Системы и закономерности их функционирования (стр. 2 из 10)

Основним методом кібернетики завжди було математичне моделювання систем, що досліджуються, процесів і явищ. По мірі розвитку кібернетики метод математичного моделювання формувався і удосконалювався. Кібернетика частково використовує та запозичує методи цілої множини споріднених наук:

1) теорія інформації;

2) математична логіка;

3) теорія скінченних та безскінченних автоматів;

4) теорія алгоритмів;

5) теорія автоматичного регулювання;

6) варіаційна статистика;

7) теорія ймовірності;

8) теорія масового обслуговування;

9) теорія синтезу інформаційних систем;

10) тощо.

Сучасний етап розвитку кібернетики характеризується досить чітким розділенням її на ряд основних напрямів. Теоретична кібернетика досліджує абстрактні системи, розробляє загальні поняття, вдосконалює методи вивчення. Застосування ідей і методів теоретичної кібернетики до конкретних систем сформувало технічну, економічну і біологічну кібернетику.

Об'єктом дослідження технічної кібернетики є процеси управління динамічними технічними системами (літак, космічний корабель, технологічні процеси). Економічна кібернетика досліджує процеси у виробничих системах (промислових, транспортних, сільськогосподарських). Цими науковими напрямами вирішуються задачі синтезу управління системами і процесами в оптимальному варіанті. Об'єктом дослідження біологічної кібернетики є живі системи. У зв'язку з їх складністю в основному зараз вирішуються задачі аналізу цих систем необхідний етап переходу до синтезу.

Біологічна кібернетика. З самого початку виникнення кібернетики біологічна кібернетика складала один з самих важливих і безсумнівно найбільш складних наукових напрямів. Так, В. М. Глушков пише: «У зв'язку з особливою важливістю і специфікою вивчення організму людини і, передусім, його мозку питання застосування ЦЕОМ і кібернетики для цієї мети відокремлюють звичайно в особливий розділ кібернетики - кібернетику біологічну. Зрозуміло, при цьому не виключається дослідження кібернетичними методами не тільки людського, але і будь-якого інших організмів» [7]. Н. М. Амосов вважає, що біологічна кібернетика - галузь кібернетики, що вивчає закони зберігання, обробки і передачі інформації в біологічних системах [8]. Вважається, що біокібернетика використовує моделювання і вивчає методи аналізу і управління біологічними системами. На думку А. Б. Когана, «.. предмет. біологічної кібернетики складається у вивченні специфічних для живих істот загальних принципів і конкретних механізмів доцільного саморегулювання і активної взаємодії з навколишнім середовищем».

Підкреслюючи важливість таких характеристик біологічних систем, як складність і організація, Ю. Г. Антомонов визначає, що предмет біокібернетики складає структурна і функціональна складність і організація біосистеми і зміна складності і організації при взаємодії з навколишнім середовищем в онто-і філогенезі в нормі і патології.

Ще до визнання кібернетики як науки видатні фізіологи, досліджуючи функціонування живих організмів, висловлювали ідеї і положення, які передбачили багато які представлення сучасної кібернетики. Так, І.П.Павлов експериментально досліджував і обгрунтував декілька фундаментальних положень. Це принцип нервізму, по якому всі фізіологічні системи організму керуються нервовою системою; принцип безумовних і умовних рефлексів, що регламентує взаємодію організму із середовищем; принцип динамічного урівноваження внутрішнього середовища організму з навколишньою. Таким чином, у поглядах І.П.Павлова на мові фізіології виражалися такі основні кібернетичні поняття, як керуючий пристрій, система управління, навчання, ієрархія управління, взаємодія із середовищем.

У цей час вивчення будь-яких досить складних матеріальних систем, в тому числі і біологічних, передбачає з метою зручності їх аналізу розчленування систем на три складові: речовинну, енергетичну, інформаційну (організаційну). Кожною складовою займаються відповідно хімія, фізика, кібернетика. Стосовно до біологічних систем виділяються три наукових напрями (три науки): біохімія, біофізика, біокібернетика.

Біохімія вивчає речовинну основу біосистеми і перетворення речовини в біосистеми. Біофізика вивчає енергетичні процеси в біосистеми і перетворення енергії в процесі життєдіяльності. Зазначимо, що речовинну, структурну сторону діяльності можна вивчати і прямо, шляхом зважування речовин (неорганічних і органічних), і непрямо, шляхом спостереження (в тому числі під мікроскопом) і складання структурних схем. Енергетичну, функціональну сторону діяльності біосистеми можна вивчати прямим способом шляхом вимірювання. Дослідження складності, організації біосистеми і переробки інформації в них в біокібернетиці може провестися лише непрямо - шляхом побудови моделей і розрахунків.

На сучасному етапі біологічну кібернетику можна розділити на теоретичну і прикладну. Предметом теоретичної біокібернетики є аналіз біосистеми з метою виявлення основних закономірностей, а прикладний - застосування цих закономірностей для рішення задач прогнозування, діагностики і управління.

У цей час вважається загальноприйнятим розподіл теоретичної біокібернетики на фізіологічну, медичну, психологічну і нейрокібернетику.

Фізіологічна кібернетика займається вивченням складності, структурної і функціональної організації елементів, органів і систем організму, нормальної роботи елементів, органів і систем, яка відповідає функціонуванню організму в нормі. Взаємодія систем організму між собою з метою підтримки параметрів, що визначають нормальне функціонування, і зміна їх при зміні умов середовища також входить в предмет фізіологічної кібернетики. До таких параметрів відносяться, наприклад, температура тіла, частота серцевих скорочень і дихання, хвилинний об'єм дихання, зміст гемоглобіну і глюкози в крові та інші. Закономірності роботи регулюючих систем організму, закономірності внутрішньої сфери організму відносяться до предмета фізіологічної кібернетики.

Проблемами, що вирішуються фізіологічною кібернетикою, є розробка і вдосконалення експериментальних установок і методик, що дозволяють отримати достовірні кількісні дані роботи біосистеми внутрішньої сфери, побудову математичних моделей біосистеми внутрішньої сфери, розробка методів ідентифікації математичної моделі за експериментальними даними, визначення критеріїв, що характеризують цільові функції біосистеми внутрішньої сфери, розробка оптимальних моделей біосистеми внутрішньої сфери.

На рис.1.1 представлена структурна схема задач моделювання біосистеми внутрішньої сфери по мірі підйому по ієрархічним сходам від субклітинних структур до внутрішньої сфери цілком. На субклітинному рівні задача побудови моделей реплікації макромолекул білка, ДНК і РНК пов'язана із задачею математичного опису розміщення спадкової інформації в макромолекулах. Математичний опис процесу синтезу енергетичних ресурсів являє собою вельми складну задачу формалізації динаміки перетворень глюкози і вільних жирних кислот - основних носіїв енергії в живому організмі. Нарешті, розкриття ролі органел і математичний опис їх функції і взаємодії між собою представляє ще одну задачу моделювання.

На клітинному рівні передбачається побудова математичних моделей розподілу кліток. Задача математичного опису синтезу речовин в клітці пов'язана із задачею опису синтезу макромолекул, а побудова математичних моделей обміну речовиною і енергією між кліткою і навколишнім середовищем з виявленням ролі і формалізацією роботи клітинних мембран.

Рис. 1.1. Задачі фізіологічної кібернетики

На рівні органів моделюванню підлягають структурні і функціональні особливості органів внутрішньої сфери, більшість з яких показана на рис.1.1. Потрібно зазначити, що як вихідні координати, по динаміці яких будується математичний опис, можуть виступати самі різні показники. Для серця, наприклад, кінцевим об'єктом моделювання можуть виступати частота скорочень, серцевий викид, тиск в лівому шлуночку, просторові і тимчасові характеристики скорочень серцевого м'яза, електричні вияви роботи серця, що відображається в електрокардіограмі, тощо.

Системний рівень передбачає математичний опис взаємопов'язаної роботи багатьох органів і систем. Тут вихідними координатами є показники спільної роботи органів і систем - параметри життєдіяльності. На структурній схемі перерахована тільки частина систем організму. Як задачі моделювання виступають побудова математичного опису стабілізації параметрів життєдіяльності організму, оперативної зміни параметрів на нові значення з метою пристосування до умов навколишнього середовища, що змінилися, управління параметрами життєдіяльності при внутрішніх станах організму, що змінилися.

Нарешті, узагальнений рівень математичного опису взаємодії систем організму передбачає побудову моделі внутрішньої сфери. При побудові математичної моделі внутрішньої сфери необхідно мати окремо моделі систем організму.

Доцільним є розбиття всієї внутрішньої сфери організму на системи. Н.М.Амосов вважає [8], що в організмі діють чотири регулюючих системи. Перша еволюційно найбільш древня: система пов'язана з кров'ю і міжклітинною рідиною - лімфою. Вона є неспецифічною, і керуючі впливи, які вона розносить по організму у вигляді різних простих неорганічних і органічних речовин, діють на клітки всіх органів. З кров'ю і лімфою як засобом перенесення і передачі впливу пов'язана і друга регулююча система, яка також здійснює управління на основі речовинних керуючих сигналів. Відмінність від першої складає специфічність гормонів, що виділяються клітками ендокринних залоз і що впливають не на всі тканини організму, а лише на деякі. Ці дві регулюючі системи є повільно діючими. Їх швидкодія зумовлена процесами, направленими на підтримку стабільності параметрів внутрішньої сфери. Третя регулююча система організму - нервово-вегетативна - використовує як керуючі сигнали і хімічні речовини (наприклад, медіатори), і фізичні сигнали потенціали дії. При роботі цієї системи при проходженні керуючих сигналів відбувається їх багаторазова трансформація з речовинної в енергетичну форму. Робота нервових ланок регуляції стимулює або гальмує ендокринні, і навпаки. Метою нервово-вегетативної регуляції в організмі є досить швидка і активна зміна параметрів внутрішньої сфери, якщо весь організм поставлений в нові умови навколишнього середовища. І, нарешті, четверта регулююча система - анімальна, що служить для управління рухами організму в навколишньому середовищі і використовує фізичні сигнали нервової системи і здатність м’язевих клітин змінювати свої розміри. Робота четвертої системи не направлена на підтримку тих або інших параметрів внутрішньої сфери в певних межах. Це система не стабілізації, а безперервного управління організмом з метою досягнення адекватності організму із середовищем.