Управление большими системами (стр. 7 из 14)
Жизнь организма возможна благодаря широкому спектру эволюционно приспособительных реакций, возникающих в ответ на действие факторов внешней среды. Воздействия окружающей среды на организм, которые могут привести к патологии, условно можно разделить на косвенные и прямые. В результате косвенных влияний среды могут произойти нарушения нормального функционирования какой-либо системы организма, влекущие за собой снижение резистентности. На этом фоне может развиться патология любой этиологии, в том числе неспецифичная для данного фактора среды (например, заболевания, вызванные условно патогенными микроорганизмами в результате переохлаждения). К прямым воздействиям среды на организм, приводящим к соответствующей патологии, можно отнести вещественные (химические вещества, микроорганизмы), энергетические (радиация, температура), механические, информационные (стрессовые ситуации, иатрогения, самовнушение). Степень отклонения от нормы, вызванная внешними факторами, зависит от силы и кратности воздействия и от адаптационных возможностей организма. Оно может проявляться как в нарушении функции систем любого уровня иерархии, так и в нарушении структуры составляющих их элементов. Чисто функциональные нарушения являются более динамичными и по природе обратимыми. Кум-муляция обратимых функциональных нарушений, связанная с их продолжительностью и частотой, может привести и к структурным изменениям, которые более статичны и по природе менее обратимы.
1.2. СВОЙСТВА БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Биологические системы обладают таким обширным набором свойств, диалектически противоположных друг другу, которых нет у технических и экономических систем. Это устойчивость и управляемость, жесткость и гибкость, детерминированность и стохастичность и другие. В зависимости от обстоятельств у биосистем на первый план выдвигаются те свойства, которые необходимыдля сохранения вида и индивида, например обучаемость, изменение поведенческих реакций, приспособление к изменившимся условиям жизни, изменение наследственных качеств. Здесь все подчинено основной цели — выживанию на уровне организма и воспроизведению на уровне вида.
Одна часть свойств относится к структуре и функции биосистем; другая подчеркивает те качества, которые необходимы для сохранения вида и индивида; третья характеризует тактику и стратегию организма при достижении основных целей.
Сложность и организация. Одним из главных свойств биосистемы является структурная и функциональная сложность. Проявления сложности многообразны и связаны с количеством возможных состояний. Состояния биосистемы включают состояния элементов и сочетания связей между ними.
У- Р. Эшби [150] предложил в качестве меры сложности использовать разнообразие, или число состояний системы п. Для оценки сложности системы удобно пользоваться также логарифмической мерой
Hmax=log n, (1.9)
где Нтах — мера сложности, или максимальная неопределенность системы.
Функциональные особенности биосистемы проявляются на ее выходе. Поэтому степень функциональной сложности зависит от характера ее выходных элементов. Если выход биосистемы является дискретной величиной (число выходных значений можно точно пересчитать), то число состояний определяется точно (например, частота нейронов). При этом сложность равна логарифму максимального значения дискретного выхода.
Для биосистем, показатель работы которых изменяется непрерывно (например, насыщение крови кислородом, уровень сахара в крови), для получения числа состояний необходимо знать граничные значения изучаемого показателя и точность методики его измерения. Таким образом, для биосистем, непрерывно изменяющих свой уровень, число состояний определяется исследователем и является условным.
Оценка сложности по числу состояний системы не показывает, в каком из возможных состояний система находится и в какое она перейдет в следующий момент вре мени. Пусть, находясь в одном из структурных состояний, система принимает любое из п функциональных состояний. Если достаточно долго наблюдать систему, то по частоте появления функциональных состояний можно приближенно судить о вероятностях ее пребывания в этих состояниях. Обозначим их через pi. Для общей оценки системы по вероятностям К. Шеннон ввел эвристическое понятие неопределенности, или энтропии [145]. Пусть измерены относительные частоты (при большом числе наблюдений стремящиеся к вероятностям) для всех функциональных состояний системы. Все функциональные состояния образуют полную систему событий. При этом выполняется соотношение
Под неопределенностью (энтропией) дискретных величин понимают следующую величину:
Если, например, система все чаще находится в 1-м состоянии, то вероятность pi стремится к единице. В предельном случае, когда pi=1, энтропия равна нулю и система становится детерминированной. Если система безразлична к своим состояниям, то вероятности равны, а неопределенность, вычисленная по формулам типа (1.11), принимает максимальное значение. Таким образом, неопределенность системы находится в пределах 0£H£Hm. (1.12)
Со сложностью связаны многомерность и многосвяз-ность биосистем, проявляющиеся в наличии большого количества разнородных параметров, в многообразии связей между однородными и разнородными параметрами, характеризующими работу данной системы. Если даже выход биосистемы оценивается по одному параметру, то необходимо учитывать, что этот параметр является результирующим взаимосвязанной работы структурно обособленных подсистем, каждая из которых оценивается своим параметром. Внутренняя же структура биологических систем организма обусловлена их эволюцией.
С внутренней структурой биологических систем обычно связывается их организация — специфическая для живых систем структурно-функциональная упорядочен ность. Качественно более сложный уровень организации биосистем по сравнению с естественными системами неорганической природы и с искусственными системами, создаваемыми человеком, обусловлен их длительной эволюцией. Формальное определение организации связано с работами К. Шеннона, У. Р. Эшби, В. М. Глушко-ва, Г. Ферстера.
Организация системы выявляется путем подсчета меры неопределенности ее состояний, характеризующей ее хаотичность, неорганизованность. При равных вероятностях принятия системой своих состояний она может считаться полностью дезорганизованной, так как в любой момент она с равной возможностью может перейти в любое состояние. В этом случае система обладает максимальной неопределенностью, которая совпадает с мерой сложности системы [1.9]. Можно предположить, что в дезорганизованной системе ее состояния не связаны между собой.
Оценка уровня организации системы связана с максимальной Hmax (1.9) и текущей H (1.11) неопределенностями системы. Пусть в результате эволюции, фило- или онтогенеза система, работавшая прежде с максимальной неопределенностью Hmax (т. е. полностью дезорганизованная система), стала предпочитать некоторые из состояний и характеризоваться текущей неопределенностью H < Hmax. Тогда организация системы для данного уровня развития определяется реализованной в системе неопределенностью [11,19]:
O=Нmax—Н, (1.13)
где О—абсолютная организация системы. Значение абсолютной организации системы ограничено снизу нулем, а сверху — величиной, максимально возможной для данной системы неопределенности.
Таким образом, организация детерминированной системы (H=0) также определяется максимальной неопределенностью, т. е. строится на максимально возможном числе состояний. Только в случае детерминированной системы смена состояний является закономерной. Для системы, замкнутой в организационном отношении, равенство (1.13) определяет закон сохранения организации: организация и неопределенность на любом этапе эволюции (жизни, обучения и других) равны максимально возможной неопределенности системы. От соотношения (1.13) легко перейти к формуле подсчета относительной организации системы R, разделив обе части равенства на Hmax [134]:
R=1-H/Hmax. (1.14)
Очевидно, что мера R характеризует величину относительной организации системы и лежит в пределах 0£R£1. Для детерминированной системы относительная организация равна единице, для полностью дезорганизованной — нулю. Понятие относительной организации позволяет сравнивать между собой различные системы. Текущее значение неопределенности связано с энтропией живых систем.
Любая биосистема характеризуется структурной и функциональной организацией. Основой, на которой строится структурная организация биосистемы, являются размеры элементов системы, число элементов системы и связей между ними. Например, размеры клеток данного нервного узла являются параметрами структурной организации, а по гистограмме распределения клеток данного узла, по их диаметрам можно подсчитать степень организации с помощью (1.13) и (1.14). Параметрами функциональной организации, например отделов нервной системы, могут служить межспайковые интервалы спонтанной и вызванной активности, по гистограммам межспайковых интервалов можно также рассчитать величину абсолютной (1.13) и относительной (1.14) организации.
Обратимся к понятию информации. Это понятие обычно предполагает наличие источника и потребителя, объекта и субъекта. Мерой количества информации служит разность неопределенностей, полученная в результате наблюдения объекта, либо разность неопределенностей, получаемая как результат вычитания неопределенности объекта и неопределенности субъективной гипотезы об объекте. Таким образом, как информация, так и организация могут выражаться одной и той же мерой и в частном случае могут иметь одни и те же числовые значения, однако эти значения по-разному интерпретируются. Например, если анализируются материальные объекты без учета взаимодействия между ними, то целесообразно говорить о сложности и организации как свойствах объективных, не зависящих от наблюдателя, исследователя, как о качествах самих объектов/