системные механизмы

обстоятельств, возникающих в результате хаотичного хода31 внешних событий. Воздействуя на эти обстоятельства, система формирует процесс достижения цели, синтезируя процесс достижения цели из фрагментов разнородных процессов, составляющих внешние обстоятельства.

Проблема теории многоуровневых систем, получившая в медико-биологических интерпретациях название «проблемы иерархичности живых систем» является важным этапом развития ОТС (Bertalanffy L. 1969).

В.А. Энгельгард (1976) писал «с точки зрения системного принципа жизнь – это прежде всего система систем, в которой отчетливо выражено не параллельное, а последовательное сочетание. Тем самым создается предпосылка для организации этой последовательности по принципу иерархической подчиненности». Характерной особенностью живых систем является иерархический контроль, осуществляемый с помощью прямых (снизу вверх) и обратных (сверху вниз) связей. Именно двусторонность взаимодействия между высшими и низшими звеньями иерархий является отличительной особенностью живого мира (Энгельгард В.А., 1976). В основе деятельности многоуровневых (иерархических) систем выделяют ряд принципов, и в частности:

1.Целенаправленность

2.Принцип избытка (недостатка) взаимодействий.

3.Принцип оптимальной связи.

Принцип целенаправленности предполагает наличие у многоуровневых систем цели их функционирования, например, регуляция функциональных систем.

Принцип избытка (недостатка) взаимодействия, предполагает наличие совокупности переменных (или свойств) элементов определенного уровня системы, указывающих величину недостатка или избытка взаимодействия и механизм, который изменяет функции достижения цели элементов определенного уровня системы, таким образом, чтобы равновесие взаимодействия поддерживалось с заданной точностью. Принцип оптимальной связи предполагает, что чрезмерно большая степень связи, также как и нарушение каналов связи, ведет к дезинтеграции многоуровневой системы (Мессарович М.Д., 1971).

Системное единство каждого из уровней живого (подсистем),

атакже единство и различие его иерархических уровней

обеспечиваются процессом узнавания. В основе процесса

системообразования в живой природе лежит избирательность,32 детерминация (Афанасьев В.Г., 1986).

Формирование и существование систем возможно вследствие наличия механизмов управления. Первое самоуправляемое устройство было построено Ктесибием из Александрии (примерно в 250 году до н.э.); это были водяные часы с регулятором, который поддерживал поток воды, текущий через эти часы с постоянным, предсказуемым расходом. Это изобретение изменило представление о том, на что могут быть способны устройства, созданные человеком. До его появления считалось, что только живые существа способны модифицировать свое поведение в ответ на изменения в окружающей среде.

Кдругим примерам саморегулирующихся систем управления

собратной связью относятся регулятор паровой машины, созданный Джеймсом Уаттом (1736—1819), и термостат, изобретенный Корнелисом Дреббелем (1572—1633).

Математическая теория устойчивых систем с обратной связью была разработана в XIX веке. Центральной фигурой в создании науки, которая теперь именуется теорией управления, был Норберт Винер (1894-1964). Винер и его коллеги Артуро Розенблют и Джулиан Бигелоу рассматривали целенаправленное поведение как обусловленное действием регуляторного механизма, пытающего минимизировать «ошибку» — различие между текущим и целевым состоянием. В конце 1940-х годов Винер совместно с Уорреном Мак-Каллоком, Уолтером Питтсом и Джоном фон Нейманом организовал ряд конференций, на которых рассматривались новые математические и вычислительные модели познания. В книге Н. Винера «Cybernetics», впервые было дано определение кибернетики как науки. Предметом современной теории управления, особенно той ее ветви, которая получила название стохастического оптимального управления, является проектирование систем, которые максимизируют целевую функцию во времени. Это примерно соответствует представлению об искусственном интеллекте как о проектировании систем, которые действуют оптимальным образом.

Кибернетика — обобщающая наука, исследующая биологические, технические и социальные системы. Однако предметом ее исследования служат не все вопросы структуры и поведения этих систем, а только те из них, которые связаны с

процессами

управления.

Следовательно,

являясь

междисциплинарной наукой, кибернетика не претендует на33 роль наддисциплинарной науки. Если, например, философия оперирует такими универсальными категориями, как материя, время, пространство, то кибернетика имеет дело непосредственно лишь с категорией информации, являющейся свойством особым образом организованной материи.

Управление реализуется не во всяких, а только в высокоорганизованных системах. «…Управление может быть определено как упорядочение системы, т.е. приведение её в соответствии с определенной объективной закономерностью, действующей в данной среде» (Новик Б.И., 1963). Реализуется управление с помощью информации в форме сигналов, и сигнальная форма информации непременная черта процессов управления. Непрерывная циркуляция сигнальной информации как между системой и средой, так и между элементами системы является одним из самых существенных признаков управления (Афанасьев В.Г.,

1986).

В исследовании кибернетикой способов связи и моделей управления ей понадобилось еще одно понятие, которое было давно известно, но впервые получило фундаментальный статус в естествознании — понятие информации (с латинского — ознакомление) как меры организованности системы в противоположность понятию энтропии как меры неорганизованности.

Чтобы яснее стало значение информации, рассмотрим деятельность идеального существа, получившего название «демон Максвелла». Идею такого существа, нарушающего второе начало термодинамики, Максвелл изложил в «Теории теплоты», вышедшей в 1871 г.: «Когда частица со скоростью выше средней подходит к дверце из отделения А или частица со скоростью ниже средней подходит к дверце из отделения В, привратник открывает дверцу и частица проходит через отверстие; когда же частица со скоростью ниже средней подходит из отделения А или частица со скоростью выше средней подходит из отделения В, дверца закрывается. Таким образом, в отделении А их концентрация уменьшается. Это вызывает очевидное уменьшение энтропии, и если соединить оба отделения тепловым двигателем, мы как будто получим вечный двигатель второго рода».

Кибернетика выявляет зависимости между информацией и другими характеристиками систем. Работа «демона Максвелла»

позволяет установить обратно пропорциональную зависимость34 между информацией и энтропией. С повышением энтропии уменьшается информация, и наоборот — понижение энтропии увеличивает информацию. Связь информации с энтропией свидетельствует и о связи информации с энергией.

Энергия (от греческого energeia — деятельность) характеризует общую меру различных видов движения и взаимодействия в формах: механической, тепловой, электромагнитной, химической, гравитационной, ядерной. Точность сигнала, передающего информацию, не зависит 01 количества энергии, которая используется для передачи сиплла. Тем не менее энергия и информация связаны между собой. Н. Винер приводит такой пример: «Кровь, оттекающая от мозга, на долю градуса теплее, чем кровь, притекающая к нему».

Общее значение кибернетики заключается в следующих направлениях:

1.Философское значение, поскольку кибернетика дает новое представление о мире, основанное на роли связи, управления, информации, организованности, обратной связи и вероятности.

2.Социальное, поскольку кибернетика дает новое представление об обществе как организованном целом.

3.Общенаучное в трех смыслах: во-первых, потому что кибернетика дает общенаучные понятия, которые оказываются важными в других областях науки — понятия управления, сложнодинамической системы и тому подобное; во-вторых, потому что дает науке новые методы исследования: вероятностные, стохастические, моделирования на ЭВМ и т. д.; в-третьих, по тому что на основе функционального подхода «сигнал/от клик» кибернетика формирует гипотезы о внутреннем соста ве и строении систем, которые затем могут быть проверены в процессе содержательного исследования.

4.Методологическое, определяющееся тем, что изучение функционирования более простых технических систем используется для выдвижения гипотез о механизме работы качественно более сложных систем с целью познания происходящих в них процессов

— воспроизводства жизни, обучения и так далее.

5.Наиболее известно техническое значение кибернетики — создание на основе кибернетических принципов ЭВМ, роботов, ПЭВМ, породившее тенденцию кибернетизации и информатизации не только научного познания, но и всех сфер жизни.

35

1.1.1. Приложение идей системности в биологии (системная биология)

Осмыслению сущности живых систем и их отличий от неживых, посвящены работы чилийских биологов У. Матураны и Ф. Варелы (1980). По их мнению, главным отличием живых систем от неживых является наличие у живых систем такого свойства, как "аутопойезис" (самотворение, самопорождение). С помощью аутопойетических процессов система осуществляет процессы самовоспроизводства своих компонентов, составляющих ее организацию, поддерживая, таким образом, свою самотождественность. Организация определяет главные отношения, которые конституируют систему как целое, тогда как структура системы, т.е. взаимодействие элементов, может меняться: "Посредством своей организации живая система определяет область всех взаимодействий, в которые она может вступать без утраты собственной идентичности" (Матурана У., 1996). Живая система, по мнению, Матураны, может эффективно существовать в меняющейся окружающей среде, она может распознавать и познавать среду, т.е. такая система имеет «знания». Матурана дает определение когнитивной (познающей) системы: "это система, организация которой определяет область взаимодействий, где она может действовать значимо для поддержания самой себя, а процесс познания — это актуальное (индуктивное) действование или поведение в этой области. Живые системы — это когнитивные системы, а жизнь как процесс представляет собой процесс познания. Это утверждение действительно для всех организмов, как располагающих нервной системой, так и не располагающих ею" (Матурана У., 1996). Одним из ключевых моментов теории Матураны является утверждение о том, что анализ в живых системах производится наблюдателем. Но наблюдатель — человек, а, следовательно, тоже живая система, способная различить систему и её среду. В связи с этим возникает проблема распознавания отличий. "Отличие расщепляет мир надвое: на “это” и на “то” , “среду” и “систему”, на “мы” и “они” и т.д. В человеческой деятельности различение занимает одно из самых важных мест и является, разумеется, одним из самых важных действий в науке о системах, поскольку любое определение системы есть различение собственно системы и ее среды" (Клир Дж., 1990).

Данная точка зрение получила развитее в ряде работ. В36 частности, Н. Луман, считает, что под "системой следует понимать не определенные сорта объектов, а определенное различение, именно различение системы и окружающей среды. Система является формой различения, т.е. имеет две стороны: систему (как внутреннюю сторону формы) и окружающую среду (как внешнюю сторону формы). Лишь обе стороны производят различение, производят форму, производят понятие" (Луман Н., 1994).

Для описания систем в различных областях науки и практики используют системообразующие признаки, которые имеют собирательный, синтетический характер. К числу системообразующих признаков относят: элемент, отношение, связь, структура, организация, цель, целеполагание, целостность системы

(Келин Ю.Е., 2006).

Впервые ввел понятие системности в физиологию И.П. Павлов. В статье „Ответ физиолога психологам” И.П. Павлов писал „Человек есть, конечно, система (грубее говоря, машина), как и всякая другая в природе, подчиняющаяся неизбежным для всей природы законам, но система, на горизонте нашого современного научного видения, единственная по высочайшему саморегулированию.... ...метод изучения системы человека тот же, как и всякой другой системы, - разложение на части, изучение значения каждой части, изучение святи частей, изучение соотношения с окружающей средой и, в конце концов, понимание на основе всего этого её общей работы и управления ею” (Павлов И.П.,

1951).

К.В. Судаков (1987) выделяет в системном подходе по отношению к живым организмам различные формы: количественный кибернетический системный подход, рассматривающий биологические динамические системы с позиций теории управления; иерархический системный подход рассматривающий процессы взаимодействия отдельных частей в организме в плане усложнения от молекулы – к клеткам, от клеток –

ктканям, от тканей – к органу, от органа – к системам, и от систем –

кцелому организму. Мультипараметрическое обеспечение отдельных физиологических функций, который базируется на идее о том, что обеспечение одной и той же физиологичсекой функции может осуществляться разным набором одних и тех же физиологических показателей, нередко в их различных количественных сочетаниях (Шидловский В.А., 1973, 1982).

37

1.1.2. Теория функциональных систем П.К. Анохина

Практической реализацией идей и методов системного подхода

вбиологии является теория функциональных систем П.К. Анохина, ориентированная на самоорганизующиеся, саморегулирующиеся организации (Судаков К.В, 1987).

Зарождение теории функциональных систем относится к 1932 г. Исходным материалом при создании теории функциональных систем явились работы П.К. Анохина и его сотрудников по гетерогенным анастомозам периферических нервов. В этих работах центральный отрезок периферического нерва (например, блуждающего) соединялся с периферическим отрезком перерезанного нерва передних конечностей (локтевым, лучевым или срединным). Основной целью этих экспериментов было изучение того, как будет вести себя центр, в данном случае блуждающего нерва, при придании ему несвойственной периферии - кожи мышцы передней конечности.

Врезультате проведенных экспериментов было показано, что «каждый ответный акт является результатом сложного комплекса влияний, как из центральной нервной системы, так и афферентных импульсов от самих органов ответа» (Анохин П.К., 1934). Они позволили заключить, что «перестройка функции после таких перекрестных анастомозов нервных стволов происходит не в отдельных нервных центрах, относящихся к анастомозируемым нервным стволам, а в каком то более обширном функциональном образовании» (Анохин П.К. 1934). Анохин заключает, что «вводя в

систему нервной деятельности постоянную регулирующую и интегрирующую роль периферических аппаратов – это новая точка

взначительной степени порывает с традиционным признанием прерогативы центральной нервной системы в регуляции нервной деятельности» (Анохин П.К., 1935).

Так возникла идея о том, практически во всех биологических

проявлениях в каждый данный момент динамически складывается широкая система из разнообразных образований, все части которой содействуют получению определенного полезного для организма результата. Это послужило основой концепции, по «которой всякий механизм получения полезного результата или приспособления к нанесенному дефекту всегда определяется обширной и весьма организованной системой процессов, части которой являются

высокопластичными и работают по принципу38 взаимосодействия, т.е. кооперации» (Анохин П.К. 1934).

“Выделение результата в качестве главного фактора целенаправленного поведения явилось совершенно новым по отношению к классическому условнорефлекторному принципу деятельности животных и человека, и, в сущности, системообразующим фактором, позволяющим понять, как единичные процессы, детали, результаты аналитического эксперимента соединяются в некоторую гармоническую систему самоорганизующегося процесса” (Анохин П.К. 1984).

Ниже приведено определение функциональной системы, данное П.К. Анохиным в 1975 г.:

“Под функциональной системой понимается такая динамическая организация процессов и механизмов, которая, отвечая запросам данного момента, обеспечивает организму какой либо приспособительный эффект и вместе с тем определяет потоки обратной, т.е. результативной, афферентации, информирующей центральную нервную систему о достаточности или недостаточности полученного приспособительного эффекта. Иначе говоря, любая функциональная система, врожденная или динамически складывающаяся в данной ситуации, непременно обладает чертами саморегуляции с характерными только для нее узловыми механизмами. Мы рассматриваем элементарный акт поведения - условный рефлекс - как отчасти замкнутое образование, в котором, как и во всякой другой функциональной системе, конечный эффект или результат действия немедленно отражается в залпе афферентных импульсаций, направленных обратно по отношению к импульсациям, сформировавшим действие”. (Анохин П.К.,1975).

С общетеоретической точки зрения функциональные системы представляют саморегулирующиеся организации, динамически и избирательно объединяющие ЦНС и периферические органы и ткани на основе нервных и гуморальных регуляций для достижения полезных для системы и организма в целом приспособительных результатов (Судаков К.В.,1987).

Любая функциональная система строится по принципу саморегуляции. Отклонение результата деятельности функциональной системы от уровня, обеспечивающего нормальный метаболизм (жизнедеятельность) организма, является стимулом к мобилизации необходимых элементов системы для обеспечения

этого результата. Отклонения разных показателей внутренней39 среды организма от уровня, обеспечивающего его нормальный метаболизм и побуждающие к активной поведенческой деятельности, составляют в каждый данный момент времени внутреннюю биологическую, или метаболическую, потребность организма.

Теория функциональных систем П.К. Анохина, в своей сущности, является с одной стороны проекцией, а с другой - вариантом, общей теории систем, адаптированной для биологии и медицины.

В настоящее время сформировались и развиваются подразделы общей теории систем, и в частности сформировано направление названное «биологические системы».

Биология систем часто определяется как «изучение всех элементов в биологической системе и их отношениях к друг другу в ответ на пертурбации». (Stephens S.M., Rung J. 2006). Прогресс в науке и технике способствует формированию этого междисциплинарного направления, исследующего функционирование биологических компонентов на клеточном, тканевом и организменном уровнях.

Benner S.A, Ricardo A., (2005) объединяя палеогенетику,

исследование белка, синтетическую биологию и метаболическое моделирование выдвигают концепцию «Планетарной биологии систем». Задачей данного раздела науки, как полагают авторы, должно быть исследование планетарной перспективы биологии, опирающейся на адаптивные эволюционные события в древних бактериях.

Постгеномная эра репрезентировала новые понимания сложности биохимических систем, реакций в клетке и произвела огромное количество информации. Нарастающий поток цифровой информации, описывающей поведение биологических систем создает определенные трудности для построения моделей, и что не менее важно, для понимания этих моделей. Поэтому, модели использующие символические методы могли бы обеспечить более быстрое понимание моделируемых процессов. Целью символических подходов является: моделирование, анализ и предсказание поведения биологических, систем состоящих из биологических компонентов (Errampalli DD, Priami C, Quaglia P., 2004).

Одной из существенных проблем, с которой40 сталкиваются в системном анализе и математическом моделировании потребители данного вида продукции, является отсутствие формализмов одинаково употребимых в биологических и математических дисициплинах.

Как полагают Mandel J.J., Palfreyman N.M., Dubitzky W.,

(2007) главной целью биологии систем является объяснение сложной динамической структуры биологических объектов. Решение этой задачт требует диалога между двумя весьма отличными дисциплинами - науки о жизни и теории систем, при условии визуализации с использованием графических технологий. Существует группа методов для моделирования биохимических сетей. Графические технологии должны описывать метаболизм и регуляцию в биологических объектах, сигнальные и транспортных процессы обеспечиваю.щие гомеостаз. Системы обозначений в биологии систем в настоящее время делятся на две группы. Первая группа ориентирована на обычные биохимические траектории и имеет тенденцию игнорировать роль обработки информации и информационные критерии в функционировании биологических систем. Вторая группа систем обозначений сосредотачивается на обработке информации, инкорпорируясь с идеями обработки информации из других, ориентированных на системы, дисциплин, типа инженерных разработок и менеджетмента. Это в свою очередь затрудняет формирование концептуального багажа. Поэтому необходимо формировние нового формализма – кодепенданса (взаимозависимости), моделирование, которое стремится объединять потребности биолога с математической корректностью, обеспечивающей поддержку компьютерного моделирования динамики изучаемых биологических процесссов. Понятие кодепенданса охватывает преобразование и химического вещества{сущности} и информации, таким образом объединяя метаболический, генный регулирующий и другие процессы в пределах одной концептуальной схемы.

Вработе Sreenath SN, Soebiyanto R, Mesarovic MD, Wolkenhauer O. (2007) обсуждается функциональная архитектура нервной сети, введя дефиницию «координатор». Проводящие пути, формирующие

сети для передачи сигналов, обеспечивают адекватные условия для реакций клеток, на различные биологические стимулы. Связь двух каналов информации (проводящих путей), с целью адаптации клетки реализуется активизированной митогеном киназой белка (MAPK) и