Кибернетика Биологическая

Биокибернетика (от греч. Kubernetike - искусство управления), научное направление, связанное с применением идей и методов кибернетики в биологии. Исторически зарождение и развитие К. Б. Связаны с эволюцией представлений об обратной связи в живых системах (А. А. Богданов, П. К. Анохин и др.). В дальнейшем в связи со становлением кибернетики её биол. Направление сформировалось в науку об общих закономерностях управления и связи в биологических системах, о процессах хранения, передачи и переработки информации в этих системах и способах её кодирования (Н. Винер, А. А. Ляпунов, И. И. Шмальгаузен). Дифференциация биологических наук привела к делению К. Б. На ряд самостоят, разделов (нейрокибернетика, физиологическая кибернетика, математическая генетика, математическая экология, математическая биофизика и т.

П.). Естественная иерархия живых систем определяет иерархию объектов, изучаемых К. Б. Со структурно-функциональной и информационной точки зрения всё многообразие живого может быть подразделено на 4 главных уровня. Молекулярно-генетический (клеточный), онтогенетический (организменный), популяционно-видовой и биогеоценотический, или биосферный. Для каждого из этих уровней характерны свои способы кодирования и переработки информации, свои системы управления и связи и их иерархии. На молекулярно-генетическом уровне осн. Внутриклеточные управляющие системы (хромосомы и нек-рые др. Органоиды) осуществляют ауторепродукцию клеток и передают наследственную информацию от поколения к поколению. Расшифровка наследственной информации и её реализация происходят на следующем уровне- онтогенетическом.

Онтогенез организмов определяется согласованной реализацией наследственной информации за счёт работы управляющих систем особи. На популя-ционном уровне происходит процесс изменения и закрепления наследственной информации, приводящей к образованию пусковых механизмов эволюции, дифференциации, возникновению адаптации, видообразованию и в конечном счёте - к эволюционному прогрессу. На биогео-ценотическом уровне популяции разных видов образуют сообщества, находящиеся в сложных взаимоотношениях как между собой, так и со средой. Т. О., биосфера - это иерархически организованная система объектов разных уровней организации, каждый из к-рых может быть расчленён на объекты более низкого уровня. Между всеми объектами системы происходит объединяющий их обмен энергией, веществом и информацией.

Для рассмотрения конкретных биол. Систем как кибернетических необходимо специфическое имитационное моделирование, при к-ром следует отвлечься от многих спец. Свойств системы (размеров, способов формирования сигналов и т. П.), но отразить в модели такие типичные для данной системы особенности, к-рые связаны с её функционированием, структурой, передачей и преобразованием информации. Поэтому для К. Б. Особенно существенны понятия структуры, законов функционирования и критериев функционирования системы, причём её структура определяется характером связей между элементарными единицами системы. Описание функционирования системы задаётся функциями, определяющими изменения состояния её элементов, задающими выходные сигналы и команды на изменения структуры.

И, наконец, поскольку К. Б. Имеет дело с управляющими системами, необходимо задать критерий (или цель) управления. Это может быть поддержание гомеостаза системы, оптимизация некоторой её функции или приспособление к меняющейся среде. Необходимо заметить, что для многих биологических систем понятие цели управления не определено (напр., что является целью эволюции?). Поэтому зачастую задание критерия или цели управления является лишь удобным приёмом, позволяющим построить замкнутую модель при недостатке конкретной информации. Исследование простых систем может быть проведено средствами классической математики. Для сложных систем, с к-рыми обычно приходится иметь дело в биологии, эти методы оказываются, как правило, непригодными.

Эффективное исследование таких систем, состоящих из большого количества элементов с разнообразными и нерегулярными связями между собой, не сводящимися к простым закономерностям, классическими дедуктивными методами оказывается невозможным. Поэтому в качестве основного метода исследования сложных систем в К. Б. Используют метод вычислительных экспериментов на ЭВМ, к-рый с сер. 20 в. Стал новым методом научного познания. Вычислительный эксперимент основан на использовании т. Н. Имитационных моделей, являющихся переложением на машинный язык описаний моделируемых процессов. Во многих случаях (напр., при исследовании экологических систем) этот метод единственно возможен, т. К. Натурные эксперименты часто неосуществимы или неоправданно рискованны.

В последние годы термин «биологическая кибернетика» употребляется реже, в основном по отношению к процессам управления в живых системах. Многие проблемы, к-рые ранее рассматривали в рамках К. 6., стали относить к сфере системного анализа или информатики (в приложении к биологии). (см. Биологические Системы).