1.5.2. Другие виды биологического регулирования

Теперь вам уже нетрудно будет догадаться, почему человек может сохранять равновесие, находясь в вертикальном положении, вопреки всем законам статики. Вы поймете также, каким образом в крови каждого здорового человека постоянно поддерживается оптимальное для жизненных процессов содержание сахара. В обоих случаях мы имеем дело с регулированием, которое постоянно борется с воздействием вредных для человека факторов и сводит его на нет.

Мы уже упоминали о том, что с помощью регулирования температура нашего тела всегда остается на одном и том же благоприятном для нас уровне. Этот процесс имеет первостепенное значение для жизнедеятельности организма и мы хотели бы рассмотреть его поподробнее. Соответствующий контур регулирования изображен на рис. 26.

Рис. 26. Контур регулирования температуры тела человека: ИО - исполнительный орган

Регулируемая величина - температура тела. Ее определяют процессы, происходящие в мышцах (расщепление питательных веществ) и внутренних органах. Главная часть регулирующего устройства находится в продолговатом мозге, который выполняет все основные функции регулирования (измерение, сравнение с заданным значением, реагирование). Регулирующее устройство управляет теплоотдачей кожи и теплотворной деятельностью мышц и внутренних органов (особенно печени). Так температура приводится к нормальному уровню.

Однако оказывается, что такого регулирования недостаточно для выполнения этой жизненно важной функции. Как мы увидим ниже, процесс регулирования протекает в данном случае слишком медленно. Но природа учла и это обстоятельство: в коже человека находятся вспомогательные датчики, реагирующие на температуру окружающего воздуха (которая оказывает возмущающее воздействие на температуру тела). Информацию о своих измерениях они доводят до головного мозга, который мгновенно принимает контрмеры. При слишком высокой температуре воздуха немедленно открываются кожные поры и выступает пот, который, испаряясь, охлаждает кожу. При слишком низкой температуре поры закрываются, образуется "гусиная кожа" - покрытые волосами предки человека таким образом расправляли шерсть. Эти вспомогательные реакции нейтрализуют влияние важнейшего возмущающего воздействия - изменения температуры воздуха - и облегчают регулирование температуры тела посредством процессов, происходящих в мышцах и внутренних органах; решающее значение имеет быстрота этих реакций.

Поддержание какой-либо физической величины на неизменном уровне в биологии называется гомеостазом.

Интересно, что рассмотренный нами регулятор температуры гораздо хуже справляется с помехами, которые возникают внутри организма (например, при ускоренном обмене веществ во время болезни). Высокая температура, жар - это симптомы, по которым врач может определить болезнь.

Структурная схема на рис. 27 показывает нам, как регулируется дыхание. Цель этого регулирования - поддерживать в крови такое содержание кислорода, которое обеспечивает работу мышц и удаление продуктов распада (в частности, двуокиси углерода). Чтобы выполнить эту задачу, кровь должна иметь определенный химический состав (измеряемый показателем P_H) и циркулировать под определенным давлением. Таким образом регулировать приходится сразу несколько величин. Такое регулирование называется многосвязным. Мы не будем здесь рассматривать функции регулирования по отдельности, так как это требует специальных медицинских знаний. Но интересно отметить, что работа легких, которые помогают обогащать организм кислородом, также контролируется мозгом. Она, таким образом, является вспомогательной регулируемой величиной. Этот вспомогательный контур, очевидно, необходим для выполнения основной задачи регулирования. Аналогичным образом регулируются и многие другие жизненно важные процессы в нашем организме.

Рис. 27. Регулирование дыхания - многосвязное регулирование

Вероятно, вы уже обратили внимание, что регулируются и многие наши действия. Мы поясним эту мысль на примере того, как человек хватает какой-либо предмет или прицеливается из ружья. Как видно из рис. 28, в данном случае налицо все четыре основные функции регулирования.

Рис. 28. Человек хватает предмет - при этом происходит процесс регулирования

Измерение: глаз постоянно наблюдает за направлением, в котором протянута рука (или, при прицеливании, за положением ствола ружья).

Сравнение: это направление мысленно сравнивается мозгом с заданным (т. е. с направлением на цель).

Реагирование: мозг через нервные стволы отдает соответствующие приказы мышцам, которые двигают руку в нужном направлении.

Оптимизация: с помощью тренировки (например, в детских играх) человек добивается того, что его хватательные движения становятся быстрыми, точными и плавными.

Итак, здесь мы тоже имеем дело с регулированием. Примерно так же управляются и огромные рулевые машины корабля. Массивный руль должен поворачиваться на число градусов, заданное штурманом с капитанского мостика или автоматическим навигационным устройством. Рулевая машина поворачивает руль, а особое регулирующее устройство (сервомеханизм) следит за тем, чтобы руль оставался в правильном положении.

Однако вернемся к рис. 28. Дело в том, что биологи захотели проверить, происходит ли на самом деле здесь процесс регулирования, и провели ряд экспериментов, разомкнув контур. Они сделали так, чтобы глаз не мог видеть, где находится рука, и устранили таким образом одну из основных функций регулирования: измерение. В опытах на насекомых была нарушена необходимая для регулирования обратная связь: им в буквальном смысле "вскружили голову" и то, что было слева, казалось им справа. Как и следовал о ожидать, в обоих случаях регулирование не сработало.

Функционирование и эффективность биологического регулирования сильно зависят от состояния нервной системы. Всякий знает, что отдохнувший человек ловит предметы или стреляет лучше, чем усталый, а пьяный вообще не может точно прицелиться. Ниже мы будем еще говорить о том, что в процессе регулирования регулируемая величина колеблется около заданного значения. Тщательно прицеливаясь, вы конечно ощущали эти колебания - у вас Дрожала рука - и, вероятно, заметили, что когда вы устали, рука дрожит сильнее.

Искусница-природа создала такие системы регулирования, до которых человек додумался совсем недавно, или, как в случае с приспосабливающимися (адаптивными) регуляторами, еще только пытается создать. Нам довольно трудно разобраться в том, как работают контуры регулирования, существующие в природе (наш рассказ о них также ограничивается поверхностным обзором). Однако бесспорно, что по точности и надежности они, как правило, превосходят технические системы регулирования. Поэтому техники все больше интересуются жизненными процессами, а кибернетики стараются их объяснить. С другой стороны, биологи стремятся изучить методы анализа регулируемых систем. Совместным трудом кибернетиков, биологов, медиков и техников была создана новая наука - биокибернетика (бионика).

Бионика изучает биологические процессы и действующие в них механизмы управления с тем, чтобы применить полученные знания в технике.

Как мы увидим ниже, конструирование технических систем управления сталкивается с целым рядом трудностей. Но все эти проблемы уже давно решены в биологических системах: в результате длительного совершенствования эти системы в настоящее время функционируют оптимально. Так, изучение обычной мухи помогает усовершенствовать гирокомпас, а исследование диатомовых водорослей - строить сооружения павильонного типа. Кибернетика обнаруживает аналогии в различных процессах управления и дает им научное обобщение, что позволяет применять полученные результаты в разных областях знания. Поэтому кибернетика может оказать существенную помощь в решении задач, связанных с управлением в технике.

Таким образом, кибернетика является, в какой-то мере, универсальной наукой и способствует развитию многих отраслей науки и техники.