§2.2. Области исследований.

Биокибернетика – это научное направление, связанное с проникновением идей, методов и технических средств кибернетики в биологию. Зарождение и развитие биокибернетики связаны с эволюцией представления об обратной связи в живой системе и попытками моделирования особенностей её строения и функционирования (П.К.Анохин, Н.А.Бернштейн и др.). Эффективность математического и системного подходов к исследованию живого показали и многие работы в области общей биологии (Дж.Холдейн, Э.С.Бауэр, Р.Фишер, И.И.Шмальгаузен и др.). Процесс «кибернетизации» биологии осуществляется как в теоретической, так и в прикладной областях. Основная теоретическая задача биокибернетики – изучение общих закономерностей управления, а также хранения, переработки и передачи информации в живых системах.

Всякий организм – это система, способная к саморазвитию и управлению как внутренними взаимосвязями между органами и функциями, так и соотношениями с факторами среды. Стремясь понять природу живого, учёные часто старались отыскать в организме то, что можно было исследовать изолированно. Цель биокибернетики – изучение организма с учётом основных взаимосвязей, начиная с клеточного, тканевого, органного уровня и кончая организменным. Живая система характеризуется не только обменом вещества и энергии, но и обменом информации. Биокибернетика рассматривает сложные биологические системы во взаимодействии со средой именно с точки зрения теории информации. Одним из важнейших методов биокибернетики является моделирование структуры и закономерностей поведения живой системы; оно включает конструирование искусств, систем, воспроизводящих определённые стороны деятельности организмов, их внутренние связи и отношения. Биокибернетика рассматривает живой организм как многоцелевую «иерархическую» систему управления, осуществляющую свою интегративную деятельность на основе функционального объединения отдельных подсистем, каждая из которых решает «частную» локальную задачу. Особенность организма как сложной динамической системы – единство централизованного и автономного управления. Саморегуляция, характерная для всех уровней управления живой системы, обеспечивается автономными механизмами, пока не возникают такие возмущения, которые требуют вмешательства центральных механизмов управления.

В последнее время всё большее внимание биологов привлекают функциональные характеристики биологических систем управления, обусловленные периодическими (ритмическими, циклическими) процессами. Живые организмы с высокой точностью способны «измерять» время («биологические часы»). Это выражается в периодических изменениях дыхания, температуры тела и других процессов жизнедеятельности. Природа биологических ритмов ещё во многом неясна, но есть все основания полагать, что периодичность – фундаментальная характеристика функционирования биологической системы и процессов управления в ней. Процессы, происходящие на каждом из уровней живой системы, характеризуются своей специфической периодичностью, определяемой как внутренними, так и внешними факторами. А между периодической активностью отдельных уровней в нормально функционирующем организме существуют определённые фазовые сдвиги (сдвиги во времени), обусловленные специфической организацией управления на каждом из уровней. Нарушение этих нормальных фазовых сдвигов может вызвать нарушение работы всей живой системы или её части. Это ведёт к сбоям в работе системы управления и накоплению ошибок, что можно описывать как появление «шумов». Коррекция сбоев требует внутренней перенастройки системы (её алгоритма) либо внешних управляющих воздействий за счёт включения механизмов управления более высокого уровня.

Живые существа объединяются в системы разного порядка (популяции, биоценозы и т.д.), образуя своеобразную иерархию живых систем. Во всех этих надорганизменных системах, как и в жизни клетки, развитии организма, эволюции органического мира в целом, имеются внутренние механизмы регуляции, для изучения которых также применимы принципы и методы биокибернетики.

Механизмы управления определяют течение жизненных процессов не только в норме, но и в патологии (Медицинская кибернетика).

Клетка – сложная саморегулирующаяся система. Она обладает многими регуляторными механизмами, одним из которых являются колебания её структуры, связанные с деятельностью митохондрий и совпадающие с колебаниями окислительно-восстановительных процессов. Синтез белков в клетке управляется генетически детерминированными механизмами, связанными с процессами хранения, переработки и передачи генетической информации.

Изучение жизнедеятельности организма в целом и его разных функций, а также механизмов, управляющих работой отдельных органов и систем – это та область, где биокибернетика оказалась наиболее результативной. В связи с этим сформировались самостоятельные направления – «физиологическая кибернетика» и «нейрокибернетика», изучающие механизмы поддержания гомеостаза; принципы саморегуляции функций организма и протекания в нём переходных процессов; закономерности нервной и гуморальной регуляции в их единстве и взаимодействии; принципы организации и функционирования нейронов и нервных сетей; механизмы осуществления актов поведения и другие проблемы. Изучая закономерности работы человеческого мозга, в основе которой лежит комплекс алгоритмов, т.е. правил преобразования информации, биокибернетика позволяет моделировать (в т.ч. и на ЭВМ) различные формы работы мозга, выявляя при этом новые закономерности его деятельности. Созданы, например, программы для ЭВМ, обеспечивающие возможность обучения, игры в шахматы, доказательства теорем и др. Развивается т.н. эвристическое программирование, когда исследуют и моделируют правила переработки информации в мозге при тех или иных творческих процессах.

Анализ механизмов индивидуального развития и процессов управления в популяциях и сообществах, включающих хранение, переработку и передачу информации от особи к особи – также сфера исследований биокибернетики. На уровне биогеоценозов, включая и биосферу в целом, биокибернетика пытается использовать метод моделирования для целей оптимизации биосферы, в частности для определения путей наиболее рационального вмешательства человека в жизнь природы.

Вопросы эволюции с позиций биокибернетики были впервые рассмотрены И.И.Шмальгаузеном, который:

• отметил иерархичность управления,

• выделил основные каналы связи между особями, популяцией и биоценозом,

• определил возможность потери информации и её искажений

• описал эволюционный процесс в терминах теории информации.

С этих же позиций исследуются механизмы различных форм отбора.

Примером применения биокибернетики в прикладных целях может служить создание:

• устройств для автоматического управления биологическими функциями (т.н. биопротезирование),

• автоматических устройств для оценки состояния человека:

• трудовой деятельности

• во время спортивной деятельности,

• при творческой работе,

• при работе в субэкстремальных и экстремальных условиях.

Использование методов и средств кибернетики для сбора, хранения и переработки информации, получаемой в ходе биологических исследований, позволяет вскрывать новые количественные и качественные закономерности изучаемых процессов и явлений.