Элементы теории информации и регулирования биологических

ПРОЦЕССОВ

Кибернетика! — это наука об общих законах связи и управления в разнообразных системах: технических устройствах, живых организмах, человеческом обществе. Возникновение кибернетики было подготовлено рядом технических и естественнонаучных достижений: во-первых, разработкой теории автоматического регулирования и развитием радиоэлектроники, что позволило создать программно-управляемые вычислительные машины; во-вторых, применением теории вероятностей к исследованию передачи и преобразования информации, т. е. созданием теории информации.

Возникновение теории информации обычно связывается с фундаментальной работой К. Шеннона «Математическая теория связи», опубликованной в 1948 г. Важную роль в создании кибернетики сыграли работы и области физиологии, описывающие регуляцию различных физиологических функций в организме и гомеостаз — постоянство параметров внутренней среды организма. Особое значение приобрели работы П. К. Анохина, разработавшего теорию функциональной системы с обратной афферентацией о результатах действия (1935), которая предвосхитила развитие системного подхода в оценке поведения организмов. Только через

От греч. «kybernetike»— искусство управления.

12 лет после опубликования этой теории все ее основные физиологические черты были развиты кибернетикой.

Таким образом, кибернетика возниклав результате совместных усилий математиков,физиков, инженеров, биологов. Впервые обобщенно принципы кибернетики были изложены американским математиком Н. Винером, которого называют «отцом кибернетики». Официально временем рождения кибернетики считают год появления его фундаментального труда «Кибернетика», опубликованного в 1948 г. и быстро получившего признание.

В отличие от других естественных наук, которые изучают системы с точки зрения изменения вещества в системе, а также с точки зрения энергетики процессов, кибернетика занимается рассмотрением процессов управления и регулирования в системах. Управление и регулирование осуществляются через постоянный обмен и циркуляцию информации между элементами системы. Химия, например, занимается рассмотрением процессов изменения вещества, превращения одних веществ в другие, происходящего при химических реакциях. Основными понятиями химии являются такие понятия, как атом, молекула, химическая реакция. Термодинамика рассматривает вопросы, связанные исключительно с энергетической стороной процессов. Поэтому основным понятием термодинамики является энергия.

Кибернетику не интересует ни материальная природа системы, ни энергетическая сторона процессов, протекающих в системе. Ее интересуют те команды и информация, которые обусловили протекание именно данного процесса. Эта мысль хорошо выражена в определении кибернетики, данном А. Н. Колмогоровым: «Кибернетика занимается изучением систем любой природы, способных воспринимать, хранить и перерабатывать информацию и использовать ее для управления и регулирования». Основным количественным понятием кибернетики является информация. Таким образом, сущность кибернетики состоит в исследовании информационных процессов управления в машинах, организмах, обществе. Как установлено, эти процессы основаны на одних и тех же принципах, что и позволяет кибернетике рассматривать все эти системы.

Фундаментом кибернетики являются разные разделы математики: теория вероятностей, теория множеств, теория игр, математическая логика, теория алгоритмов и пр. Применение аппарата кибернетики облегчает систематизацию, понимание и моделирование общих схем и механизмов регулирования в организмах. Основная ценность применения кибернетических методов для анализа процессов, протекающих в биологических системах, заключается в том, что с их помощью можно количественно подходить к оценке механизма регулирования.

Кибернетика имеет очень большое значение для развития медицины. Одним из основных направлений развития современной медицины является кибернетикоматематическое направление. Если раньше для характеристики жизни пользовались представлением об обмене веществ и энергии, то в настоящее время это представление расширено. Для характеристики жизни необходимо использовать представление об обмене информацией, об информационных процессах. Живые системы обладают способностью к сохранению своих физико-химических свойств при наличии внешних воздействий. Это сохранение возможно в результате наличия соответствующих реакций, которые управляются специализированными управляющими системами, имеющими некоторую информацию — модель. Согласно А. А. Ляпунову, «жизнь можно охарактеризовать как высокоустойчивое состояние вещества, использующее для выработки сохраняющих реакций информацию, кодируемую состоянием отдельных молекул». При этом характерна передача информации от одних устойчивых систем к другим в процессе эволюции. В приведенном определении подчеркивается функциональная сторона явлений жизни, что позволяет рассматривать как жизнь не только определенные явления на Земле, но и искать новые формы жизни вне Земли.

В настоящее время живой организм представляют как сложную саморегулирующуюся систему, обменивающуюся веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Информационные процессы (управление, регулирование) являются определяющими в организме. Это объясняется тем, что информация в сложной системе является первичной моделью, на основе которой происходят все процессы.

Любой патологический процесс в организме с точки зрения кибернетики считается рассогласованием или нарушением регулирующих систем организма, а лечение представляет собой исправление или компенсацию этих нарушений. В настоящее время физиологии и медицине известны лишь фрагменты сложнейшей сети регуляций в организме. Биологическая и медицинская кибернетика также находятся лишь в стадии составления общих схем регулирования в организме. Делаются только первые шаги в направлении количественного описания этих схем. Так как системы регулирования в организме во всей их сложности неизвестны, то и не всегда возможно полностью исправить нарушения при их возникновении (при патологии). Помочь преодолеть этот недостаток может кибернетика, позволяющая качественно и количественно описывать процессы управления и регулирования.