Теория управления и биосистемы. Анализ сохранительных свойств - Новосельцев В.Н.
Скачать (прямая ссылка):
оптимальной конструкции служит модель ветвящегося сосудистого русла (диаметры сосудов, места и углы ответвлений, рассчитанные на основе гипотезы об оптимальной конструкции, хорошо совпадают с экспериментальными данными 1171. 173, 282]).
Биологические системы управления по Р. Розену также подвергаются действию естественного отбора, и поэтому из принципа оптимальной конструкции непосредственно следует, что можно говорить и об оптимальных механизмах регулирования их функций. В книге, однако, круг биосистем, где реализуется принцип оптимальности, ограничен лишь организмами; по мнению ее автора, в популяциях возникают хотя и хорошие, но не оптимальные способы защиты от изменений условий среды [175, стр. 119—120].
Хотя принципы оптимальности и распространяются на механизмы управления в организме, в качестве примера в книге приводятся, однако, не оптимальные системы управления, подобные рассмотренным выше в разд. 4.1, а механизмы минимизации сигнала рассогласования в обычных моделях следящих систем (терморегуляция, дыхательный хемостат, регуляция величины зрачка). В целом концепция оптимальности в форме, предложенной Р. Розеном, вызывает возражения у целого ряда авторов. Поэтому следующий раздел мы посвятим рассмотрению недостатков этой теории.
4.4. Критика концепции оптимальности в биологии
Представления о том, что все живые системы могут рассматриваться как оптимальные системы управления, подвергаются критическому рассмотрению с различных исходных позиций. Мы попытаемся проследить три таких подхода, суть которых приблизительно можно выразить следующим образом:
1. Эволюция и естественный отбор не приводят к созданию оптимальных биосистем.
2. Биосистемам не нужна оптимальность в том смысле, каи она понимается в теории управления.
3. Понятие оптимальности биосистемы не соответствует постановке задачи об оптимальных системах в теории управления.
Разумеется, порядок расположения этих подходов не связан с их относительной важностью или значимостью, а определяется лишь удобством изложения. Итак,
1. Эволюция не приводит к созданию оптимальных биосистем. Прежде чем обсуждать вопрос по существу, отметим одно обстоятельство философского плана, которое при рассмотрении оптимальности биосистем обычно не
принимается в расчет. Дело в том, что экстремальные принципы неживой природы и экстремальные принципы эволюции живых систем — категории весьма разного порядка. Неизвестно, являются ли экстремальные законы неживой природы результатом какого-либо процесса эволюции материи: по крайней мере, в доступном человечеству масштабе времени эти законы выступают как неизменные данности — стационарные свойства Вселенной. Если процессы эволюции этих данностей и представляют собой реальность, то либо они давно «затухли», либо протекают в том же темпе, в каком происходят другие процессы во Вселенной, например, ее расширение.
Эволюция живых систем, наоборот, протекает довольно быстро. Самые медленные процессы эволюции происходят в геологических масштабах времени, самые быстрые — на наших глазах. Быстрая эволюция микроорганизмов и вирусов (в том числе часто и благоприятная для человека), резкие изменения, а иногда и дезинтеграция, эволюционно сложившихся биогеоценозов при интенсивном загрязнении среды — этими примерами далеко не исчерпывается список быстрых эволюционных сдвигов в биологических системах, которые происходят на глазах человека.
Эволюционный процесс идет по своего рода экстремальным траекториям. Но успевают ли эти траектории достичь стационарных точек? Пусть биосистемы проявляют тенденцию к улучшению своей структуры, своего функционирования в процессе эволюции, но на каком же этапе стремления к оптимальному уравновешиванию со средой они находятся в каждый данный момент эволюционного процесса? Так, принцип исключения Гаузе гласит, что два вида не могут неограниченно долго существовать в одной нише; один из них в конце концов должен быть полностью вытеснен. Этот принцип, обсуждение которого можно найти в [212], определяет лишь асимптотическое состояние модели системы, состоящей из двух видов; сам же процесс вытеснения может длиться достаточно долго.
В палеонтологии не вызывает сомнений факт длительного сосуществования в одном и том же ареале видов-аборигенов и более высокоорганизованных видов-пришельцев, постепенно вытесняющих первоначальное население: «...вытеснение организмов, уже занимающих известное местообитание, иммигрантами, в общем лучше вооруженными для борьбы за жизнь,... требует более или менее значительного времени» [61]. Напомним, что речь здесь идет о геологическом времени.
Ясно также, что в течение столь длительных периодов времени могут претерпевать существенные изменения сами условия окружающей среды. Это обстоятельство учитывается в работах по математической теории отбора и эволюции (см., например,
[231, 233]). Будь условия существования неизменными, стационарный режим в эволюирующей системе мог бы быть достигнут, но ведь условия существования не определяются только относительно стабильными абиотическими факторами — в отличие от предположения Р. Розена, популяция существует в условиях биогеоценоза, организм — в популяции, биогеоценоз — в биосфере. Изменяясь в эволюции, каждая биосистема изменяет и условия своего обитания — структуру биосистемы более высокого уровня, элементом которой она является. Среда, в которой эволюирует биосистема, меняется во времени с той же скоростью, что и сама биосистема. Инженеры знают, что в таких условиях оптимума достичь нелегко.
