Страница 94 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен - Философия как наука - Философия на vuzlib.su
Тексты книг принадлежат их авторам и размещены для ознакомления Кол-во книг: 64

Разделы

Философия как наука
Философы и их философия
Сочинения и рассказы
Синергетика
Философия и социология
Философия права
Философия политики

  • Статьи

  • align=left style='text-align:left'>Главный принцип обратных связей в живых системах

    В науке эффективна модель, которую называют – системы с об­рат­­­ными связями. Этот термин означает, что доля  от эф­фек­­та на вы­хо­­де системы (вы­ходного сигнала) прибавляется или вычи­тается из вход­ного воздействия (входного сигнала). В общем виде это может быть выражено более сложной функ­цией, чем ли­нейная. Положительная об­ратная связь увеличивает вход­ной сигнал в функции от выходного. Ей соответствует положитель­ный знак .  Отри­ца­тельная обратная связь – уменьшает входной сиг­нал, что отобра­жа­ет отрицательный знак при .

    Инженеры вво­­дят обратные свя­зи в ра­бо­ту и конст­рук­цию уст­ройств с заданными це­ля­ми. Не­произвольно целенаправлен­ность обрат­ных связей ищут и при опи­са­нии живых систем. Опять необ­хо­ди­мо на­пом­нить, что природа целей (в тер­­минологии человека) не имеет.

    Поло­жи­тельные и отрицательные об­рат­­ные связи альтер­на­тивны по результатам своего действия. Слу­чайность, ограниченная условия­ми, регулирует соотношение этих альтер­натив. При этом как всегда и везде в живых сис­темах, в ус­ло­виях участ­вуют зако­номерности. Энтропия-ин­фор­мация и семанти­чес­кая ин­фор­ма­ция входят в обратные связи с учё­том семантического коэф­фи­­циента (1.30). Результат запоминается как син­тез информации.

    Случайность альтернативных обратных связей в жи­вых сис­те­мах не­­избежно приводит к одновременному дей­ст­вию как поло­жи­­тель­ных, так и отрицательных обратных связей. Если они суще­ст­вуют меж­­ду двумя тождественными точками тождественных элемен­тов или со­с­тоя­ний системы, то это эквивалентно одной обратной свя­зи с новой ве­личиной , зави­ся­щей от доли каж­дой из них. Такая ком­бина­ция обратных свя­зей экви­ва­лентна единственной обратной свя­зи.

    В случае единственной обратной связи любого знака естественный отбор не всегда может привести к запоминанию результата. Высоко ве­ро­ятны случаи, когда только отрицательная об­ратная связь очевидным об­разом запретит выжива­ние из-за уменьшения количеств, например, осо­­бей. Работа только положи­тель­ной обратной связи при­­ведёт, опять-таки, к невозможности выживания, но из-за взрывного роста результата и гибели системы, напри­мер, по причине пере­про­из­вод­ст­ва по отно­ше­нию к ре­сур­сам. Ре­альные системы, как правило, нелинейны – имеют огра­ни­чения выход­ных сигналов. Это раз­ре­шает в живых си­стемах обрат­ные связей только од­но­го знака как исключения.  

    Случайность рав­ноправ­но создаёт в живых системах обратные свя­зи обоих знаков. Это случайность, а потому велика вероятность того, что аль­тер­нативные обратные связи возникнут между разными эле­ментами или процессами одной и той же системы и разными точками в них. В тер­минах инженерных уст­ройств такие обратные связи имеют разные величины  и прило­же­ны в раз­ных точках конструкций. Ин­же­нерные приме­ры поз­во­ляют по­­яснить уникальные свойства, которыми обладают такие ком­би­ни­ро­ван­­­­ные обратные связи. 

    Рис. 7.9.

     
    Первый из видов таких связей поясню на примере устройства, осу­ще­ст­вление которого предложено и описано в [134]. Дан усилитель (1 на рис. 7.9), име­ющий на входе резонанс­ный кон­­тур 2. Его характеризует час­то­та ре­зо­нан­са 0 и добротность – посто­ян­­ная, опи­сываю­щая потери энергии в ко­ле­ба­тель­ном кон­туре. От её величины за­висит ост­рота резонанса ко­лебательного конту­ра – интер­вал час­тот , в пределах ко­торого амплитуда коле­ба­ний умень­шает­ся в два раза. Введём в эту систему поло­жительную обратную связь 3. Величина сопротивления резонансного контура 2 максимальна на частоте резо­нан­са и стремится к нулю вдали от него. С участием сопротивления вели­чиной R в схеме рис. 7.9 ве­ли­чина  становится зави­си­мой от часто­ты. Зададим R такой ве­ли­чи­ны, ко­то­рая соответствует на частоте ре­зо­нанса  передаче на вход сигнала,  немного превышающего потери в кон­­ту­ре. Схема прев­ра­ща­ется в гене­ра­тор, на выходе которого образует­ся сину­со­и­дальное на­пря­жение час­тотой 0. Ес­ли усилитель ли­нейный, то после включения та­кой системы должен прои­зой­ти взрыв. Реально взрыва нет, так как при боль­ших сиг­налах любой уси­литель перестаёт быть ли­ней­ным и выходной сигнал перестаёт расти. В этой схеме положительная обратная связь 3 обладает свойством – зависимостью своей величины от частоты. Её закон за­даёт резонансный кон­тур 2 на входе системы. 

    Введём в систему отрицательную обратную связь 4, не зависящую от частотной зависимости положительной обратной связи. Для её реали­зации напряжение с выхода усилителя приложим не к самому коле­ба­тельному контуру, а к сопротив­ле­нию во входной це­пи усилителя (на­пример, в цепи его первого тран­зи­с­то­ра). Положительная обратная связь обладает некоторым селективным свойством, отрицательная – нет. Воз­никает результат, изменяющий качество системы.

    В частности, если , то схема рис. 7.9 останется генера­то­ром. Отри­ца­тельная обратная связь повысит его качество – ослабит не­га­тивное влияние на искажения генерируемого сигнала нелиней­но­сти системы (обязательной для ограничения амплитуды колебаний).

    Ес­ли, то генерация колебаний в системе рис. 7.9 невоз­можна. Она является усилителем, селективным по частотам входных сиг­налов по­добно пассивному колебательному контуру. Однако усиле­ние сиг­на­лов в сочетантии с аль­тер­на­тивными обратными связями меня­ет селек­тив­­ные свойства системы. Например, при зву­ковых и инфра­зву­ковых час­­тотах колебаний катушка в ко­ле­бательном контуре содержит мно­го вит­ков провода и их электрическое сопротивление делает доброт­ность пас­­сивных колебательных контуров крайне низкой. Острый резо­нанс на низких частотах с их помощью получить невозможно, а он может быть необходим в технических задачах. Однако тот же са­мый контур как из­де­лие, когда он сопряжён со схемой рис. 7.9, может об­ла­дать ог­ромной доб­ротностью (в 103 – 106 сугубо практически), то есть не ниже чем на высоких радиочасто­тах – комбинированные обратные свя­зи ввели новое качество в селекцию по частотам.

    Задумайтесь, например, над селективной чувствительностью по час­­то­там орга­нов слуха. Ведь в инженерных критериях она исклю­чи­тель­­но велика, а высокодобротные ре­зо­наторы для весьма низких меха­ни­чес­ких частот звука реализовать в ор­га­низме трудно. Ответ – в ор­га­нах слуха работают схемы с обрат­ны­ми свя­зями ти­па рис. 7.9. Но они в тер­ми­нах этой схемы не исследованы.  

    Рис. 7.10.

     
    Другой инженерный пример ка­че­ст­венно нового ре­зуль­тата при ис­поль­­зовании комбинированных обрат­ных свя­зей даёт схема [135]. Дан линейный усилитель (1 на рис. 7.10). Введём в схеме рис. 7.10 об­рат­ную связь в виде тока че­рез сопротивление 2, вклю­ченное последовательно во вход­ную цепь. Этот ток пропор­ционален вы­ходному напряжению. Вы­берем по­ляр­ность под­клю­чения выхода усилителя к сопротивлению 2 так, чтобы, напря­же­ние на нём действовало навстречу вход­но­му напряже­нию. Получится отрица­тель­ная обратная связь с мно­жи­­телем пропорци­о­наль­ности . Вклад встреч­но­го напряжения на сопротивлении 2 умень­шает ток во входной цепи, то есть повышает её эквививалентное со­противление. При этом соот­вет­ственно уменьшается выходной сигнал устройства в целом.

    Введём в схему положительную обратную связь 3, приложенную вблизи входа усилителя, но не влияющую на токи в его входной цепи.  Воз­никла комбинация альтер­нативных обратных связей, обладающих се­ле­к­тивными свойствами по отношению к напряжениям и токам во вход­ной цепи. Она наделяет усилитель рис. 7.10 уникальным свойством.

    Если, но обе величины близкие по величине, то усили­тель приобретёт принци­пи­ально новое качество. Фактически измеренное омметром сопротив­ле­ние входной цепи при выклю­чен­ном устройстве мо­жет быть очень малым, например ~ 0,1 Ома. При работающем уст­ройстве и малых напряжениях на входе усилителя (вблизи его порога чув­ст­ви­тель­ности) ток во входной цепи будет близок к вычис­лен­­но­му, исходя из этой величины сопротивления. Омметр есть прибор, содер­жащий в себе источник на­п­ря­­жения, которое обычно много боль­ше по­ро­га чувствительности уси­ли­телей. Измерим таким омметром входное соп­ротивление устройства. Он покажет огромную величину, например, в экспериментах с описан­ной выше системой  ~106 Ом.

    Альтернативные обратные связи привели к принципиально новому селективному свойству усилителя – его входное электричес­кое сопро­тив­­ление тем больше, чем больше напря­жение, приложенное к его входу. Входной ток остаётся вблизи по­ро­га чувствительности, независи­мо от приложенных ко входу напря­жений, а выходной сигнал изменяет­ся в тех же пределах, как это было бы без обратных связей.    

    Звук интенсивностью в 100 дБ в дискотеках некоторым доставляет удовольствие. Эта единица есть 20 десятичных логарифмов отношения сигналов, то есть звук в дискотеке в 100 тысяч раз превосходит нормаль­ные для че­ло­века слуховые воздействия. Если бы в организме не бы­ло альтер­на­тив­ных обрат­ных связей того типа, который был проиллю­ст­рирован вы­ше на инже­нер­ном примере рис. 7.10, то в дискотеках органы слуха и мозг людей пла­ви­лись бы в прямом смысле поглощённого тепла.

    При анализе живых систем мало установить обратные связи в них. Необходимо выяснить качественные отличия положительных и отри­ца­тельных обратных связей – признак, который усиливает или ослабляет одновременное действие противоположных обратных связей. 

    Комбинированные положительные и отрицательные обратные свя­зи в живых орга­низ­мах и их экологических взаимодействиях возникают как случайно­с­ти, ограниченные условиями (преимущественно физико-хи­ми­ческими). Поэтому в каждой паре  они неизбежно приложены к разным элементам. Отбор за­­поминает из них те пары (или более слож­ные комбинации), которые по­вышают химическую, электрическую, ме­ха­ни­ческую селективность и  входное сопротивление во всех его видах.

    При исследовании живых систем от внутриклеточных орга­нелл до биогеоцинозов и разума человека ищите в первую очередь неспецифическую от­ри­ца­тель­ную или положитель­ную обратную связь. Тогда станет понятным как и какие эффекты селективно выде­ля­ют те обратные связи в живой системе, которые избирательны по своим свойствам.

    Я объяснил выше главное об обратных связях в живых системах. Пример таких обратных связей в сетчатке глаза будет дан в главе VIII. Он показывает, что изложенное выше остаётся глубоко непонятым ис­сле­дователями.

    Проанализируйте с позиций введенного в этом параграфе из­вест­ные вам альтернативные комбинации об­рат­ных связей при ме­­та­бо­лиз­ме, в работе нер­в­ных систем, в органах чувств. Вы найдёте и смо­жете объяс­нить крупные селективные эф­фекты, по­доб­ные проил­лю­ст­­рирован­ным на при­мерах инженерных уст­ройств рис. 7.9, 7.10. Вместо приспосо­бительных целей, которые навязываются природе, вы обна­ру­жи­те запом­­­ненные случайности в комбинациях положительных и отри­ца­тель­ных об­рат­ных связей. Вы убедитесь, что запомненное гротескное на­­­гро­мож­дение многократных положительных и отрицательных обрат­ных связей создаёт такие чудеса, которые с целью получить невозможно.

    Случайность! Именно случайность, но как сос­тав­ля­­ю­щая синтеза ин­формации, ограни­чен­ная условиями (а не как независимые случай­но­с­ти игры в кости!), гаран­тирует совершенство взаи­мо­действий мета­бо­лизма, экологии и разума живых существ во всех его формах, начиная от первичного зарождения жизни.





     
    polkaknig@narod.ru ICQ 474-849-132 © 2005-2009 Материалы этого сайта могут быть использованы только со ссылкой на данный сайт.