| |||||||||||||||||||||||||||||||
О некоторых патологиях гомеостатов и их моделях.
Нормальный гомеостат, вернее его модель, обладает целым рядом исклю- чительных свойств в отношении адаптивности, живучести, помехоустойчивос- ти и т.д. Исследования математической модели гомеостата показали, что он имеет еще как бы болевые точки и критические связи; воздействуя каким-то образом на них, можно создать множество различных патологий. Рассмотрим наиболее тяжелые из них, вызываемые разрывами прямых связей - паралич, обратных связей - шок, перекрестных связей - коллапс. Паралич может быть полным, т.е. гомеостат перестает выполнять функции управления. Этот случай имитируется на модели гомеостата разрывом цепи подачи внешнего сигнала (задания) на Р3, при этом значение выходного па- раметра падает до нуля. Но, тем не менее, гомеостат будет поддерживать на выходе постоянство значений Ys даже при действии на управляемый объект относительно больших возмущений, которые проникают помимо входно- го канала. Односторонний паралич возникает при размыкании связи, идущей от Р1 или Р2 на объект регулирования, в этом случае соответственно либо u1 стремится к нулю, либо u2 стремится к нулю. Таким образом происходит своего рода "гашение гомеостата", т.е. резкое снижение регулирующих свойств. В большинстве случаев односторонний паралич является компенсируемым, и гомеостат продолжает выполнять свои функции. Полный шок гомеостата возникает при разрыве основной обратной связи y3. Это ведет к тому, что Ys стремится к U1max или к U2max, а в этом случае гомеостат перестает выполнять функции управления (как выражаются электрики - "зашкаливает" в одну или в другую сторону). В отличие от полного односторонний шок, как правило, является компенсируемым и имити- руется на модели разрывом u1 или u2 связей соответственно, тогда u1 стремится к U1max или u2 стремится к U2max. Случай создания одностороннего (размыкание обратной связи к Р1) шока представлен на рис. 3. Такой шок является компенсируемым, поскольку ре- жим Ys=Xs быстро восстанавливается, однако гомеостат становится ущербным - уменьшается его живучесть (предельное возмущение снижается до 20 еди- ниц). В статике этот гомеостат работает достаточно устойчиво, и только фактически при предельном входном сигнале (Xs = -50), имеющем противопо- ложную направленность к регулятору, находящемуся в шоковом состоянии ( в данном случае это Р1), гомеостаз начинает нарушаться из-за возникновения небольших автоколебаний. Разрыв основной обратной связи y3 вызывает полный шок гомеостаза с катастрофическими последствиями для живучести системы.
Рис. 3. Переходные процессы: при t=10 сек развивается односторонний шок Р1, при t=20 сек дополнительно создается скачкообразное возмущение, при котором еще сохраняется гомеостаз.
Защитой от полного шока может служить создание запоминающего уст- ройства ("устройство памяти прошлого") как системы запоминания y3, пред- шествовавшего разрыву обратной связи. В этом случае гомеостат распадает- ся как бы на две независимые части, регулируемые по разомкнутому принци- пу со стороны входа. В какой-то степени такой гомеостат еще может ком- пенсировать возмущения, если они действуют на систему в пределах, охва- тываемых локальными обратными связями. Конечно, такая структура управле- ния является патологической и длительное ее существование недопустимо, но все же лучше, чем лавинообразное развитие полного шока, ведущего к потере живучести. Эффект "наркомана" как одна из форм патологического привыкания. Этот эффект возникает при длительном повторении большого возмущающего воз- действия. Адаптационный механизм гомеостата в результате привыкания де- формирует соотношения между правым и левым каналами гомеостата (R2) так, чтобы наилучшим образом противостоять ожидаемому возмущению. В итоге вместо нормального баланса для симметричного гомеостата устанавливается новое состояние равновесия, к которому стремится вернутся система после снятия возмущающего воздействия (см. рис. 4.). Кроме того, гомеостат че- рез какие-то опосредованные связи может посылать стимулирующие сигналы, которые будут воздействовать в случае живого организма, на эмоциональную и поведенческую сферу с тем, чтобы возмущение повторилось. Исследования показали, что гомеостат, находящийся в состоянии наркомана, имеет в нес- колько раз более низкий показатель живучести, т.е. становится неспособ- ным противостоять большим возмущениям.
Рис. 4. Временная диаграмма привыкания к большому возмущению гомеос- тата. "Эффект наркомана".
Эффект "заикания" как вид функциональной патологии. Этот эффект свя- зан с временными нарушениями работы гомеостата из-за неадекватных воз- действий со стороны регулятора-руководителя Р3. Возможны три основные причины такого функционирования Р3: - кратковременный разрыв обратной связи у Р3 или кратковременное из- менение знака этой связи (с отрицательной на положительную), вызывающей возбуждение, т.е. броски управляющего сигнала к регуляторам-исполните- лям, в результате выход u1 и u2 на максимальные значения; - перевозбуждение Р3 - кратковременное увеличение его коэффициента усиления, влекущее неадекватность реакции Р3; - задержка возвратом u1 или u2 из области насыщения, которая проявля- ется в том случае, если текущему состоянию предшествовал режим работы на потолке мощности одного или другого регулятора-исполнителя, в результате чего возникает своего рода динамический гистерезис. Возможны комбинации указанных причин. Во всех случаях "эффект заикания" нарушает поддержание динамического гомеостаза и снижает живучесть системы. Эффект "вируса" как один из видов паразитирования. Выше указывалось, что феномен паразитирования основан на избыточном потреблении подсисте- мой ресурсов на свое жизнеобеспечение в результате гипертрофированного изменения "личных" целей в ущерб целям системы или окружающей среды. Аналогом этого явления является "эффект вируса", под которым понимаются различные патологии, вызванные вторжением вируса в гомеостатическую структуру управления. Под вирусом понимаются различные агенты, которые, вторгаясь в гомеостат, целенаправленно порождают в нем деградирующие тенденции. Рассмотрим наиболее типичные случаи: - полный или частичный захват вирусом места регулятора-руководителя; - полный или частичный захват вирусом места одного из регуляторов-ис- полнителей; - поражение прямых, обратных или перекрестных связей. Полный захват вирусом соответствующего регулятора означает, что вместо, например Р3, действует какой-то другой "вирусный регулятор" со своей передаточной функцией, со своими прямыми, обратными и перекрестными связями и со сво- им автономным заданием (Xsв), в котором отражаются как генетические свойства вируса, так и ударная масса вторгшихся вирусов. Здесь можно представить четыре основных варианта: - гомеостат под действием вируса переходит в какое-то новое состоя- ние, которое еще не приводит к потере живучести гомеостата-"хозяина"; - гомеостат теряет живучесть и устанавливается в одном из крайних состояний U1max или U2max; - гомеостат переходит в режим автоколебаний; - гомеостат гасится, т.е. на его выходе устанавливается Ys=0. Частичный захват вирусом одного из регуляторов означает, что вирус внешне определенное время может не проявить себя, так как его действие компенсируется соответствующими регуляторами. Это как бы "дремлющий" ви- рус. При частичном захвате вирусом места регулятора-руководителя возмож- ны три случая: - вирус вызывает неограниченную и необратимую деградацию, т.е. "дрем- лющий" вирус как бы просыпается - переходит в активное состояние; - вирус вызывает ограниченную деградацию; - деградация, вызываемая вирусом, обратима. В первом случае вирус быстрее или медленнее (это зависит от соотноше- ния передаточных функций вируса и регулятора-руководителя и других пара- метров), но в конце концов обязательно приведет к нарушению гомеостаза (полному захвату гомеостата-"хозяина"). Во втором случае вопрос о том нарушится или нет гомеостаз будет зави- сеть от отношения между управляющей мощностью регулятора-руководителя (Umax) и управляющей мощностью "вирусного регулятора" (Uвmax), т.е. от соотношения Umax/Uвmax. Если в этом отношении мощнее регулятор-руководи- тель, то имеются необходимые условия для компенсации деградирующего действия вируса. Вторым уже достаточным условием сохранения гомеостаза будет соотношение активностей Р3 и вируса. Если активность регулято- ра-руководителя выше "вирусного регулятора", а стартовое возмущение, создаваемое внедряемым вирусом, является относительно небольшим, то воз- никают условия компенсации действие вируса. Третий случай будет иметь место, когда по каким-то причинам прекраща- ется нарастающее деградирующее действие вируса, тогда гомеостат "хозяин" либо полностью, либо частично восстанавливает свое функционирование. "Дремлющий" вирус может перейти в состояние активности, если снизится мощность Р3, т.е. Umax/Uвmax, или резко возрастут показатели активности и мощности "вирусного регулятора". Поражение вирусом тех или иных связей будет приводить в соответствую- щем гомеостате к явлениям, аналогичным параличу, шоку или коллапсу. Кро- ме того, следует отметить, что "вирусный регулятор" может симметрично или несимметрично подключаться ко входам Р1 и Р2 и соответственно в пер- вом случае финальным состоянием действия будет паралич гомеостата, а во втором его шок.
Рис. 5. Переходные процессы при внедрении в гомеостат-"хозяин" виру- са: а - мощность систем управления вируса не имеет ограничений; б - мощ- ность вируса существенно меньше, чем мощность гомеостата-"хозяина" (ви- рус "засыпает"), при t=20 сек ограничения с мощности вируса снимаются и он переводит систему в паралич.
Все указанные проявления "эффекта вируса" были получены на имитацион- ной модели гомеостата (см. рис. 5.). Предложены методы "склеивания" гомеостатов в иерархические сети. Раз- работаны имитационные модели фрагментов таких сетей, в частности, выяв- лено свойство "самопожертвования" гомеостата ради выживания всей сети. Выдвинута гипотеза о возможности внезапной смерти организма из-за неа- декватной реакции гомеостатической сети в критической ситуации, рассмот- рен "эффект СПИДа" и гипотеза о роли биологически активных точек в меха- низме помехозащиты и детекции информации гомеостатов. Созданы имитацион- ные модели ритмических гомеостатов, гомеостатов старения и развития.
| |||||||||||||||||||||||||||||||