Принцип оптимальности в биологии - Розен Р.
Скачать (прямая ссылка):
ренным, что результаты, полученные при изучении аналога, будут применимы и к самой моделируемой системе. Аналоговым устройствам такого рода посвящена обширная и очень интересная литература
Та общность, которой обладает теория управления, в свою очередь поднимает новые и важные вопросы теоретической биологии. Ведь метод, опирающийся на изучение зависимости между входными и выходными сигналами, сам по себе не дает никаких сведений о тех действительных физических процессах, которые лежат в основе этой зависимости, наблюдаемой у неизвестной нам, быть может, очень сложной системы. Если положиться лишь на эти грубые математические аналогии, то методы теории управления относятся скорее к классам эквивалентных физических устройств (под эквивалентными устройствами мы понимаем такие, которые удовлетворяют одним и тем же соотношениям между входными и выходными сигналами), чем к самим отдельно рассматриваемым устройствам. Поэтому, для того чтобы на основании результатов теории управления сделать выводы о механизмах работы отдельных систем, нужно вернуться от этих широких классов к отдельным представителям этих классов; такого рода обращение является весьма сложной проблемой и требует получения новой информации, которую нельзя извлечь с помощью самих методов теории управления2.
Из того, что методы теории управления не учитывают специфических механизмов изучаемых систем, следует один факт, который представляет известный самостоятельный интерес. Все системы регулирования и следящие системы, к какому бы типу они ни принадлежали, должны получать энергию от некоторого внешнего источника, которая обеспечивала бы их работу. Выходным сигналом регулятора в замкнутой системе служит обычно некоторая сила, действующая непосредственно на объект управления, и поэтому регулятор непременно должен получать энергию извне. Правда, в некоторых редких случаях задающий сигнал может служить также и для непосредственного снабжения системы энергией, но в общем случае такую схему осуществить невозможно. Существование такого источника энергии никак явно не отражается на уравнениях, описывающих систему, и поэтому 'он м<*жет быть выбран совершенно произвольно; это создает дополнительную степень произвола в выборе того типа физических систем, которые могут быть использованы
1 В частности, можно рекомендовать очень удачную книгу Олсона [63].
2 В связи с обсуждаемым здесь вопросом о том, каким образом может быть получена (хотя бы частично) требуемая дополнительная информация в пределах некоторого ограниченного класса систем управления, см. разд. 10.4.
для представления, или «реализации», некоторой конкретной системы, описываемой уравнением типа (8.1).
Какие же выводы из всего этого может сделать биолог? Для биолога основной интерес представляют те специфические механизмы, которые лежат в основе изучаемой им физиологической функции, а не весь класс эквивалентных механизмов в целом. И если биолог собирается применить какую-то общую теорию, такую, скажем, как теория систем управления, для общего исследования биологических систем, в его распоряжении должны быть определенные методы для выбора соответствующих специфических механизмов из того класса механизмов, к которому относится применяемая теория А для этого необходим некоторый общий принцип, или критерий, лежащий вне этой теории.
Принцип оптимальной конструкции как раз и позволяет выработать такой критерий при решении задач управления и регулирования. В технике дело в этой области обстоит очень просто, так как технические справочники, используемые инженерами при конструировании, представляют собой не что иное, как собрания критериев выбора, которые можно рассматривать с той же самой точки зрения, из которой мы исходили в предыдущей главе при обсуждении естественного отбора. Главная роль принципа оптимальности в теоретической биологии заключается именно в том, что он позволяет переходить от самого общего и абстрактного рассмотрения биологических функций к одному или нескольким механизмам частного характера, которые реализуют эти функции оптимальным образом в реальных биологических системах.
Для читателя было бы поучительно сравнить по уровню абстрактности теорию управления и, скажем, теорию «химической гетерогонии» Нидхэма (разд. 6.7). В этом пункте можно вновь отметить контакт с реляционной биологией, о которой мы раньше упоминали, так как цель реляционной биологии состоит в том, чтобы систематически исследовать классы биологических систем, определенные общими реляционными соотношениями, и выработать методы, позволяющие перейти от этих общих свойств таких классов к определенным заключениям относительно специфических структур и механизмов, которые мы находим в конкретных биологических системах. Однако подробное обсуждение этих вопросов уже выходит за рамки задач'этой книги.
НЕКОТОРЫЕ БИОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ
9.1. Введение
В гл. 7 мы уже говорили о том, что многие механизмы гомеостаза в биологических системах представляют собой по существу системы управления именно в том смысле, в каком эти термины применялись и развивались в гл. 8. Это означает, что они содержат один или несколько контуров обратной связи, с помощью которых система определяет отклонение действительного ее состояния от требуемого. Другими словами, механизмы гомеостаза, как и технические системы управления, которые рассматривались в гл. 8, представляют собой по большей части устройства, управляемые сигналом ошибки, или, как говорят, рассогласованием.
