Принцип двухканального управления

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРИНЦИП ДВУХКАНАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ И ПОСТРОЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

В настоящее время существует несколько определений понятий системы и окружающей её среды, используемых разными авторами в целях рассмотрения интересующих их проблем: философских, физических, математических и других. Для описания принципа двухканального управления целесообразно использовать следующие взаимосвязанные определения: "Система есть совокупность выделенных из среды элементов, объединённых взаимодействием" [3, c.39]; "Среда есть совокупность всех объектов, изменение свойств которых влияет на систему, а также тех объектов, чьи свойства меняются в результате поведения системы" [5, c.258].

Эти определения важны не только для выяснения понятий "система" и "среда", особенно ценно отмеченное в них взаимодействие элементов системы, что позволяет говорить о возможности специализации отдельных элементов системы, - специализации, которая призвана служить общим целям системы. Не менее существенна и подчёркиваемая в приведённых определениях неразрывная связь системы и среды: изменение свойств объектов среды влияет на систему, поведение системы изменяет свойства объектов среды.

Введём ещё несколько определений, которые понадобятся нам в дальнейшем. Назовём среду стационарной на данном отрезке времени , если объекты, из которых она состоит, не меняют своих свойств на этом временном отрезке. Соответственно, среда нестационарна, если объекты, из которых она состоит, меняет свои свойства.

Для обеспечения своего существования в условиях нестационарной среды, система должна получать информацию о состоянии этой среды, перерабатывать её и выбирать решения о необходимых реакциях, обеспечивающих существование системы в данной среде. В случае стационарности среды, система, получив однажды информацию о среде и выработав соответствующее решение, занимает стационарное равновесное положение относительно среды. В дальнейшем, принимая решение о сохранении равновесия относительно стационарной среды, система может базироваться только на прошлом своём опыте, только на информации хранимой в памяти. В этом случае нет необходимости в получении новой информации.

Рассмотрим более сложную среду, часть элементов которой стационарна, а часть нестационарна. При обеспечении существования системы в такой среде, можно либо не учитывать, либо учитывать характер её элементов. В первом случае придётся непрерывно добывать и усваивать информацию о всех элементах среды, не делая между ними различия. Во втором имеется возможность уменьшить поток информации, получая её только о нестационарных элементах и учитывая уже имеющуюся информацию о положении стационарных элементах в прошлом. Очевидно, что второй путь более выгоден, поскольку он уменьшает суммарный поток информации, идущий от среды к системе.

Таким образом, в среде, состоящей как из стационарных, так и нестационарных элементов, информация, получаемая и используемая системой для синтеза решений, должна с необходимостью разделиться на два потока: "из прошлого" и "из настоящего".

При уточнении этих понятий, будем исходить из того, что как оценка, так и классификация информации должны быть произведены с учётом их важности и своевременности для формирования решения.

Информация "из прошлого" - это та часть необходимой для формирования решения информации, которая поступила в систему до момента получения первого сигнала о некотором конкретном изменении в среде.

Информация "из настоящего" - это та часть необходимой для формирования решения информации, которая поступила в систему с момента получения первого сигнала о некотором конкретном изменении в среде, включая сам сигнал.

Такие определения позволяют разделить поток информации во времени. Уточним причины этого разделения. Информация "из прошлого" должна быть отделена от информации "из настоящего" потому, что она характеризует факторы, действовавшие на достаточно большом от резке времени и проверена опытом. Она более надёжна и потому составляет содержание "постоянной памяти" системы. Информация же "из настоящего" менее надёжна, требует проверки и, возможно, характеризует временно действующие факторы среды. Она составляет содержание "оперативной памяти" системы и, с большой вероятностью, может быть скорректирована новыми воздействиями среды. Эти причины приводят к разделению потоков информации не только во времени, но и в пространстве. Иными словами, системе необходимо иметь два хранилища сведений о среде: "стратегическую память" и "оперативную память", точнее два канала информации, поскольку речь идёт о передаче системе информации от среды.

"Канал, - пишет Эшби Р.У., - это просто любая система, которая своим входом может приводиться в каждый момент времени в одно из некоторого разнообразия состояний и которая может передавать это состояние какому-то получателю... Заметим, что понятие "канал" определяется в кибернетике исключительно в терминах наличия между двумя точками определённых поведенческих отношений; если между точками имеют место такие отношения, то между ними существует канал - совершенно независимо от того, можно ли усмотреть между ними какую бы то ни было материальную связь. В силу этого каналы, которые видит кибернетик, могут значительно отличаться от каналов, которые видит специалист в другой области. В простейших случаях это достаточно очевидно. Никто не отрицает реальности некоторой функциональной связи магнита с магнитом, хотя ни один эксперимент не обнаружил до сих пор между ними никакой промежуточной структуры" [7, c.257,258].

О необходимости разделения памяти систем на "постоянную" или "стратегическую" и "оперативную" указывалось и ранее [1], [2]. В настоящее время, по-видимому, назрела необходимость сформулировать это положение в виде общего принципа, управляющего, наряду с другими закономерностями, развитием систем.

1. В стационарной среде системе достаточно иметь один канал для получения информации о среде - канал первого рода - и пользоваться только информацией "из прошлого".

2. Оптимизация способа получения системой информации о состоянии нестационарной среды с необходимостью приводит к использованию двух каналов. Канал первого рода передаёт информацию о прошлом опыте взаимодействия системы со средой. Канал второго рода передаёт информацию о современном опыте.

Два канала информации существуют и могут быть обнаружены в каждой достаточно совершенной системе, развивающейся в нестационарной среде (в народном хозяйстве, производственном коллективе, учебном заведении, артистической труппе и т.п.). Особенно ярко описанный принцип двухканального управления проявляется в живых биологических системах, существующих и совершенствующихся миллионы лет.

"Рассмотрение структур основных самовоспроизводящихся систем - нуклеопротеида, клеточного ядра, клетки, организма и популяции - показывает, что внутри каждой из этих систем можно заметить чёткую дифференциацию на две сопряжённые подсистемы. В популяции это два пола, в организме - два вида клеток: половые и соматические, в клетке - ядро и протоплазма, в ядре - аутосомы и половые хромосомы, в нуклеопротеиде - ДНК и белок" [2, c. 271 - 379]. Анализируя процессы, протекающие в рассмотренных системах, В.А.Геодакян пришёл к выводу, что одни подсистемы (женский пол, гаметы, ядро, аутосомы, ДНК) представляют собой информационные емкости, т.е. являются каналами первого рода, несущими информацию "из прошлого"; другие подсистемы (мужской пол, соматические клетки, цитоплазма, половые хромосомы, белки) реализуют непосредственную связь со средой и являются, следовательно, каналами второго рода, несущими в систему информацию "из настоящего".

Обратимся теперь к общим принципам, на которых строится управление биологических систем. Оказываются, что способы управления можно разделить на два типа в зависимости от того возникает ли регулирующее воздействие внутри самой управляющей системы или же оно вырабатывается каким-то специальным механизмом обособленных от элемента, которым он управляет, но при этом действующим на этот элемент. Эти типы управления можно назвать, соответственно, внутренним (эндогенным) и внешним (экзогенным) управлениями [4, c. 13].

Пассивное поддержание нормальной пространственной ориентации у животных, обитающих в воде, обеспечивается взаимным положением центров плавучести и тяжести. Управление частотой взмахов крыльев у некоторых насекомых определяется механическими свойствами внутреннего управления. Подобные способы надёжны и просты. Они основаны на законах физики и не требуют специальной программы поведения и реакции. Нервная система может даже не участвовать в их регулировке. Здесь действует концентрированный опыт прошлых поколений, предполагающих неизменность внешней среды, это - идущая "их прошлого" информация о стационарных условиях, в которых обитает живая система. Внутреннее управление является, таким образом, каналом первого рода в биологических системах.

Однако в любой среде существуют и нестационарные элементы. Реакция на них определяется внешним управлением, которое организовано так, что некоторое возмущение, действующее на организм, обнаруживается специальным чувствительным элементом. Этот элемент посылает сигнал в определённую область нервной системы, где происходит сравнение сигнала с его программным значением.

Если между ними имеется различие, то вырабатывается команда, вызывающая противодействие организма внешнему возмущению. Рефлекторная дуга, обеспечивающая отдёргивание руки при ожоге, может служить наглядным примером внешнего управления. Здесь обрабатывается информация "из настоящего", основная ценность которой в получении сведений о нестационарных элементах среды. Таким образом, внешнее управление в организмах - это канал второго рода.

Деление управляющих элементов системы на внутреннее и внешнее управление не абсолютно. Одни и те же элементы в одном случае могут выступать в роли внутреннего, а в другом - в роли внешнего управления. Выше отмечалось, что в нуклеопротеиде роль канала первого рода играет нуклеиновая кислота, а роль канала второго рода - белок. Однако, рассмотрение положений теории молекулярной эволюции Эйгена приводит к выводу, что в процессе появления жизни на Земле белок мог играть роль канала первого рода, так как он характеризуется высоким содержанием информации, имеет стабильную форму и способен к воспроизводству мутантов, в то время как нуклеиновые кислоты, для которых характерно низкое содержание информации и которые слишком легко подвергаются мутациям, могут играть роль канала второго рода в процессе эволюции на молекулярном уровне [6].

Нуклеиновая кислота и белок, аутосомы и половые хромосомы, ядро и цитоплазма, гаметы и соматические клетки, женский и мужской пол, регулировка живого организма на основании закона действующих масс и гормональные, нейросекреторные регуляторные механизмы, скелет и нервная система, подкорка и кора головного мозга, стабильная организация сообщества и динамика взаимодействия особей, сохранение вида как целого и гибель особей в результате естественного отбора - все эти и другие бесчисленные примеры, объединённые под общим название внутреннего и внешнего управления, наглядно демонстрируют проявление описанного принципа на самых различных уровнях организации биологических систем: от молекулярного до уровня сообщества и эволюционного уровня. Анализ приведённых примеров позволяет заключить, что жизнь базируется на принципе двухканального управления, что сложная организация и эволюция живых систем были бы невозможны без него.

Описанный принцип не только даёт возможность классифицировать известные биологические явления и сопоставит казавшиеся ранее далёкими друг от друга системы. Он может быть использован и при исследовании явлений природы, с целью установления неизвестных ранее закономерностей. Попробуем применить этот принцип к популяции живых особей.

В процессе жизни люди выбирают и принимают решения. Для разумного (оптимального) решения необходимы получение и переработка определённого количества информации, а это требует соответствующих способностей, уровень которых в существенной мере определяется наследственными данными и воспитанием родителей.

Как показал Геодакян [1], роль матери и отца принципиально различны в информационном смысле. Женский пол олицетворяет постоянную память популяции и служит каналом первого рода, храня и передавая потомству информацию "из прошлого". Мужской пол олицетворяет оперативную память популяции и является каналом второго рода, собирая и передавая потомству информацию "из настоящего". Не являясь специалистами в области биологии, социальных отношений, воспитания и педагогики, авторы не пытались выяснить природу механизма передачи потомкам информации об опыте предков. Однако, если принцип двухканального управления универсален, а два пола - это два канала информации, то можно предположить, что способности потомка по переработке информации должны в решающей мере зависеть, как от опыта прошлых поколений по материнской линии, так и от индивидуального, личного опыта отца. Личный же опыт матери, как и опыт предков отца должны сказываться на способностях потомка в значительно меньшей степени.

Проверить это предположение хотя бы частично, сравнивая влияние личного опыта матери и личного опыта отца, на практике весьма затруднительно. Некоторую надежду даёт лишь следующее соображение: опыт человека растёт с его возрастом , развивается его способность по переработке информации, идущей от внешней среды, повышается качество выбираемых решений, совершенствуется умение проводить эти решения в жизнь. Возраст - это показатель личного индивидуального опыта.

Опираясь на эту общеизвестную истину, авторы повели статистическую обработку биографических сведений о выдающихся людях, упоминаемых в Большой советской энциклопедии (2-е изд.), сопоставив возраст родителей (в год рождения потомков) со способностями их детей. В 776 случаях удалось установить возраст их отцов, а в 229 случаях - возраст матерей. Эта совокупность людей была разделена на две группы. Первую группу составили лица, отмеченные в БСЭ следующими характеристиками: величайший, великий, гениальный, основоположник, создатель, основатель, крупнейший, выдающийся, крупный, знаменитый, виднейший, видный, популярный, известный, а также те лица, чьи биографии вошли в книги серии "Жизнь замечательных людей", изданные в 1890 - 1905 и 1933 - 1963 гг. Ко второй группе были отнесены деятели, не отмеченные перечисленными выше эпитетами и биографии которых не вошли в серию "Жизнь замечательных людей". Таким образом получились две группы выдающихся личностей, отличающихся по критерию талантливости.

Распределение представителей I и II групп выборки по датам рождения оказалось практически одинаковым (рис.1). Выяснилось также, что и те и другие на 95% принадлежали ке сословиям, имевшим явную возможность получить образование.

Рис. 1. Распределение талантов выборки БСЭ по датам рождения

Затем обе группы выборки были распределены по возрасту матерей (рис.2) и по возрасту отцов (рис.3) и в обоих этих случаях было взято контрольное распределение (по официальной демографической статистике ООН на 1950 год.). При построении контрольных кривых были использованы все имеющиеся данные. Благодаря этому полученные распределения не зависят от общественного уклада, жизненного уровня, географических и климатических условий, компенсируя, таким образом, нехватку информации о прошлых веках. Зависимость рождаемости от возраста матери получена путём усреднения сведений по 105 странам, по возрасту отца - по 71 стране; при изменении числа стран на 30 - 40%, результат усреднения остаётся практически прежним. Это значит, что контрольные кривые как бы достигли своего насыщения и служат весьма объективными характеристиками. Их максимумы приходятся на 26-летний возраст матери и 27-летний возраст отца. Другое подтверждение правильности использования этих данных в качестве контрольных - это совпадения максимума контрольного распределения рождаемости по возрасту отца с биологическим максимумом синтеза андрогенных гормонов мужским организмом, характеризующим его способность к воспроизводству; оба максимума приходятся на возраст 27 - 28 лет у отца.

Рис.2. Распределение талантов выборки БСЭ по возрасту материи и контроль.

Рис.3. Распределение талантов выборки БСЭ по возрасту отца и контроль

Максимумы всех трёх кривых на рис. 2 приходятся на один и тот же возраст матери, равный 24 - 26 годам. Из этого можно сделать только один определённый вывод: влияния возраста матери на талантливость ребёнка не обнаружено. Совершенно иначе выглядят графики, характеризующие зависимость принятого нами критерия талантливости от возраста отца. Контрольная кривая занимает крайнее левое положение, кривые талантов II группы находятся посредине, а кривая I группы сдвинута в область старших возрастов. Максимумы соответствуют 27, 31 и 38 годам возраста отца. (Статистический анализ показал, что вероятность случайных совпадений не превышает 11 % ).

Статистическое исследование было повторено с другими исходными данными: были взяты биографические сведения о лицах, фамилии которых приведены в Энциклопедическом словаре Ф.А.Брокгауза и И.А.Ефрона, изданном в С-Петербурге в 1890 - 1905 гг. Возраст отца был установлен в 1590 случаях, возраст матери - в 270. Методика анализа была такой же, как и для выборки из БСЭ. Аналогичен и результат (см. рис. 4, 5, 6). Вероятность случайных совпадений составляет в этом случае 0,2 %.

Рис. 4. Распределение талантов выборки БЕ по датам рождения

Рис. 5. Распределение талантов выборки БЕ по возрасту матери и контроль

Рис. 6. Распределение талантов выборки БЕ по возрасту отца и контроль

Если какую-либо ординату распределения талантов I группы разделить на соответствующую ординату контрольного распределения, то частное будет пропорционально проценту талантливых людей среди всех рождённых родителями данного возраста. Это частное - относительная вероятность появления таланта.

Зависимость этого фактора от возраста родителей приведена на рис. 7 и 8 (масштаб оси ординат характеризует здесь только изменение вероятности, абсолютные его значения не имеют смысла).

Рис. 7. Зависимость относительной вероятности появления таланта от возраста матери

Рис. 8. Зависимость относительной вероятности появления таланта от возраста отца

Можно сделать вывод, что вероятность появления таланта весьма мало зависит от возраста матери: если исключить на рис. 7 крайние точки слева, которые могут быть охарактеризованы как флуктуации, то получим линию близкую к прямой, параллельной оси абсцисс. Но совершенно иначе выглядит график 8: вероятность появления таланта быстро растёт с увеличением возраста отца. За период с 20 до 50 лет она увеличивается в 10 раз. Вместе с ростом вероятности непрерывно увеличивается скорость этого роста: кривая на рис. 8 вогнута, следовательно, вторая производная от вероятности по возрасту положительна. Заметим, что абсолютное число талантливых потомков отцов старше 40 лет уменьшается - это следует из распределений на рис. 3, 6, однако, их относительное количество в числе всех родившихся растёт непрерывно и всё с большей скоростью, по мере увеличения возраста отца, по крайней мере до 55 лет.

Таким образом, при проверке действия принципа двухканального управления, на уровне популяции живых систем, был сконструирован "чёрный ящик". Подав на вход сведения о возрасте родителей, мы получили на выходе сведения о способностях их потомков. Оказалось, что способности потомков в какой-то мере связаны с возрастом и, следовательно, с опытом отца в год рождения потомка.

Нам представляется, что статистически подмеченная закономерность, по-видимому, связана со следующими хорошо известными факторами.

Женские половые клетки, хранимые в материнском организме, образуются одновременно с его формированием в период внутриутробного развития. Яйцеклетки, следовательно, строятся только на основе информации, полученной от предков. Последующее развитие женского организма не предусматривает обновления половых клеток. После наступления половой зрелости, когда организм женщины приобретает способность к материнству, яйцеклетки поочерёдно извлекаются из своего хранилища и регулярно доставляются к месту, где может произойти оплодотворение. Подчеркнём ещё раз: новых яйцеклеток в течение жизни женской особи не образуется.

При развитии же мужского организма долгое время вообще не образуется половых клеток. Формируется только аппарат для их выработки. Он начинает функционировать и производить половые клетки только с наступлением половой зрелости, только после того, как мужская особь получит собственный, хотя бы минимальный, опыт. Производство мужских половых клеток ведётся затем на протяжении почти всей жизни, и они, таким образом, постоянно обновляются.

Нельзя ли предположить, что это принципиальное отличие не случайно, а выработано природой, чтобы сохранить для потомства невозмущённой ценную информацию об опыте предков (через женский пол), при определённом получении свежей информации о современном опыте (через мужской пол)? Может быть имеется принципиальное различие между непередаваемым по наследству условным рефлексом и развитой отцом способностью получения и переработки информации, способностью синтеза оптимальных решений?

Однако, нельзя не подчеркнуть статистический характер обнаруженной закономерности. Она трактует лишь о вероятности появления таланта, точнее, о характере изменения этой вероятности с возрастом отца.

Кроме того, эта закономерность отнюдь не означает, что определяющая роль в формировании задатков таланта принадлежит отцу. Тем более, возраст отца никоим образом не может считаться единственным параметром, окончательно определяющим способности потомка. Именно в матери, как в фокусе, концентрируются главные качества, по крохам собранные поколениями предков по материнской линии. Поэтому женские особи - это канал первого рода, несущий потомкам бесценный клад информации о жизненном опыте предыдущих поколений. Женская особь является поэтому основным, более совершенным представителем популяции.

Таким образом, использование принципа двухканального управления даёт возможность подойти к некоторым неизвестным закономерностям и предложить вероятные пути их объяснения.

самовоспроизводящийся генетический информация биологический

Литература

1. Геодакян В.А. Роль полов в передаче и преобразовании генетической информации. - В кн.: Проблемы передачи информации, т.1, вып.1, М., 1965.

2. Геодакян В.А. О структуре самовоспроизводящихся систем. - В кн.: Развитие концепции структурных уровней в биологии. М., 1972.

3. Геодакян В.А. Определение понятия системы и системного подхода. - В кн.: Системные исследования. Ежегодник. 1970. М., 1970.

4. Уотермен Т. Теория систем и биология. М., 1971.

5. Холл А.Д. и Фейджин Р.Е. Определение понятия система. - В кн.: Исследования по общей теории систем. М., 1969.

6. Эйген М. Молекулярная организация и ранние стадии эволюции. - "Успехи физических наук", т. 100, 1973, вып. 3.

7. Эшби У.Р. Введение в кибернетику. М., 1959.

Размещено на Allbest.ru