Принцип оптимальности в биологии - Розен Р.
Скачать (прямая ссылка):
В этой главе мы вкратце рассмотрим некоторые встречающиеся в живой природе регуляторные механизмы, которые были исследованы с позиций теории управления или к исследованию которых можно подойти с этих позиций. Эти результаты представляют собой первые шаги в изучении той области, которая обещает стать одним из важных разделов количественной биологии и медицины. К сожалению, имеется ряд факторов, затрудняющих и замедляющих прогресс в этой области; укажем на некоторые из них.
Прежде всего следует подчеркнуть, что большая часть методов, рассмотренных в гл. 8, была развита инженерами, которых в первую очередь интересовали вопросы синтеза систем управления, предназначенных для выполнения точно определенного круга задач В технике свойства тех элементов, из которых должна быть построена требуемая система, хорошо известны, 'и задача инженера состоит обычно в том, чтобы определить выходной сигнал системы при заданном сигнале на ее входе или, реже, восстановить форму входного сигнала по результатам наблюдения некоторого выходного сигнала. В биологии же основная проблема имеет совсем другую природу; здесь требуется путем изучения входных и выходных сигналов системы установить ее структуру л характеристики. При этом возникают задачи, для решения которых обычные инженерные методы невозможно применить непосредственно без серьезных изменений
и модификаций. Такое приспособление старых методов к новым задачам может осуществить лишь исследователь, хорошо знакомый как с математическими и инженерными методами, так и с биологией, а подобная комбинация встречается пока не так уж часто.
Даже такие биологические системы, при изучении которых можно использовать более или менее привычные для инженера методы исследования, создают для исследователя ряд трудностей, вытекающих из собственной природы этих систем, Наиболее серьезные из них связаны с тем, что большинство биологических систем выполняет одновременно несколько различных функций, и поэтому трудно вычленить, как анатомически, так и функционально, те части системы, которые инженер мог бы рассматривать как отдельные компоненты. Вследствие этого биолог никогда не может быть вполне уверен, что он правильно учел все входные сигналы, относящиеся к изучаемой системе, или сумел измерить все ее выходные сигналы. Все это создает ряд методологических вопросов первостепенной важности.
Наконец, отметим, что даже в тех ситуациях, при которых указанные выше трудности удается в определенной мере устранить, механизмы биологического гомеостаза почти всегда оказываются нелинейными. И поэтому для того, чтобы в биологии можно было использовать изящный математический аппарат исследования линейных систем, приходится применять различные методы линейных приближений или обращаться к методам аналогового моделирования.
Все же, несмотря на все эти трудности, некоторые процессы регулирования в биологии в настоящее время довольно хорошо изучены *, и, как мы далее увидим, ценность результатов, полученных при этом количественном анализе, с лихвой окупает затраченные усилия.
1 Кроме тех биологических регуляторных механизмов, о которых мы здесь расскажем, имеется ряд других регуляторных систем, которые в настоящее время начинают изучать количественными методами или теория которых достаточно созрела для применения таких методов. Можно, например, упомянуть о различных системах с обратной связью, участвующих в гормональной регуляции, таких, как система регуляции содержания сахара и инсулина в крови или гипофизарно-щитовидная система (по поводу последней см., например, [64]). Многочисленные примеры механизмов гомеостазядает система кровообращения (о некоторых из них мы уже упоминали раньше). Превосходный обзор многочисленных биологических регуляторных систем был опубликован в 1964 г. [65]. ^
Очень интересный регуляторный механизм, знакомый всем тем, кто проходил хотя бы начальный курс биологии, имеется у растений. Это механизм, основанный на открывании и закрывании устьиц. Хотя он довольно сложен, многие его черты в настоящее время объяснены (см„ например, [66]), и сей-
9.2. Регуляция величины зрачка
Глаз позвоночного дает нам поучительный пример, иллюстрирующий особенности природы биологических систем управления. Функция глаза состоит в том, что он собирает световые лучи, идущие из внешней среды, и формирует из них соответствующее изображение на сетчатке; из этого изображения мозг затем извлекает информацию об окружающей среде. В глазу человека существует сложная система взаимосвязанных регуляторных механизмов, обеспечивающих в каждый момент времени такое состояние глаза, при котором изображение на сетчатке является «оптимальным».
Одна из таких систем, например, связана с фокусировкой изображения на сетчатке, что достигается с помощью так называемого процесса аккомодации. Когда изображение на сетчатке дефокусируется, информация об этом передается охватывающей хрусталик цилиарной мышце, которая играет здесь роль управляющего устройства. Ее сокращение (или расслабление) изменяет радиус кривизны хрусталика (и, следовательно, его фокусное расстояние) таким образом, чтобы изображение на сетчатке вновь сфокусировалось. Благодаря аккомодации изображение движущегося объекта держится все время в фокусе, так что механизм аккомодации можно рассматривать как следящую систему.
