Теория управления и биосистемы. Анализ сохранительных свойств - Новосельцев В.Н.
Скачать (прямая ссылка):
Таким образом, само строение биосистемы отражает здесь две главнейшие ее характеристики — процессы обмена веществ (открытый характер) и процессы управления.
1.3. Принцип биологического эпиморфизма
Как бы ни отличались организмы по своей физико-химической конструкции, отношения между их биологическими свойствами (такими как перемещение организма, процессы получения и использования пищи, выделительные процессы) остаются всегда одними и теми же, т. е. инвариантны для всех организмов. Однако перечисленные функции у высших организмов по сравнению с такими же функциями у низших включают намного больше элементарных компонент, элементарных процессов. «Значит, природа соответствия между процессами или биологическими свойствами высших и низших организмов такова, что одному элементарному процессу у низшего организма соответствует несколько элементарных процессов у высшего» [172]. Поскольку такое соответствие называется в математике эпиморфизмом, сам принцип эпиморфного отображения организмов друг на друга был назван принципом биологического эпиморфизма.
Принцип биологического эпиморфизма был предложен Н. Ра-шевским [172, 347, 348] для сравнительного анализа аналогичных процессов или свойств у разных типов организмов.
Нас интересуют сейчас процессы управления в биосистемах. Поэтому мы можем сформулировать принцип биологического эпиморфизма применительно к управляющим механизмам биологических систем. Механизмы управления, обеспечивающие основные биологические свойства высших и низших организмов, таковы, что они находятся в эпиморфном отношении: одному элементарному механизму управления у низших организмов соответствует множество элементарных механизмов у высшего.
В дальнейшем изложении этот принцип окажется для нас очень и очень важным. Дело в том, что в процессе накопления сложности сами биосистемы могут приобретать новые регулятивные свойства. Рассмотрим, например, способность различных биосистем к адаптации. В простой системе адаптация связана с изменением относительно небольшого числа элементарных процессов, и приспособительные возможности системы ограничены тем, что эти процессы поочередно выходят на некоторые граничные, предельные режимы. Когда «последний» из процессов выйдет на такой режим, способность системы к дальнейшей адаптации окажется исчерпанной. Очевидно, чго в сложной эпиморфной системе возможности к адаптации могут быть значительно большими, чем в простой.
Аналогичным образом можно связать с биологическим эпиморфизмом и возникновение гомеостатических свойств в системе, понимаемых как малая чувствительность ее управляющих механизмов к вариациям внешней среды. В соответствующих разделах (7.4—7.7) мы подробно рассмотрим этот вопрос. Сейчас же мы лишь вкратце коснемся его. Когда некоторая функция в простой системе обеспечивается малым количеством механизмов, на долю каждого из них приходится относительно большая нагрузка. В ответ на внешнее возмущение реакция каждого механизма оказывается ощутимой — механизмы чувствительны к изменениям, происходящим в среде. В эпиморфной системе, где таких механизмов много больше, их одновременное включение может привести к уменьшению нагрузки, приходящейся на каждый элементарный процесс, каждый регулятор. В результате чувствительность каждого из регулирующих механизмов к возмущениям становится меньше — возникают гомеостатические свойства.
Ниже мы будем говорить о позднем (в эволюционном плане) возникновении гомеостаза у организмов (разд. 2 4), а при рассмотрении вопросов моделирования гомеостаза специально остановимся на соотношении «сложность — качество». Сложные процессы возможны только в системе, богатой связями между элементами Эпиморфизм, возникающий в ходе эволюции, как раз и способствовал возникновению сложной системы связей между элементарными компонентами организмов; на определенном этапе развития этих связей «хватает» не только на то, чтобы поддерживать жизнедеятельность системы, обеспечивая нужные ей темпы потребления вещества и энергии, но и на достижение малой чувствительности переменных внутренней среды к внешнему окружению.
Интересно, что аналогичные процессы наслоения качеств по мере накопления структурной сложности происходят и в сложных технических системах. Сначала возникает обычная устойчивость, затем способность системы хорошо функционировать при помехах — помехоустойчивость, затем управляемость и, наконец, способность системы к самоорганизации [220].
1.4. Открытые системы
Понятие открытой системы впервые было введено в обиход биологической науки Л. фон Берталанфи в 1932 г. [271]. Для такой системы характерно, что в нее постоянно извне вводятся вещества, которые внутри системы подвергаются различным реакциям. В результате процессов анаболизма в системе возникают компоненты более высокой сложности, утилизируемые организмом. Одновременно идут процессы катаболизма, конечные
продукты которого выводятся из системы. Совокупность процессов анаболизма и катаболизма называется метаболизмом.
Одной из наиболее характерных черт открытых систем является то, что в них достигается состояние подвижного равновесия. При этом структура системы остается постоянной, но это постоянство сохраняется в процессе непрерывного обмена и движения составляющих ее веществ.
