на различных уровнях организации жизни. Эта часть написана под углом зрения специалиста по теории управления, отражающим идею целостности биосистемы, мысль о единстве управляющих механизмов биосистемы. Особое внимание здесь уделяется представлениям о сохранительных свойствах объектов живой природы, развиваемым классиками биолопической науки — взглядам У. Кэннона на гомеостаз живых систем и И. М. Сеченова — на регуляцию потоков вещества и энергии через биосистемы.
Гл. 3—5 посвящены идеям и методам теории управления. Здесь следует заметить, что конкретные методы классической теории управления, связанные, например, с анализом передаточных функций, не всегда дают адекватное описание сложных биологических систем. Будучи приспособленными для решения относительно простых задач регулирования со сравнительно небольшим числом управляемых переменных, эти методы подчас малоприменимы для исследования биологических проблем, где даже при грубом упрощении приходится иметь дело с десятками и сотнями переменных и параметров. Таковы, например, задачи анализа биохимических или экологических систем, где рассматривается взаимодействие сотен компонент — различных веществ, участвующих в биохимических реакциях, или видов растений и животных, образующих экологические системы. Несколько проще дело обстоит с анализом систем физиологического уровня, где для описания функционирования таких систем, как терморегуляция, регуляция кислородного режима, требуется обычно не более двух-трех десятков переменных.
Поэтому, хотя процессы управления в живых системах в своей основе имеют много общего с управлением в технических системах, сами конкретные методы классической теории управления должны применяться для анализа биосистем с большой осторожностью. Так, использование простой следящей системы в качестве модели гомеостаза в физиологических системах не позволяет дать сколько-нибудь полной картины процессов адаптации и приспособления. Применение такой простой модели для моделирования процессов в нервной системе может дать описание только самой элементарной ее функции — функции слежения у человека-оператора, и непригодно для описания других ее свойств. Можно ожидать, что новые методы, разработанные в теории управления, в ряде случаев будут более адекватным аппаратом исследования биосистем. В частности, применение метода пространства состояний, разработанного в теории управления в последние годы, позволяет по-новому осветить вопросы гомеостаза в физиологических системах.
