Экзамен Зачет Учебный год 2023 / лекция
.docxПроцессы, протекающие в живых системах, осуществляются во времени упорядоченным образом. Упорядоченность – основа временной организации живых систем. И хронобиология считает, что временная организация живых систем есть один из основополагающих принципов биологической организации.
Хронобиология – междисциплинарная наука, включающая методы и представления других естественнонаучных дисциплин (молекулярной биологии, генетики, биофизики, биохимии, морфологии и др.)
Основная задача хронобиологии- выяснить роль фактора времени в существовании и развитии биологических систем. Для того, чтобы обнаружить изменения в живых системах, хронобиология сравнивает состояния систем как минимум в двух временных точках, разделенных большим или меньшим интервалом.
По характеру зафиксированных изменений выделяют два типа процессов в живом: фазовые и ритмические изменения.
Фазовые изменения – в живой системе последовательная смена стадии какого-либо биологического процесса. Эти изменения характеризуют как нормальное течение процессов в организме, так и реакцию на воздействия.
Ритмические изменения – в живой системе колебательный процесс, приводящий к воспроизведению биологического явления или состояния биологической системы через приблизительно равные промежутки времени.
Очень важно, что для сохранения целостности системы именно осуществляется подстройка биологических ритмов.
Особенности временной организации. Разные ритмы имеют неодинаковую скорость перестройки и колеблются с разной частотой. Наличие в живых организмах ритмически организованных процессов с разным периодом дает возможности приспособления к множеству изменений в окружающей среде. Свойства временной организации живого, позволяющее эволюционировать - это лабильность биоритмов. Если бы ритмическая организация процессов была бы жестко задана, жестко детерминирована, живая система не могла бы меняться в соответствии с требованиями внешней среды. Так, н-р, частота ваших сердцебиений должна изменяться в соответствии с деятельностью, которую вы ведете, если бы этот ритм был жестко заданный, адаптация к изменяющимся условиям среды была бы затруднена. Установлено, что биологические ритмы с одной стороны имеют эндогенную природу и генетическую регуляцию, а с другой их осуществление связано с модифицирующим действием факторов внешней среды, их называют датчиками времени.
Как организм регулирует свои отношения с окружающей средой? У живых организмов важнейший датчик времени - фото периодичность, смена дня и ночи в неживой природе. У высших организмов разные способы регулировки биоритмов через органы зрения, через ритмы двигательной активности. Существует несколько концепций эндогенного регулирования биологических биоритмов: генетическая регуляция, регуляция с участием клеточных мембран, кибернетические модели регуляции. Факт генетической регуляции биоритмов очевиден. Обнаруженные биологические ритмы чувствительности к действию факторов физической и химической природы, н-р, лекарственных средств, это стало основой для хронофармокологии, т.е. способов применения лекарств с учетом зависимости их действия от фаз биоритмов функционирования организма. Знания о закономерностях биоритмов используется при профилактике, диагностике и лечении заболеваний - хрономедицина, при организации режимов труда и отдыха – хроногигиена.
Призываю вас просмотреть дополнительную литературу о хронобиологии человека. Эти знания имеют и теоретическое и прикладное значение. Мы говорим о пространстве и времени, чтобы понять, как с точки зрения современной науки в природе могут протекать процессы самопроизвольного усложнения, перехода от простого к сложному, от отдельных элементов с отдельными свойствами к целостным системам, свойства которых отличаются от свойств элементов. Проблемы самоорганизации в 20 веке стало одной из центральных проблем в науке.
Поговорим о кибернетике как науке, которая сосредоточилась на возможности использовать общий подход к рассмотрению процессов управления в системах разлиной природы в системах, которые достигают нового уровня сложности. Рождение кибернетики принято связывать с именем американского математика Норберта Винера, который в 1948 году опубликовал книгу «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине». Во время Второй мировой войны он занимался исследованиями в области противовоздушной обороны и заинтересовался математическими расчетами и теорией обратной связи. Он исследовал задачу движения самолета при зенитном обстреле и обдумывание, экспериментирование убедили его в том, что система управления огнем зенитной артиллерии должна быть системой с обратной связью, что обратная связь играет существенную роль и в человеческом организме. Когда война закончилась, военный термин «самонаведение» уступил место более мирному слову «самообучение». Эта историю наблюдений из жизни мышей стала хрестоматийной сегодня, она называется «мышь в лабиринте», если грызун, привыкший к запутанным норам, попадает впервые в новый лабиринт, он ведет себя следующим образом, он пытается найти методом проб и ошибок путь, запоминает неверные ходы и не повторяет их в следующий раз. Если мышь запустить в лабиринт еще раз, она уже безошибочно пройдет весь путь. «Мышь в лабиринте» это пример самообучающейся системы. Оставалось создателю хотя бы в деталях описать этакую искусственную мышь, за что Винер и взялся.
Существующие в ту пору вычислительные машины необходимым быстродействием не обладали это заставило Винера сформулировать ряд требований к вычислительным машинам. По сути дела, им были предсказаны пути, по которым в дальнейшем шло развитие электронно-вычислительной техники. По мнению Винера, вычислительные устройства должны состоять из электронных ламп, а не из зубчатых передач или электромагнитных реле, это необходимо, чтобы обеспечивать быстрое действие. Следующее требование состояло в том, что в вычислительных устройствах должна использоваться более экономичная, двоичная, а не десятичная система исчисления и машина, полагал Винер, должна сама корректировать свои действия, в ней необходимо выработать способность к самообучению, для этого машину нужно снабдить блоком памяти, куда бы откладывались управляющие сигналы и те сведения, которые машина получает в процессе работы. Т.е., если раньше машина была только исполнительным органом всецело зависящем от воли человека, то Винер предположил, что техническая система может обладать некой долей самостоятельности. Заслуга Винера в том, что он впервые понял принципиальное значение информации в процессах управления. Говоря об управлении и связи в живых организмах и машинах, он видел главное не просто в словах «управление и связь», а их сочетании. Точно так же как в теории относительности важен не сам факт конечности скорости взаимодействия, а сочетание этого факта с понятием одновременности событий, протекающих в разных точках пространства.
Винера считают отцом кибернетики, науки об информационном управлении. Необходимо заметить, что по существу, ряд научных направлений, составляющих основные положения кибернетики разрабатывался до формирования отдельной предметной области науки кибернетики.
Опишем основные идеи кибернетики. Одной из основных идей кибернетики явился новый взгляд на составляющие, из которых состоит наш мир. Классическое представление о мире, который состоит из материи и энергии перестал существовать. Возникло представление о мире, состоящем из трех составляющих: энергии, метрии и информации. Информация от лат. informatio разъяснение, ознакомление, обозначает меру организованности системы в противоположность понятию энтропия, как мере неорганизованности. Управление — это информационный процесс, информация - пища, ресурс управления. Поэтому кибернетика вместе с тем есть и наука об информации. До кибернетического понятие информации было связано с совокупностью сведений, данных и знаний. Понятие информация в кибернетике уточняется в математических теориях информации - это теория статистической, комбинаторной, топологической, семантической информации.
Концепции информации, которая присутствует в отечественной и зарубежной литературе. Общее понятие информации должно непротиворечиво охватывать все определения информации, все ее виды. К сожалению, такого универсального понятия информации наука еще не выработала. Информация может быть структурной, застывшей. Н-р, в минерале, в металле, составляющим машину, в приборе, в автоматической линии. Любое техническое устройство - это овеществленная научная и техническая информация, но информация может быть функциональной - это связано с актуальным управлением. Информация измеримая величина, она измеряется в битах, как вы знаете из курса информатики, информация, с которой имеет дело компьютер представляется в видео наборов электрических сигналов.
Единица измерения информации бит – сокращение от «Binary digIT».
Единицей информации принято считать состояние единицы или ноль из двух возможных состояний простейшего элемента.
Каковы свойства информации?
Способность управлять физическими, химическими, биологическими и социальными процессами. Там, где есть информация, действует управление. Там, где осуществляется управление непременно наличествует и информация.
Способность передаваться на расстоянии при перемещении инфоносителя.
Способность информации подвергаться переработке.
Способность сохраняться в течении любых промежутков времени и изменяться во времени.
Способность переходить из пассивной формы в активную, Н-р, когда извлекается из памяти для построения тех или иных структур, при синтезе белка, при создании текста на компьютере
Информация существенно влияет на ускоренное развитие науки, системы управления, техники и общества в целом. Политика, политическое управление, экономика – это концентрированная смысловая информация. Она перерабатывается человеческим сознанием, реализуется в социальных сферах. Социальная информация играет огромную роль в обеспечении правопорядка, работе правоохранительные органов, в образовании, в воспитании. Информация - это важный ресурс общества. Без информации немыслимы организованные системы. Именно такими системами является наблюдаемые в природе живые организмы, созданные человеком управляемые системы. Такие системы не просто являются организованными, они сохраняют свою организованность со временем, не растрачивают ее, как следовало бы из второго закона термодинамики. Единственным материальным объяснением факта сохранения организованности становится непрерывное извлечение из внешнего мира потока информации.
Соответственно, кибернетика как наука об управлении имеет своим объектом изучения управляющие системы. Для того, чтобы в системе могли протекать процессы управления, она должно обладать определенной степенью сложности и быть динамичной.
К сложным динамическим системам относятся
живые организмы
социально-экономические комплексы
технические агрегаты
Однако, рассматривая сложные динамические системы кибернетика не ставит перед собой задачу всесторонне изучить их функционирование, хотя кибернетика и изучает общие закономерности управляющих систем, их конкретные особенности находятся вне поля ее зрения. Предметом кибернетики является те стороны функционирования систем, которыми определяется протекание в системах процессов управления, т.е. процессов сбора, обработки, хранения информации и ее использования для цели управления. Когда те или иные частные физико-химические процессы начинают существенно влиять на процессы управления системой, кибернетика должна включать их в сферу исследования, но не как всестороннего исследования, а именно с позиции их воздействия на процессы управления. Н-р, самолет может изучаться как управляемая, а, следовательно, кибернетическая система, когда создается автопилот или решается задача выбрать наивыгоднейшую программу полета. Однако, при решении других задач, тот же самолет может изучаться как тело, испытывающее сопротивление обтекающего его воздушного потока или как конструкция, у которой одни части колеблются относительно других, т.е. предметом изучения кибернетики являются процессы управления в сложных динамических системах.
Основные задачи кибернетики. Цель кибернетики – оптимизировать системы управления.
К основным задачам кибернетики относятся:
установление фактов, общих для всех управляемых систем или по крайней мере для некоторых их совокупностей;
выявление ограничений, свойственных управляемым системам, и установление их происхождения; нахождение общих законов, которым подчиняются управляемые системы;
определение путей практического использования установленных фактов и найденных закономерностей
Система кибернетических знаний.
Теоретическая кибернетика является абстрактной наукой, ее задача разработать научный аппарат и методы исследования систем управления, независимо от их конкретной природы. Именно внутри теоретической кибернетики развивается такие разделы прикладной математики как теория информации, теория алгоритмов, теория игр, исследование операций, и т.п. А вот прикладная кибернетика в зависимости от систем, которые она изучает подразделяется на техническую, биологическую и социальную кибернетику. Пример промежуточного звена между биологической и технической кибернетикой это бионика, наука об использовании моделей биологических процессов и механизмов в качестве прототипов для создания или совершенствования технических устройств.
Бионика - использование моделей биологических процессов и механизмов в качестве прототипов для совершенствования существующих и создания новых технических устройств.
В своей деятельности человек постоянно обращается за помощью к живой природе. Причина особого внимания дизайнеров к законам формообразования живой природы заключается в том, что дизайн как особый вид искусства имеет связь с материальной средой. Живая природа имеет тенденцию в процессе развития стремится к экономии энергии, строительному материалу, времени, т.е. живая природа связана с целесообразностью существования. Поэтому возникла идея о возможности использовать в дизайне не только внешние очертания природных форм, но и закономерности формообразования живых структур. Соответственно, бионика — это наука пограничная между биологией и техникой, наука о применении в технике, в архитектуре, в дизайне принципов организации, свойств, функций и структур живой природы.
Леонардо да Винчи, который пытался построить летательный аппарат с машущими крыльями как у птиц, так вы сразу представите, что такое бионический стил.
Первый пример это то, что заимствовал из природы швейцарский инженер Жорж де Местраль, он гулял с собакой и заметил, что к ее шерсти прилипают какие-то растение и решил причину, определил, что маленькие крючки на плодах сорняка прикрепляются к шерсти собаки и он запатентовал липучку, которая сегодня широко используется при изготовлении одежды.
Второй пример это знаменитый символ Парижа – Эйфелева башня построена по принципам бионики, ее прототипом послужила берцовая кость человека. В 1846 году исследования швейцарского профессора анатомии Мейера привели к неоднозначным выводам, загадка прочности берцовой кости не давала ему покоя. Почему такие сильные нагрузки не приводят к разрушению хрупкой структуры кости? Изучая ее строение, он заметил, что кость покрыта сложной сеткой миниатюрных косточек, которая позволяет равномерно распределять давление по поверхности и исключает деформацию. И когда инженер Карл Кульман использовал эти опыты для создания системы распределения нагрузки с помощью кривых суппортов при строительстве, через 20 лет появилось детище Эйфеля.
Детализируем представления о кибернетике. Один из основных методов кибернетики метод математического моделирования. Кибернетический подход отличается относительностью точки зрения на систему, эта относительность проявляется в том, что одна и та же совокупность элементов в одном случаем может рассматриваться как самостоятельная система, а в другом как часть некоторой большой системы. Свойства и особенности любых объектов не могут быть правильно оценены и учтены без рассмотрения многообразных связей и взаимодействий между отдельными объектами окружающей среды. Для кибернетического подхода характерен учет влияния среды на управляемую систему. Кибернетика считается с наличием случайных факторов, поэтому кибернетика использует статистические методы. Благодаря которым возможна, с точки зрения вероятностного аспекта, предсказывать поведение достаточно сложных систем. Поведение любой управляемой системы всегда изучается с учетом ее связей с окружающей средой. Так, н-р, самолет может менять свое движение, переходить в другие состояния под влиянием управляющих воздействий. Самолет может занимать различные положения в пространстве, может двигаться в разных направлениях, с разной скоростью в зависимости от того, как им управляют.
Но у управляемых систем, всегда есть предел, всегда фиксированное множество возможных изменений, из которого производится выбор предпочтительного изменения. Если нет выбора, то не может быть управления.
Кибернетическая система – это совокупность конкретных объектов, определенный набор свойств и связей с окружающей средой. Применимость понятия кибернетическая система к конкретной системе зависит не только от ее самой, но и от того, с какими целями вы ее исследуете. В кибернетике откликаются от конкретных особенностей изучаемых систем, выделяют закономерности общие для некоторого множества систем, вводят понятие абстрактной кибернетической системы и составляющие этой системы описывают в терминах не конкретных объектов, а абстрактных элементов. Переход от рассмотрения конкретных к абстрактным кибернетическим системам, носит такой же характер, когда мы переходим от действия над конкретными числами в арифметике к действиям с абстрактными числами в алгебре.
В кибернетических как управляемых системах всегда должен присутствовать элемент, осуществляющий функцию управления.
Управление – это воздействие на объект, выбранное на основании имеющейся для этого информации из множества возможных воздействий, улучшающее его функционирование или развитие.
Когда управление выполняется органами, предназначенными для других целей, как правило, управляющий элемент, все-таки, реализуется органами специально для этого предназначенными. Т.е. управляемая система может быть схематично изображена в виде взаимодействующих двух частей: управляющей и управляемой, они взаимодействуют между собой. Кибернетика изучает управление по принципу обратной связи. Если между действием внешней среды и характеристиками системы происходят изменения есть взаимодействия, то это и есть обратная связь. Принцип обратной связи характеризует информационную и пространственно-временную зависимость в кибернетической системе. Если поведение системы усиливает внешнее воздействие, мы имеем дело с положительной обратной связью, если уменьшает, то с обратной отрицательной связью. Понятие обратной связи имеет отношение к цели управления. Цель определяется как внешней средой, так и внутренними потребностями субъекта управления. Цель должна быть принципиально достижимой, она должна соответствовать реальной ситуации и возможностям системы, управляющей и управляемой. За счет управляющих воздействий управляемая система может целенаправленно менять свое поведение, так целенаправленность управления биологическими системами сформирована в процессе эволюции. Она означает стремление организмов к выживанию и размножению. Целенаправленность искусственных управляемых систем, н-р, технических определяется их разработчиками и пользователями, т.е. термин кибернетическая система характеризует не только определенный тип систем, но и общность подхода к их рассмотрению, таким образом, свойством управляемости может обладать не любая система. Необходимым условием наличия в системе хотя бы потенциальных возможностей к управлению является ее организованность, не все организованные системы являются кибернетическими, хотя все кибернетические системы обладают определенной организованностью.
Кибернетика оказывает влияние на содержание и методологию всех наук, она устраняет непреодолимые границы между естественными, общественными и техническими науками, она способствует синтезу научных знаний, создает новый язык понятий, на котором говорят разные научные дисциплины. Кибернетика дала в руки человека сильнейший способ управления производством, управление обществом. Инструмент усиления интеллектуальных способностей человека – ЭВМ. Современные компьютеры универсальные преобразователи информации и с преобразованием информации человек связан во всех сферах своей деятельности. Задачей искусственного интеллекта, как системы, как области исследований является моделирование мыслительной деятельности, свойственной мозгу, при этом подразумевается, что модель может или должна этот самый мозг по каким-то параметрам превзойти.
Как связана кибернетика и развитие техники. Что из себя сегодня представляет искусственный интеллект? Сам термин имеет порядка двухсот официальных определений, его используют для широкого круга областей, техники, бизнеса, различного рода гуманитарных, социальных, политических исследований. Есть понятие так называемого сильного или глобального искусственного интеллекта, есть интеллектуальные системы, искусственный интеллект в играх, системы распознавания образов, системы распознавания синтеза речи, программы собеседники. Возник искусственный интеллект более 50 лет назад из вполне конкретной задачи. Компьютеры уже были и решили создать программу, которая будем имитировать человека – искусственный интеллект. И примерно 35-40 лет люди этим занимались, а потом поняли, что на человека это не очень похоже, потому что ключевые характеристики человека (сознание, разумность) не имеют однозначного понимания, но в рамках решения конкретных задач поняли, что интеллект как способ решения информационных задач является частью того, что называется разумом, но это не исчерпывающее, не совпадение частей целого. Если имитируется вычислительная часть, но кроме разума в сознании есть еще какие-то компоненты, поэтому, когда мы говорим интеллект не интеллект, возникает ключевая проблема, с чем мы сравниваем? Если сравниваем с собой, то мы должны признать, что моделирование функций мозга и нервной системы происходит на разных уровнях, а организацию абстракции можно моделировать на уровне отдельных нейронов, нейронных сетей, нервной системы, мозга в целом. И поэтому перед учеными две взаимосвязанные задачи: понять, как функционирует человеческий мозг и создать что-то подобное. Пока не слишком понятно, как мозгу удается получить впечатляющее сочетание надежности и быстродействия. Довольно хорошо изучены структура и функции отдельных нейронов, имеются данные об организации внутренних и внешних связей между нейронами, о некоторых структурных образованиях мозга. Такие процессы как ассоциативная память, распознавание образов, принятие решений при нечеткой или неполной информации требует построения сложных нейронных сетей и законы передачи информации по нейронным сетям в каждом из перечисленных случаев пока остаются недостаточно познанными. Поэтому пока даже не ясно, что труднее для человечества создать искусственный мозг или понять, как работает настоящий. Поэтому мнения о возможности создания искусственного интеллекта глобального полярное. Одни считают, что воссоздать сложные психические процессы разума в целом невозможно. Другие уверены, что нет никакой информации, которую нельзя было бы свести к нулям и единицам, если это невозможно сегодня, то это будет возможно завтра.
Как внутри науки пытаются проверить, является ли созданная система собственно искусственным интеллектом? Нам стоит обратиться к истории науки к статье Алана Тьюринга «Может ли машина мыслить?», статья 1938 года. В рамках той работы автор предложил тест, в результате успешного прохождения которого, программу можно признать мыслящей. Задание заключалось в следующем экспериментатор общается с собеседником, которого не видит, н-р, по компьютерной сети, набирает фразы на клавиатуре, получает ответ на мониторе, если экспериментатор принимает компьютерную программу за реального человека, то это считается успешным прохождением теста Тьюринга и программа признается интеллектуальной. Наиболее распространенные программы, показывающие реальность прохождения теста Тьюринга — это программы-собеседники.
Иллюстрация того, что в 2014 году появилась информация, что пройден барьер, установленный Тьюрингом, барьер, достаточный для признания у компьютера интеллекта.
Компьютерная программа «Евгений Густман», созданная командой разработчиков из России прошла тест, проведенный в Королевском обществе в Лондоне, она убедила 33% судей в том, что она является 13-летним мальчиком. Эта программа состоит из базы знаний, которая имеет около 3-х тысяч шаблонов, для распознавания фраз пользователя и это довольно немного, по сравнению с другими чат-ботами. Использовали различные методы управления диалогом, которые позволяли имитировать именно человека, а не поисковую машину. Н-р, эта система старалась направить беседу в нужное русло, стараясь создать такие ситуации, когда его фразы выглядят человекоподобно. При коротком тесте на 5 минут, такой подход сработал. Это означает, что проникновение информационных систем в межчеловеческое общение ускоряется, через несколько лет невозможно будет точно сказать, общаетесь ли вы с живым оператором или с машиной. Исследования подхода человека к решениям, которые не имеют четкого алгоритма к творческим задачам показывают, что пока не имитируется эмоциональная активация. Т.е., когда мы волнуемся, испытываем эмоциональное напряжение — это не просто фон, это значимый элемент всех этапов выполнения интеллектуальных задач и там, где компьютер перебирает все возможные варианты, человек, пусть на бессознательном уровне обращается к своему опыту и человеческий мозг может не рефлексировать над всеми этапами рассуждений рационально.
Классический вопрос, который возникает, способен ли искусственный интеллект захватить власть над миром? Чтобы выполнить такую задачу, каким бы мощным ни был интеллект, у него должна быть мотивация, а мотивация связана с эмоциями, сейчас этого у искусственного интеллекта нет.
Лекция 2. Системный подход в современной науке, самоорганизация в живой и неживой природе.
Для того, чтобы понять сущность самоорганизующихся систем наука изначально рассматривала системы закрытые, которые не обмениваются со средой ни веществом, ни энергией, ни информацией. Системы были предметом классической термодинамики, которая использовала понятие закрытых, замкнутых, изолированных и обратимых во времени систем. Но такое понимание своего предмета для науки является очень сильной абстракцией. Лишь некоторые из систем во Вселенной могут трактоваться как замкнутые, но именно для такого рода абстракций были сформулированы 1-е и 2-е начала термодинамики.