Общие проблемы Биокибернетики

Уже самое общее определение жизни Ф. Энгельсом, как непрерывного самовосстановления сложных органических веществ, содержит указание на две главные ее специфические особенности: целесообразность саморегулирования и сложность системы.

Разнообразные биологические науки описывают частные про­явления целесообразного саморегулирования на разных уровнях ор­ганизации сложных живых систем — от метаболического баланса отдельных клеток до динамики популяций растений и животных. С другой стороны, кибернетика изучает в наиболее общем виде закономерности целенаправленного управления, чтобы использо­вать их для создания искусственных сложных систем автоматиче­ской техники. Отсюда возникает ряд проблем, общих для биологии и кибернетики, которые образуют фундамент биокибернетики и яв­ляются источником формирования ее основных понятий и принци­пов. Ключ ко многим из них лежит в точном определении особен­ностей живых систем, их структурно-функциональной организации специфических свойств и ведущих механизмов.

Живые организмы как кибернетические системы

Представляя собой многоуровневые сложно организованные си­стемы, живые существа наряду с общесистемными свойствами от­личаются специфическими особенностями, которые выявляются уже в их взаимоотношениях с другими системами.

Системный подход к явлениям жизни

Живые системы относятся к вероятностным разной степени сложности. Однако оценка движений руки, поднимающей груз, как простой вероятностной системы, а деятельности мозга как очень сложной отражает лишь разные уровни изучения жизни организ­ма. В первом случае сокращения мышц действительно образуют простую систему внешних механических реакций. Но каждая такая простая двигательная реакция явилась конечным результатом ко­ординации в пространстве и времени множества потоков нервных импульсов, организованных деятельностью многих тысяч нервных клеток, на основе информации о многообразии раздражителей внешней среды, внутреннем состоянии обмена веществ и взаимо­действия миллионов клеток организма. Если рассматривать лишь внешнюю сторону двигательного акта, считая его системой, а со­ставляющие его движения элементами, то такая простая система легко описывается в понятиях механики. Это механическая система, реализуемая живым телом. Если же мы ставим задачу изучения приспособительного поведения, то система целостного организма должна рассматриваться как образуемая колоссальным множест­вом элементарных органных, клеточных и субклеточных процессов, качественно описываемых в понятиях биологии. Тогда становится ясным, что живые системы по своей сущности относятся к классу очень сложных вероятностных систем.

При этом следует иметь в виду, что живые организмы можно рассматривать на разном уровне и в разных плоскостях системно­го анализа. Так, структура, элементарная для формирования си­стемы более высокого уровня, одновременно сама является систе­мой, образованной из элементов предшествующего уровня (см. схе­му). Вместе с тем один и тот же объект может рассматриваться с точки зрения разных сторон его организации и свойств деятель­ности.

Схематическое изображение иерархии ровней организации живого, каждый из которых является и элементом, и системой

Например, можно изучать нервную клетку как термодинами­ческую систему обмена веществ и энергии или как возбудимую си­стему физико-химических механизмов генерации импульсов, или как элемент в системе рефлекторного центра, а последний в свою очередь может рассматриваться не только как система, но и как элемент в системе целостных актов поведения. Продолжая такое иерархическое «укрупнение» систем в организме, мы выходим за рамки физиологии и оказываемся в сфере биологических, а для человека в сфере общественных явлений.

Система человек — машина

Особую категорию систем образуют машины, управляемые че­ловеком. Изучение их свойств становится все более практически важной задачей в связи со сложностью управления современной техникой и требованиями ее согласования с естественными данны­ми организма человека. Такая комплексная система включает в се­бя как живые, так и неживые звенья в качестве взаимодействую­щих подсистем. Здесь происходит функциональное соединение очень сложных вероятностных биокибернетических систем со все­ми другими, в том числе простыми детерминированными маши­нами.

В отношении таких комплексных систем возникает прежде все­го вопрос об оптимальном распределении функций между человеком и техническими управляющими устройствами. При этом учитыва­ются их возможности и ограничения, как, например, свойственные автомату быстродействие, но узкий формализм и свойственные че­ловеку способность к решениям в условиях неопределенности, но их медленность. Более детальный анализ условий оптимальности взаимодействия человека и машины составляет одну из задач ин­женерной психологии, с которой можно ознакомиться по специаль­ным руководствам.

Приспособлением условий труда к человеку занимается эргоно­мика, которая широко использует данные физиологии и психологии труда.

В различных производственных, транспортных, экономических и других системах человек входит как оператор, осуществляющий Функции регулирования. Типичный случай его взаимосвязи с маши­ной, образующей единую систему, показан на схеме, приведенной ниже, где v(t) —скорость в данный момент, х(t) —степень нажа­тия педали акселератора в данный момент, F_е(х) —сила тяги дви­гателя при данном нажатии педали акселератора, Fg— силы со­противления, зависящие от наклона дороги, F_r(v)—силы сопро­тивления встречного потока воздуха и трения, зависящие от ско­рости.

Своеобразное взаимодействие человека и машины происходит в процессах автоматизированного обучения. До недавнего времени обучение как процесс усвоения знаний и овладения навыками осу­ществлялся только человеком — учителем. Однако анализ объектив­ных закономерностей этого процесса позволил внести в пего элементы автоматизации и оптимизации. Более подробно с теорией и прак­тикой программированного обучения и использования так называ­емых обучающих машин можно ознакомиться по специальным ру­ководствам.

Блок-схема системы водитель — автомобиль(по Дж. Милсуму, 1968)

В зависимости от результатов экзамена на каждом этапе обуче­ния обучающийся или переходит к следующему этапу в случае пра­вильных ответов, или возвращается по «отрицательной обратной связи» назад. Такое возвращение может происходить не только к началу данного этапа, но еще дальше назад в зависимости от выяв­ленных дефектов усвоения.

Существуют и другие виды комплексных систем, включающих в себя живые и неживые звенья. Сюда относятся, например, биоэлек­трическое управление.

Основные направления работы в этой области освещены в одно­именном сборнике (В. С. Гурфинкель, В. Б. Малик и др., 1972). Сюда относится управление разнообразными системами — от дви­гательных протезов до пилотирования самолетов. К этим пробле­мам примыкает использование высокочувствительных биологиче­ских рецепторов в качестве датчиков в системах регулирования. Во всех таких комплексных системах именно биокибернетические звенья являются носителями свойств, наиболее важных для реали­зации функций системы.

Все возрастающая сложность управления современными техни­ческими средствами чрезвычайно повышает требования к человеку-оператору и его ответственность за принимаемые решения. Поэто­му большое внимание уделяется развитию биотехнических систем, в которых поведение человека-оператора контролируется, а его действия облегчаются техническими устройствами. Такие биотехни­ческие системы служат не только для оперативного управления различными сложными объектами, но и для профессионального от­бора и тренировочной подготовки операторов. Для формализации сложных процессов совместной деятельности людей и машин пользуются понятиями эргатических систем, как комплексов взаимодействующих компонентов, среди которых есть и человек.

Структурные и функциональные особенности организации биологических систем

Определение живых систем как сложных и очень сложных веро­ятностных кибернетических дает основание для детального анализа их структурной и функциональной организации специальными ме­тодами кибернетики.

Самоорганизация и ее структурные основания

Прежде всего следует рассмотреть фундаментальное свойство живого — способность к самоорганизации. Противоречия в опреде­лении самоорганизации получили образное выражение в следующем высказывании крупного кибернетика У. Эшби (1966) на специаль­ном симпозиуме по самоорганизующимся системам: «Так как ни об одной системе нельзя утверждать, что она является самоорганизу­ющей и так как выражение «самоорганизующаяся» ведет к укоре­нению весьма путаного противоречивого представления о данной проблеме, это выражение, вероятно, вообще не следовало бы упо­треблять». Однако на том же симпозиуме Эшби заявил, что «в настоящее время принципы, лежащие в основе самоорганизующихся систем, известны достаточно полно в том смысле, что над большей частью вопросов приподнята завеса таинственности». Понятие са­моорганизации охватывает в наиболее общем виде все специфиче­ские свойства жизни — сохранение индивидуальности при непрерыв­ном обмене веществ и энергии с окружающей средой, активация с восстановлением исходного состояния при раздражении, воспроиз­ведение себе подобных при размножении и т. д.

Самоорганизация характерна именно для сложных и очень сложных вероятностных систем. Структурным основанием самоор­ганизации является множественность элементов и разветвленность связей между ними, ведущих к возникновению целостности, а функ­циональным основанием — развитие гибкого взаимодействия между элементами по типу обратных связей, направленных на оптимиза­цию системы. Зачатки самоорганизации можно встретить и в слож­ных вероятностных системах неживой природы. Например, множе­ство молекул соли, случайно взаимодействующих в растворе, при достижении определенных условий самоорганизуются в кристаллическое тело. Однако вряд ли нужно перечислять различия между ростом кристалла и ростом живого организма. На уровне живого самоорганизация приобретает важную качественную особенность - она становится способом существования этого класса систем. По этому некоторые, наиболее общие характерные черты биологической самоорганизации проявляются уже в процессе возникновения жизни и связаны с проблемой ее происхождения.

В настоящее время наиболее обоснованной гипотезой о происхождении жизни является представление А. И. Опарина о первичной агрегации органических полимеров в коацерватные капли, которые способны к избирательному поглощению опреде­ленных соединений из внешней среды, т. е. к зачаточному обмену веществ. Такие коацерватные капли образуются, когда органиче­ские молекулы достигают в процессе полимеризации определенных размеров. Тогда они входят между собой в особые физико-хими­ческие отношения, которые дают им возможность выделиться из общего водного раствора.

Обособление системы от окружающей среды составляет сущест­венный признак самоорганизации. В современной цитологии все бо­лее распространяется мнение, что комплексные коацерваты состав­ляют основу протоплазмы живых клеток. Это находит подтверждение и в том, что, применяя физические и хими­ческие воздействия, вызывающие вакуолизацию живых клеток, можно было вызвать явления «вакуолизации» в комплексных коацерватах.