ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Критика концепции оптимальности в биологии из "Теория управления и биосистемы Анализ сохранительных свойств" Эволюция живых систем, наоборот, протекает довольно быстро. Самые медленные процессы эволюции происходят в геологических масштабах времени, самые быстрые — на наших глазах. Быстрая эволюция микроорганизмов и вирусов (в том числе часто и благоприятная для человека), резкие изменения, а иногда и дезинтеграция, эволюционно сложившихся биогеоценозов при интенсивном загрязнении среды — этими примерами далеко не исчерпывается список быстрых эволюционных сдвигов в биологических системах, которые происходят на глазах человека. [c.105] Эволюционный процесс идет по своего рода экстремальным траекториям. Но успевают ли эти траектории достичь стационарных точек Пусть биосистемы проявляют тенденцию к улучшению своей структуры, своего функционирования в процессе эволюции, но на каком же этапе стремления к оптимальному уравновешиванию со средой они находятся в каждый данный момент эволюционного процесса Так, принцип исключения Гаузе гласит, что два вида не могут неограниченно долго существовать в одной нише один из них в конце концов должен быть полностью вытеснен. Этот принцип, обсуждение которого можно найти в [212], определяет лишь асимптотическое состояние модели системы, состоящей из двух видов сам же процесс вытеснения может длиться достаточно долго. [c.105] В палеонтологии не вызывает сомнений факт длительного сосуществования в одном и том же ареале видов-аборигенов и более высокоорганизованных видов-пришельцев, постепенно вытесняющих первоначальное население ...вытеснение организмов, уже занимающих известное местообитание, иммигрантами, в общем лучше вооруженными для борьбы за жизнь. требует более или менее значительного времени [61]. Напомним, что речь здесь идет о геологическом времени. [c.105] Ясно также, что в течение столь длительных периодов времени могут претерпевать существенные изменения сами условия окружающей среды. Это обстоятельство учитывается в работах по математической теории отбора и эволюции (см., например. [c.105] Эволюция близорука — она отдает предпочтение тем видам, которые получают преимущество немедленно. Тем самым в принципе достижимым является лишь ближайший локальный экстремум за счет мелких изменений конструкции организма кардинальные мутации, как правило, детальны [102, 116, 248]. Приспособленность, доведенная до максимума, представляет собой относительный оптимум [99]. [c.107] Критический анализ эволюционного процесса с точки зрения конструктора технических систем,— по выражению самого автора, пасквиль на эволюцию — принадлежит С. Лему [102, стр. 456]. Подытоживая сказанное, можно согласиться с его положением, что эволюция оставляет своим творениям самые примитивные органы и биохимическое оснащение, лишь бы с их помощью они управлялись с сохранением вида . Согласиться, помня, однако, что слова эти принадлежат скорее мыслителю, чем специалисту в области систем. [c.107] СОСТОИТ в оценке тех затрат, которые требует усовершенствование системы, и того приближения к оптимуму, который эти затраты могут дать. [c.109] Не так ли конструируются и биосистемы По крайней мере, уже в первых работах по критериям оптимальности в биосистемах на примере системы дыхания ставился вопрос о компромиссе между улучшением качества функционирования и энерготратами [203]. [c.109] И у собак, хотя оптимальный тип при этом не выделяется [364]. Само разнообразие результатов подобных экспериментов свидетельствует о том, что биосистемы довольно терпимы к свойствам отдельных своих элементов и подсистем. [c.110] Подробнее это свойство живых систем мы рассмотрим в разд. 4.5. [c.110] Постановка задачи об оптимальности управления в технике, рассмотренная в разд. 4.1, включает пять основных пунктов объект управления среда, в которой объект функционирует критерий канества системы цель управления наконец, ограничения на систему управления. Обсуждение каждого из этих пунктов позволяет не только оценить формальные трудности, стоящие на пути анализа биосистем как систем оптимального управления, но и более глубоко обсудить некоторые специфические черты организации биосистем. [c.110] Наконец, каждый целостный биообъект (внутри которого мы сейчас пытались выявить объект управления и регулятор ) не является изолированным. Клетки являются частью организма, организм входит в популяцию, популяции формируют биогеоценозы. [c.111] Специфические трудности возникают на организменном уровне при выделении в качестве объекта отдельных органов и подсистем организма. Эти подсистемы в организме относительно автономны в нормальных условиях, так что выделение их Б качестве объекта исследования во многих случаях не вызывает сложностей. Однако при ухудшении условий среды связи между отдельными подсистемами становятся более тесными сильные стрессорные воздействия организм встречает не как совокупность изолированных подсистем, а как целостная система [34, 164, 181, 188]. Таким образом, в сложных условиях, когда в наибольшей степени должны проявляться оптимальные свойства органов и систем организма, возникают и наибольшие трудности с выделением отдельных объектов регулирования в целостном организме. Аналогичные сложности могут возникнуть и при анализе экосистем. [c.111] Описание среды. С описанием среды в биосистемах, по-видимому, дело обстоит наиболее хорошо по крайней мере, в первом приближении среда должна описываться так же, как при исследовании технических систем.. Однако определенные трудности все же могут возникнуть из-за разделения целостной биосистемы на подсистемы — объект и его окружение — среду . В частности, на организменном уровне для каждой подсистемы в качестве среды выступают все остальные подсистемы [51], и здесь мы сталкиваемся с теми же трудностями, что и при определении объекта управления. [c.112] Критерий качества. Обычно улучшение качества биосистемы связывается с уменьшением затрат энергии на ее функционирование [97, 171, 175, 230—232] или с улучшением протекания процессов в системе (например, быстродействие [29, 108], минимизация флуктуаций переменных внутренней среды [34], достижение экстремальных значений некоторых переменных состояния [7]). Для экологических систем часто предполагается максил ьная приспособленность или максимальная скорость размножения в среде [161, 231 н др.]. [c.112] Однако выбор критерия оптимальности все же остается полностью делом вкуса исследователя. Интуитивная ясность критерия служит недостаточным ориентиром хотя бы потому, что в/стандартных условиях (нацример, при отработке ступенчатого воздействия) процессы, минимизируюш,ие энерготраты или время переходного процесса, практически различить невозможно ([229], см. рис. 4.4). Следует иметь в виду, что в других случаях система может, наоборот, оказаться весьма критичной к выбору критерия оптимальности. Система, оптимальная в некотором смысле, с другой точки зрения может оказаться неоптимальной и даже бесполезной [240]. [c.112] Кроме того, при наличии упомянутых альтернатив у уссле-дователя всегда остается выбор одной из двух постановок задач минимизация энергетического показателя при ограничениях на качество процесса или получение экстремума показателя качества при ограничениях на энергетические траты. Исчерпывающей аргументации в пользу выбора того или другого подхода в каких-либо конкретных ситуациях в литературе нет. Зато, как уже отмечалось, имеется тенденция к рассмотрению компромиссных критериев [175, 203]. [c.112] В онтогенезе, — мы уже обсуждали (разд. 1.7). Здесь мы только добавим, что биосистемы — многоцелевые системы, выполняющие одновременно несколько разных функций в различных условиях среды непосредственные цели могут быть весьма различными. Для исследования многоцелевых систем разработаны специальные методы [73, 93]. [c.113] Трудность формирования цели является существенным возражением против концепции оптимальности биосистем нельзя одновременно обеспечить оптимальные процессы во всех случаях, если цели системы в каждой ситуации разные. На этом основании многие авторы говорят о достаточности для системы получения в каждом конкретном случае не оптимального, а лишь удовлетворительного результата [136, 259, 278]. Для экологических систем подобную мысль проводит и Р. Розен [175, стр. 120]. Подробнее об этом мы будем говорить в разд. 4.5. [c.113] Ограничения. В технических задачах ограничения на координаты системы и на управление возникают из чисто конструктивных соображений — ручка управления может быть доведена только до упора и не больше элементы конструкции технической системы рассчитаны на точно заданные напряжения и усилия, запас топлива в баках строго ограничен. [c.113] Вернуться к основной статье