Динамика иерархических систем: эволюционное представление - Николис Дж.
Скачать (прямая ссылка):
требуется произвести столь большое число наблюдений в единицу времени,
что затраты энергии становятся значительными, предсказуемыми и
измеримыми. По потреблению кислорода почка уступает только сердцу.
Обычные термодинамические вычисления, приравнивающие выход почки работе
против осмотического давления, дают для человека мощность на выходе ~0,5
кал/мин. Сравнение этой величины с мощностью на выходе почки (~100
кал/мин) дает коэффициент полезного действия менее 1%-обескураживающе
малое значение по сравнению с коэффициентами полезного действия других
органов.
Но если подходить к почке не просто как к насосу, а скорее как к
"кибернетическому устройству", то ситуация изменится: вследствие обмена
веществ междуклеточная жидкость (кровь) стремится отклониться от своего
"оптимального" состава, и почки призваны обеспечивать непрерывный
контроль над ионами и молекулами в жидкости и непрерывный отбор
нежелательных частиц. Для этого требуется очень большое число
"наблюдений". Для направленного отбора частиц почка должна распознавать
каждую частицу, которую она отбирает. Процесс такого отбора должен
включать в себя установление своего рода связи между почкой и частицей -
посылку сигнала-запроса.
Во сколько минимально обходится генерирование такого сигнала? Простейшее
наблюдение, позволяющее распознавать одну из двух равновероятных
возможностей, не может быть выполнено без затраты менее чем kT In 2
единиц свободной энергии. Умножая эту (малую) стоимость на огромное число
актов отбора, производимых почкой за некоторый интервал времени, получаем
необходимую для этого энергию - величину, достаточно большую для того,
чтобы коэффициент полезного действия почки был сравнительно высоким
(разумеется, низкая стоимость была минимумом, достижимым в отсутствие
шума). Независимо от механизма распознавание частицы требует генерации
своего рода "сигнала-запроса", отличимого от фонового теплового шума,
имеющего при "температуре тела" амплитуду ~kT, или ~ 0,027 эВ. Надежность
процесса отбора зависит от отношения сигнал/шум. Состав междуклеточной
жидкости поддерживается с точностью до +5 %.
При амплитуде сигнала, в 4 раза превосходящей амплитуду теплового фона,
вероятность ошибки из-за тепловых возмущений составляет ~2%. Это разумный
уровень надежности для механизма гомеостаза. Упоминавшийся выше уровень
±5 % соответствует отношению сигнал/шум, равному ~3.
Такой уровень надежности требует сигнала для распознавания частиц на
уровне примерно 3-0,027 = 0,08 эВ. У человека
Элементы теории информации и кодирования
203
за одну минуту почки отбирают ~ 1022 ионов (главным образом Na+).
Мощность, необходимая для распознавания этих ионов, составляет 0,08-1022
= 8-1020 эВ ~ 30 кал/мин. Мощность, потребляемая человеческой почкой,
равна 100 кал/мин; приведенные выше вычисления дают коэффициент полезного
действия в 30%. Таким образом, вычисление коэффициента полезного действия
органа, который функционирует как контрольное устройство, не может
опираться только на соображения энергии на входе/выходе.
Аналогичным образом электронный элемент, например электронная лампа или
транзистор, расходует почти всю энергию, которую он потребляет, и тем не
менее может быть высокоэффективным как устройство, перерабатывающее
информацию. Такое поведение характерно для всех диссипативных структур.
4.5.10. Петля синхронизации фазы в отсутствие и при наличии шума
Этот раздел мы закончим несколькими конкретными примерами каналов связи и
оценкой их способности исправлять ошибки. Для этого мы аналитически
рассмотрим очень важный случай петли синхронизации фазы (ПСФ). Это
устройство используется в приемнике перед стадией демодуляции и отсечки
носителя и предназначено для обеспечения и поддержания когерентности фаз
между флуктуирующим сигналом от окружающей среды и опорным сигналом. Если
говорить кратко, то ПСФ
Рис. 4.19. Петля синхронизации фазы.
должна обеспечивать самоорганизацию или достижение наибольшей сжимаемости
на случайной фазе принятого сигнала.
Любую систему автоматического контроля фазы обычно принято рассматривать
как ПСФ (по существу как нелинейное устройство обратной связи). Такая
система состоит из трех главных компонент: усилителя, линейного фильтра,
инвариантного относительно сдвига по времени, и нелинейного генератора с
управлением по напряжению (рис. 4.19).
204 Глава 4
Пусть принятый сигнал имеет мощность А2 Вт. Тогда максимум напряжения
равен д/2 А, и принятый сигнал можно записать в виде д/2 A sin ft(/).
Пусть д/2 К\ cos ft'(t) - выходной сигнал генератора с управлением по
напряжению, где Ks- среднеквадратичная амплитуда сигнала. Если выключить
в генераторе управляющий сигнал e(t), то на выходе генератора мы получим
синусоиду с постоянной частотой (о0 рад/с. При включении управляющего
сигнала частота генератора с управлением по напряжению становится равной
co0 + ^2e(t), где К2- коэффициент пропорциональности, имеющий размерность
