Навігація
Головна
 
Головна arrow Техніка arrow БІОТЕХНІЧНІ СИСТЕМИ МЕДИЧНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ
Переглянути оригінал

ЗБЕРІГАЮТЬ РЕАКЦІЇ І АДАПТАЦІЯ ЯК ОСНОВА ЖИТТЄДІЯЛЬНОСТІ ОРГАНІЗМУ

Як вже було зазначено, структуру будь-якого біооб'єкту можна розділити на виконавчу і керуючу підсистеми. Основні реакції біооб'єкту на зовнішній вплив:

  • • поведінкові;
  • • хемотаксис (реакція популяції мікроорганізмів на зміну хімічного складу середовища);
  • • зберігають або імпульсні;
  • • адаптивні.

Як фізичні, так і хімічні зовнішні керуючі впливу можуть впливати на обидві підсистеми.

Функціонування організму визначається не тільки потоками речовини та енергії, а й інформаційними (сигнальними) потоками, які забезпечують нормальну життєдіяльність.

Біологічна мета керуючих підсистем - переклад біосистеми в область гомеостазу і підтримання її в цій галузі. Керуючі підсистеми біооб'єктів мають ієрархічну структуру в результаті еволюційної реалізації екстремальних принципів організації і функціонування.

У теорії управління до адаптивним системам відносять системи, які «автоматично» пристосовуються до непередбачених змін параметрів біооб'єкту і навколишнього середовища.

Адаптивна схема управління

Мал. 8.2. Адаптивна схема управління:

1 - регулятор; 2 - об'їсть; 3 - пристрій (ланцюг) адаптації; Ц /), y (t) - вхідний і вихідний сигнали

Найбільш простий випадок адаптації до змін зовнішніх умов або власних параметрів біооб'єкту полягає в зміні параметрів регулятора, направленому на збереження працездатності та якості системи. Для цієї мети в керуючій підсистемі крім основного регулятора є пристрій (ланцюг) адаптації (рис. 8.2).

Пристрій адаптації вимірює вхідні і вихідні змінні системи і на підставі цих даних змінює параметри регулятора.

Сукупність змінною частини основного контуру і ланцюги адаптації називається адаптивним регулятором.

Ланцюг адаптації зазвичай характеризується процесами більш повільними, ніж процеси в основному контурі управління. У зазначеному вище сенсі будь-яка модель біооб'єкту, що включає в себе хоча б одну параметричну зворотний зв'язок , - адаптивна система.

Адаптивна поведінка живих систем має місце, коли реакція системи на деякий вплив не є в даних умовах кращою. При цьому в системі відбуваються зміни, спрямовані на досягнення бажаного стану.

У нелінійних биосистемах адаптація здійснюється за рахунок зміни характеристик окремих ланок, що відбуваються в залежності від значень вихідного y (t) або внутрішніх сигналів системи.

Аналіз інформаційних потоків заснований на теорії інформації.

Інформаційні аспекти функціонування живих систем важливі з багатьох причин. Генерація, передача, зберігання і обробка інформації - суттєві особливості живих систем.

У теорії зв'язку деякий безліч переданих символів називають повідомленням. За К.Є. Шеннону, кількість інформації Hi "f в повідомленні розраховується за узагальненою формулою Хартлі:

де Р, Рг , ..., Р " - ймовірності (частоти) передачі по каналу зв'язку одного з п можливих повідомлень; до $ - постійна Шеннона, що залежить від вибору одиниць виміру інформації.

Термодинамічну ентропію S визначають за узагальненою формулою Больцмана:

де кв - постійна Больцмана, кв = 1,38-10 " 23 Дж / К; зі ь2 , •••, (0 "- ймовірності допустимих станів термодинамічної системи.

Аналогія формул (8.1) і (8.2) очевидна. Однак адекватний критерій для оцінки зв'язку кількості інформації з сполученими енергетичними затратами і збільшенням термодинамічної ентропії невідомий. Щоб встановити такий критерій необхідно знайти конструктивне визначення інформації, для чого аксіоматично вводять поняття, на основі яких можна побудувати евристичну концепцію. Висновки з цієї концепції не суперечать експериментальним даним і законам природи.

Об'єкти, системи, структури, зв'язку. І матеріальні, і абстрактні об'єкти можна уявити як безліч V елементів частин (фрагментів, частин) об'єкта і безліч R зв'язків (відносин) між ними. Зв'язки забезпечують цілісність і тотожність об'єкта самому собі. Пару множин U і R називають структурою системи об'єкта, або просто структурою, і позначають SS.

Елементами структур можуть бути матеріальні і ідеальні об'єкти різної природи. У хімії і фізики в якості елементів об'єкта розглядають хімічні елементи, речовини, кристалічні комірки, фази. Відповідно безліч U цих частин і безліч R зв'язків між ними складають хімічну структуру. У статистичній фізиці об'єкт розглядається як ансамбль великого числа взаємодіючих молекулярних підсистем. У лінгвістиці слова і висловлювання формують структуру тексту.

Принципові труднощі теорії систем полягає в тому, що строгий критерій членування об'єкта на елементи відсутня. В якості такого критерію запропонований принцип енергетичної діффе- ренціровкі (див. Гл. 1), заснований на схемі ієрархічної організації природи.

У хімічних і фізичних дослідженнях ієрархічність виявляється при членуванні об'єктів на фази, молекули речовин, що утворюють ці фази, атоми, з яких складаються молекули. У біології біоценоз поділяють на популяції, в які входять організми, що складаються з сукупності тканин і клітин, що утворюються з молекул.

Зі сказаного випливає, що безлічі елементів U і зв'язків R структури системи SS ділять на підсистеми деякого нижчого рівня, динаміка яких визначається елементарними актами. Потім формують підсистеми вищих рівнів (ярусів, шарів, класів) і отримують розподіл підсистем за рівнями, що відображається системою вкладених підмножин:

де Uj - підмножина найменших елементів структури системи SS ; U - безліч найбільших елементів тієї ж структури системи.

Принцип енергетичної диференціювання і квазіразложімость структури об'єкта. Складні об'єкти описуються за допомогою теорії множин по Расселу - Уайтхед. Кожному об'єкту відповідає тип. У безліч можуть входити об'єкти лише одного типу, наприклад типу j (див. Гл. 1). Тоді це безліч є об'єктом типу j + 1 і в той же час може бути елементом

безлічі типу j + 2 і т. д. У цій теорії безлічі уніструктур утворюють ієрархію типів.

У відповідності зі сказаним вище структура об'єкта визначається як безліч R зв'язків, заданих на множині V уніструктур цього об'єкта.

Індивідуальність об'єкта зумовлена типом елементів безлічі V і властивостями зв'язків безлічі R, зокрема енергетичними характеристиками зв'язків між елементами. Тому для побудови ієрархії типів елементів в якості емпіричного критерію слід використовувати принцип енергетичної диференціювання (див. Гл. 1).

При дозованих впливах на матеріальний об'єкт відбувається декомпозиція. Спочатку зазвичай розриваються слабкі зв'язки з утворенням агрегатів, потім більш міцні зв'язки, що призводить до розпаду на вихідні уніструктури мінімального розміру (атоми). Відповідно до цієї реальної процедурою можна подумки декомпозировать (квазіразложіть) структуру об'єкта на уніструктури різних типів.

У загальному розумінні зв'язок - це взаємодія (відношення між об'єктами) шляхом обміну енергією, речовиною або інформацією. Розрізняють зв'язку: енергетичні, матеріальні, інформаційні (инфосвязь). Міцність статичним зв'язку вимірюється енергією її розриву, міцність обмінної зв'язку між об'єктами - потоками речовини та енергії від одного об'єкта до іншого.

Окремий випадок обмінних зв'язків - інформаційні зв'язки. Слід зазначити, що потоки речовини, енергії та інформації пов'язані між собою.

Поряд з визначенням кількості інформації по Шеннону, на практиці використовують багато інших способів. Формула (8.1) розроблена і застосовується для оцінки переданого кількості інформації, але не для розрахунку запасеної в пам'яті або пов'язаної інформації.

Стан об'єкта характеризується великою кількістю даних про структуру, що складається з підмножини елементів і зв'язків об'єкта, а також з підмножини їх властивостей. Рух об'єкта являє собою зміну його стану у вигляді залежності набору даних від часу.

Формально стан об'єкта можна описати безліччю функцій f (q, (), де q - набір змінних стану; I - час.

Кодування функцій f ( q , t) на заданому мовою і їх передача - основа інфовзаімодействія.

Інформація про об'єкт - величина, яка визначається безліччю умов (знаків, символів, сигналів), що відображають на заданому мовою стан об'єкта та зафіксованих на тому чи іншому носії. Структура об'єкта відображається підмножиною його елементів і зв'язків.

Пов'язаної , або структурної , інформацією про об'єкт називається величина, яка визначається сукупністю термів, що відображають підмножина його елементів і зв'язків із заданою точністю.

За цим визначенням, пов'язана інформація є міра структурної складності об'єкта. При цьому складність систем зростає зі збільшенням числа уніструктур (потужності безлічі зв'язків R) і числа типів елементів, еквівалентних по якому-небудь ознакою.

Наприклад, в хімії і фізики можна вважати, що будь-який матеріальний об'єкт складається з частинок трьох видів: протонів, нейтронів, електронів. Ці частинки, пов'язані в різних поєднаннях ядерними і електричними силами, утворюють атоми більш 100 хімічних елементів. Ці ж частинки, з'єднані в атоми вуглецю, водню і кисню за допомогою хімічних зв'язків, формують молекули органічних речовин.

Запропоновано різні методи вимірювання складності. Будь-яка ступінь структурної складності являє собою функцію, відображення структури об'єкта. Загальні властивості цієї функції можуть бути сформульовані у вигляді восьми аксіом (А0-А7).

АТ. Сукупність безлічі U уніструктур будь-якого об'єкта можна розчленувати за цією ознакою на підмножини Ц еквівалентних уніструктур, званих суміжними класами, верствами або частинами.

А1. Складність порожнього безлічі дорівнює нулю.

А2. Складність підмножини Uj еквівалентних уніструктур не може бути вище складності безлічі U всіх уніструктур об'єкта, частина якого становить цей клас.

АЗ. Якщо є однозначна відповідність (гомоморфізм) між уніструктурамі множин? /, І Up то складність безлічі Ui буде не вище складності безлічі Uj.

А4. Якщо існує взаімооднозначном відповідність між уніструктурамі множин t /, і U p складнощі цих множин рівні.

А5. Складність об'єкта, що складається з декількох, не пов'язаних між собою елементів (які не мають спільних уніструктур), дорівнює сумі складнощів цих елементів.

А6. Складність найменшого елемента відповідає нулю.

Аксіома АТ включає в себе квазіразложімость об'єкта і визначення структури як сукупності уніструктур. Аксіоми А1 і А2 визначають неотрицательность 'заходи структурної складності. Властивості, відображені в аксіомах А2 і АЗ, постулюють монотонність міри складності. Згідно аксіомі А4, складність не змінюється, якщо ввести нові позначення (індекси) для деяких довільних уніструктур, а інші позначення не змінювати. Аксіома А5 визначає складність об'єкта, що складається з незалежних елементів, аксіома А6 вводить природну одиницю виміру, яка має складність в численних значеннях.

Ілюстрація аксіоми АЗ - постулат однакових пристроїв '. схожість і відмінність об'єктів обумовлені подібністю і відмінністю як їх елементів, так і зв'язків, що утворюють структуру об'єктів. Один з наслідків постулату - широко використовується аналогове моделювання. Необхідно відзначити, що відповідність структура - властивість не взаімооднозначном, т. Е. У однакових функцій структури можуть бути різні, наприклад: птахи і літаки, риби і кити.

Аналогічно формулі (8.1) кількість зв'язаної інформації, або структурна складність об'єкта 5, дорівнює:

де fk - частота уніструктур типу k, f k = N k W> (А 0 - загальне число уніструктур, на які ділиться об'єкт S; N k - число уніструктур типу к).

Число і вид зв'язків, що належать безлічі R структури, які не входять в формулу (8.3). Побічно ці характеристики враховані числом і видом уніструктур.

Неважко перевірити, що складність, яка розраховується за формулою (8.3), задовольняє вимогам аксіом А1-А6.

Незважаючи на формальне схожість виразів (8.2) і (8.3), між ними існує принципова відмінність. У формулі (8.2) постійна Больцмана Кь визначає ентропію як спостережувану величину - сумарну наведену теплоту, отриману об'єктом в квазірівноважному процесі формування даного рівноважного стану. Інформація, що розраховується за формулою (8.3), - безрозмірна величина, яка характеризується числом біт, необхідних для опису безлічі властивостей об'єкта в даному стані.

Згідно (8.3), будь-які об'єкти, що складаються з N однакових елементів, містять одну і ту ж пов'язану інформацію, або мають складність, яка дорівнює log2jV (аналог формули Больцмана в статистичній фізиці).

Інтуїтивно зрозуміло, що пов'язана інформація біологічного співтовариства вище, ніж організму, що входить до цієї спільноти, а пов'язана інформація організму вище, ніж його хімічного складу. Однак розрахунок по (8.3) дає близькі по порядку значення. Якщо врахувати, що як об'єкти, так і елементи, на які вони розділені, мають різну складність і відносяться до різних типів, то протиріччя знімається.

Наприклад, біогенні речовини складаються з молекул з різним атомним складом. Органи тваринного утворені з тканин, які складаються з молекул, різним чином пов'язаних між собою. Біологічні спільноти включають в себе популяції будь-яких видів, популяції - особин і так до молекул.

Складність об'єкта можна врахувати, якщо уявити його у вигляді ієрархії більш дрібних уніструктур. З цією метою в (8.3) вводять додаткові складові і отримують узагальнене вираження для пов'язаної інформації об'єкта S:

де fbfkhfkim - частоти уніструктур типів до, kl, klm, відповідно / * = N k / N 0 , fu = N u ! N k , f Un = Nkim! N k , (N 0 - загальна кількість найбільш великих уніструктур об'єкта 5; N k , Nu, N k / m - числа дрібніших уніструктур типів до, kl, klm, на які ділиться кожна уніструктура попереднього вищого рівня).

Кожна сума в (8.4) визначає пов'язану інформацію даного шару розбиття множини U елементів об'єкта. Слід зазначити, що складність при деталізації структури зростає (аксіома А2).

Пов'язана інформація - це функція стану рівноважних або квазірівноважних об'єктів. Такі структури для свого підтримання не вимагають енергії, розрахунок міцності статичних зв'язків проводять на основі законів термодинаміки. Енергетику нерівноважних об'єктів і переданої кількості інформації розглядає кінетика.

Для опису кінетики інформаційних процесів введемо такі поняття.

Інформаційна ланцюг (інфоцепь) - система, що забезпечує надходження інформації від об'єкта до приймача. Окремі випадки інфоцепі - різні системи зв'язку.

Інформаційний потік (інфопоток) - величина, яка вимірюється швидкістю передачі інформації в інфоцепі. Інформація між частинами ланцюга передається через інформаційні контакти.

Інформаційний контакт (інфоконтакт) - система, що складається з джерела інформації (інфоісточніка) і приймача (монітора), який реєструє інформацію, що надходить. Найкоротша інфоцепь включає в себе тільки дві ланки - інфо- джерело і монітор, з'єднані инфосвязь - що передається (рис. 8.3).

Структура інформаційного контакту

Мал. 8.3. Структура інформаційного контакту

Отримання інформації можна розглядати як аналітичну процедуру. При якісному аналізі встановлюють типи уніструктур і зв'язків об'єкта, при кількісному - частки уніструктур і зв'язків різних типів.

При якісному аналізі хімік визначає хімічні елементи, молекули, фази речовини, що утворюють тіло. Еколог вивчає біологічні особини, види, популяції, що входять до спільноти, а також хімічний склад середовища проживання. При кількісному аналізі тих же об'єктів вимірюють число різних уніструктур, встановлених при якісному аналізі цих об'єктів.

Для отримання інформації необхідний канал спостереження - пристрій і процедура для реєстрації умов (знаків, сигналів), що відображають структуру об'єкта і його стан. У техніці канали спостереження є прилади різної складності, в природі - органи чуття (сенсори) тварин.

Передача інформації в інфоцепі будь-якої складності починається з первинного інфоконтакта (див. Рис. 8.3). При цьому між інфоісточніком і монітором відбувається обмін енергією і речовиною, т. Е. Виникає обмінна зв'язок. В результаті пов'язана інформація інфоісточніка відображається на моніторі.

З позиції обмінної зв'язку зняття відбитка пальця і локація рельєфу поверхні планети радиолучом з літального апарату - однотипні процедури. У першому випадку структура шкіри пальця відображається на папері, в другому - структура поверхні відображається на екрані візуального монітора і в пам'яті бортовий ЕОМ. При інфоконтакте інформація про структуру інфоісточніка відображається як пов'язана інформація монітора.

На основі детального вивчення різних інфоконтактов можна ввести поняття переданої інформації (трансінформаціі), як відображення пов'язаної інформації об'єкта - інфоісточніка на структуру об'єкта - монітора.

Передана інформація - явище, відмінне від пов'язаної інформації. Подібне ставлення існує між внутрішньою і переданої енергіями від тіла інших тіл. Однак дана аналогія істотно обмежена. Для енергії виконується закон збереження: внутрішня енергія тіла зменшується рівно на суму досконалої роботи і переданої теплоти. Пов'язана інформація інфоісточніка при взаємодії також убуває, але це залежить від ступеня порушення структури інфоісточніка при контакті з монітором. Неінвазивні методи, інтроскопічних канали спостереження практично не зачіпають структуру досліджуваного об'єкта. У той же час багато методів аналізу призводять до повного руйнування зразка і втрати пов'язаної інформації, при цьому А Е> Ej, де АЕ - енергія інфовзаімодействія; Е 3 - енергія зв'язку субструктур об'єкта.

При будь-якому інфоконтакте не тільки інфоісточнік діє на монітор, але має місце і зворотний вплив. Особливо чітко це проявляється при вивченні мікрооб'єктів за допомогою макропріборов і знаходить вираз у принципі невизначеності. Внаслідок цього кількість переданої інформації / (S) про об'єкті не більше кількості його пов'язаної інформації C (S ):

Кількість переданої інформації залежить від структур ін- фоісточніка і монітора, а також від енергії і речовини, що переносять інформацію.

При інфоконтакте виникає композиція структур інфо- джерела і монітора, яка представляє собою сутність переданої інформації. Найбільш наочно ця композиція проявляється при відображенні об'єкта на екран. Тут форма і розмір (геометрія) об'єкта накладаються на мережу елементів. Аналогічно відображаються різні структури на мережу клітинного автомата. Формально передачу інформації при інфоконтакте можна описати за допомогою математичної конструкції каркаса.

Кількість переданої інформації від об'єкта S на монітор розраховують за формулою

де f ' k , fh , f' ktm - частоти уніструктур типів k, kl, klm по транслювати інформацію, // = N ' k / N' 0 , f ' a = f ^ m =

= N ' klm / N k , (N' 0 - загальне число найбільш великих уніструктур об'єкта S; N ' k , N' u , N ' klm - числа дрібніших уніструктур типів до, kl, klm, певні по каналу спостереження (див . гл. 1)).

Співвідношення (8.6) за формою аналогічно співвідношенню (8.4), але частоти і числа різних уніструктур позначені індексом t (transinformation).

Зменшення кількості переданої інформації в порівнянні з кількістю пов'язаної інформації (нерівність (8.5)) залежить від узгодженості структур і характеристик інфоісточні- ка і каналу спостереження, які визначаються як межа виявлення, селективність, роздільна здатність, достовірність.

Необхідна умова при отриманні інформації про змінюваному об'єкті - узгодження швидкостей зміни об'єкта і передачі інформації. З інформаційних позицій будь-яка зміна об'єкта полягає в зміні набору уніструктур на певному рівні ієрархії (див. Табл 1.1).

А7. Сутність будь-якого об'єкта - його цілісність - не змінюється, оскільки числа і частоти уніструктур вищих рівнів постійні (Л ^ + i, N J + 2), змінюються (генеральний процес) лише числа менш складних уніструктур (JV ,, див. Табл. 1.1).

Відносно прості рівняння, що описують динаміку складних об'єктів, отримують за допомогою агрегованих змінних, т. Е. Таких величин, які описують об'єкт в цілому. У теорії систем і термодинаміки це - функції стану. Агреговані змінні входять в кінетичні рівняння, що відображають зміну цих характеристик в часі, а отже, об'єкта в цілому.

Числа Nk, Nu, N Um уніструктур, що входять в ці рівняння, є функціями часу. Відповідно кількості пов'язаної C (S) і переданої I (S) інформації є агреговані змінні, які описують поведінку об'єкта в часі. Рівняння кінетики, що визначають динаміку інформації, отримують диференціюванням формул (8.4) і (8.6).

Кінетика кількості пов'язаної інформації C (t) виражається наступним рівнянням:

де dCldl - швидкість зміни структури об'єкта; до з = 1 / 1п2; fk, fa, f Um - частоти уніструктур типів до, kl, klm (див. (8.6)); df k Idt, dfu Idt, dfkim Idt - швидкості зміни цих частот.

Кінетика кількості переданої інформації l (t) описується рівнянням

Рівняння (8.8) має той же вигляд, що і рівняння (8.7), але все частоти входять до індексу t (формула (8.6)).

Аксіома А7 полегшує моніторинг складних об'єктів. Частоти вищих уніструктур, визначає самототожність об'єкта, постійні, а швидкості їх зміни дорівнюють нулю. У зв'язку з цим для отримання інформації про стан об'єкта досить стежити лише за генеральним процесом. Наприклад, якщо числа У * і N k / не змінюються, то рівняння (8.7) приймає вигляд

де / ит ~ частота уніструктури нижнього рівня (див. табл. 1.1), швидкість dfuJdt зміни якої відображає динаміку генерального процесу.

Наприклад, при контролі стану організму тварини можна обмежитися травної, кровоносної та нервової системами. Тварина зберігає життєдіяльність поки працездатні ці системи, а також їх частини і тканини. У відомих межах самі тканини можуть змінюватися в ході життєдіяльності, т. Е. Генеральний процес проходить на четвертому рівні зверху.

Як частоти f km зручно використовувати агреговані змінні - масові частки відповідних тканин, які можна визначити, наприклад, за допомогою рентгеноскопії.

Швидкість dfujdt зміни масових часток різних тканин розраховують за результатами періодичних обстежень. Підстановка у формулу (8.9) визначених таким чином значень дозволяє отримати кінетичне рівняння, що описує життєдіяльність організму.

 
Переглянути оригінал
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >
 
Дисципліни
Агропромисловість
Аудит та Бухоблік
Банківська справа
БЖД
Географія
Документознавство
Екологія
Економіка
Етика та Естетика
Журналістика
Інвестування
Інформатика
Історія
Культурологія
Література
Логіка
Логістика
Маркетинг
Медицина
Нерухомість
Менеджмент
Педагогіка
Політологія
Політекономія
Право
Природознавство
Психологія
Релігієзнавство
Риторика
Соціологія
Статистика
Техніка
Страхова справа
Товарознавство
Туризм
Філософія
Фінанси
Пошук