Страница 94 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен

В науке эффективна модель, которую называют – системы с обратными связями. Этот термин означает, что доля  от эффекта на выходе системы (выходного сигнала) прибавляется или вычитается из входного воздействия (входного сигнала). В общем виде это может быть выражено более сложной функцией, чем линейная. Положительная обратная связь увеличивает входной сигнал в функции от выходного. Ей соответствует положительный знак . Отрицательная обратная связь – уменьшает входной сигнал, что отображает отрицательный знак при .

Инженеры вводят обратные связи в работу и конструкцию устройств с заданными целями. Непроизвольно целенаправленность обратных связей ищут и при описании живых систем. Опять необходимо напомнить, что природа целей (в терминологии человека) не имеет.

Положительные и отрицательные обратные связи альтернативны по результатам своего действия. Случайность, ограниченная условиями, регулирует соотношение этих альтернатив. При этом как всегда и везде в живых системах, в условиях участвуют закономерности. Энтропия-информация и семантическая информация входят в обратные связи с учётом семантического коэффициента (1.30). Результат запоминается как синтез информации.

Случайность альтернативных обратных связей в живых системах неизбежно приводит к одновременному действию как положительных, так и отрицательных обратных связей. Если они существуют между двумя тождественными точками тождественных элементов или состояний системы, то это эквивалентно одной обратной связи с новой величиной , зависящей от доли каждой из них. Такая комбинация обратных связей эквивалентна единственной обратной связи.

В случае единственной обратной связи любого знака естественный отбор не всегда может привести к запоминанию результата. Высоко вероятны случаи, когда только отрицательная обратная связь очевидным образом запретит выживание из-за уменьшения количеств, например, особей. Работа только положительной обратной связи приведёт, опять-таки, к невозможности выживания, но из-за взрывного роста результата и гибели системы, например, по причине перепроизводства по отношению к ресурсам. Реальные системы, как правило, нелинейны – имеют ограничения выходных сигналов. Это разрешает в живых системах обратные связей только одного знака как исключения.

Случайность равноправно создаёт в живых системах обратные связи обоих знаков. Это случайность, а потому велика вероятность того, что альтернативные обратные связи возникнут между разными элементами или процессами одной и той же системы и разными точками в них. В терминах инженерных устройств такие обратные связи имеют разные величины  и приложены в разных точках конструкций. Инженерные примеры позволяют пояснить уникальные свойства, которыми обладают такие комбинированные обратные связи.

Рис. 7.9.

Первый из видов таких связей поясню на примере устройства, осуществление которого предложено и описано в [134]. Дан усилитель (1 на рис. 7.9), имеющий на входе резонансный контур 2. Его характеризует частота резонанса 0 и добротность – постоянная, описывающая потери энергии в колебательном контуре. От её величины зависит острота резонанса колебательного контура – интервал частот , в пределах которого амплитуда колебаний уменьшается в два раза. Введём в эту систему положительную обратную связь 3. Величина сопротивления резонансного контура 2 максимальна на частоте резонанса и стремится к нулю вдали от него. С участием сопротивления величиной R в схеме рис. 7.9 величина  становится зависимой от частоты. Зададим R такой величины, которая соответствует на частоте резонанса  передаче на вход сигнала, немного превышающего потери в контуре. Схема превращается в генератор, на выходе которого образуется синусоидальное напряжение частотой 0. Если усилитель линейный, то после включения такой системы должен произойти взрыв. Реально взрыва нет, так как при больших сигналах любой усилитель перестаёт быть линейным и выходной сигнал перестаёт расти. В этой схеме положительная обратная связь 3 обладает свойством – зависимостью своей величины от частоты. Её закон задаёт резонансный контур 2 на входе системы.

Введём в систему отрицательную обратную связь 4, не зависящую от частотной зависимости положительной обратной связи. Для её реализации напряжение с выхода усилителя приложим не к самому колебательному контуру, а к сопротивлению во входной цепи усилителя (например, в цепи его первого транзистора). Положительная обратная связь обладает некоторым селективным свойством, отрицательная – нет. Возникает результат, изменяющий качество системы.

В частности, если , то схема рис. 7.9 останется генератором. Отрицательная обратная связь повысит его качество – ослабит негативное влияние на искажения генерируемого сигнала нелинейности системы (обязательной для ограничения амплитуды колебаний).

Если, то генерация колебаний в системе рис. 7.9 невозможна. Она является усилителем, селективным по частотам входных сигналов подобно пассивному колебательному контуру. Однако усиление сигналов в сочетантии с альтернативными обратными связями меняет селективные свойства системы. Например, при звуковых и инфразвуковых частотах колебаний катушка в колебательном контуре содержит много витков провода и их электрическое сопротивление делает добротность пассивных колебательных контуров крайне низкой. Острый резонанс на низких частотах с их помощью получить невозможно, а он может быть необходим в технических задачах. Однако тот же самый контур как изделие, когда он сопряжён со схемой рис. 7.9, может обладать огромной добротностью (в 103 – 106 сугубо практически), то есть не ниже чем на высоких радиочастотах – комбинированные обратные связи ввели новое качество в селекцию по частотам.

Задумайтесь, например, над селективной чувствительностью по частотам органов слуха. Ведь в инженерных критериях она исключительно велика, а высокодобротные резонаторы для весьма низких механических частот звука реализовать в организме трудно. Ответ – в органах слуха работают схемы с обратными связями типа рис. 7.9. Но они в терминах этой схемы не исследованы.

Рис. 7.10.

Другой инженерный пример качественно нового результата при использовании комбинированных обратных связей даёт схема [135]. Дан линейный усилитель (1 на рис. 7.10). Введём в схеме рис. 7.10 обратную связь в виде тока через сопротивление 2, включенное последовательно во входную цепь. Этот ток пропорционален выходному напряжению. Выберем полярность подключения выхода усилителя к сопротивлению 2 так, чтобы, напряжение на нём действовало навстречу входному напряжению. Получится отрицательная обратная связь с множителем пропорциональности . Вклад встречного напряжения на сопротивлении 2 уменьшает ток во входной цепи, то есть повышает её эквививалентное сопротивление. При этом соответственно уменьшается выходной сигнал устройства в целом.

Введём в схему положительную обратную связь 3, приложенную вблизи входа усилителя, но не влияющую на токи в его входной цепи. Возникла комбинация альтернативных обратных связей, обладающих селективными свойствами по отношению к напряжениям и токам во входной цепи. Она наделяет усилитель рис. 7.10 уникальным свойством.

Если, но обе величины близкие по величине, то усилитель приобретёт принципиально новое качество. Фактически измеренное омметром сопротивление входной цепи при выключенном устройстве может быть очень малым, например ~ 0,1 Ома. При работающем устройстве и малых напряжениях на входе усилителя (вблизи его порога чувствительности) ток во входной цепи будет близок к вычисленному, исходя из этой величины сопротивления. Омметр есть прибор, содержащий в себе источник напряжения, которое обычно много больше порога чувствительности усилителей. Измерим таким омметром входное сопротивление устройства. Он покажет огромную величину, например, в экспериментах с описанной выше системой ~106 Ом.

Альтернативные обратные связи привели к принципиально новому селективному свойству усилителя – его входное электрическое сопротивление тем больше, чем больше напряжение, приложенное к его входу. Входной ток остаётся вблизи порога чувствительности, независимо от приложенных ко входу напряжений, а выходной сигнал изменяется в тех же пределах, как это было бы без обратных связей.

Звук интенсивностью в 100 дБ в дискотеках некоторым доставляет удовольствие. Эта единица есть 20 десятичных логарифмов отношения сигналов, то есть звук в дискотеке в 100 тысяч раз превосходит нормальные для человека слуховые воздействия. Если бы в организме не было альтернативных обратных связей того типа, который был проиллюстрирован выше на инженерном примере рис. 7.10, то в дискотеках органы слуха и мозг людей плавились бы в прямом смысле поглощённого тепла.

При анализе живых систем мало установить обратные связи в них. Необходимо выяснить качественные отличия положительных и отрицательных обратных связей – признак, который усиливает или ослабляет одновременное действие противоположных обратных связей.

Комбинированные положительные и отрицательные обратные связи в живых организмах и их экологических взаимодействиях возникают как случайности, ограниченные условиями (преимущественно физико-химическими). Поэтому в каждой паре они неизбежно приложены к разным элементам. Отбор запоминает из них те пары (или более сложные комбинации), которые повышают химическую, электрическую, механическую селективность и входное сопротивление во всех его видах.

При исследовании живых систем от внутриклеточных органелл до биогеоцинозов и разума человека ищите в первую очередь неспецифическую отрицательную или положительную обратную связь. Тогда станет понятным как и какие эффекты селективно выделяют те обратные связи в живой системе, которые избирательны по своим свойствам.

Я объяснил выше главное об обратных связях в живых системах. Пример таких обратных связей в сетчатке глаза будет дан в главе VIII. Он показывает, что изложенное выше остаётся глубоко непонятым исследователями.

Проанализируйте с позиций введенного в этом параграфе известные вам альтернативные комбинации обратных связей при метаболизме, в работе нервных систем, в органах чувств. Вы найдёте и сможете объяснить крупные селективные эффекты, подобные проиллюстрированным на примерах инженерных устройств рис. 7.9, 7.10. Вместо приспособительных целей, которые навязываются природе, вы обнаружите запомненные случайности в комбинациях положительных и отрицательных обратных связей. Вы убедитесь, что запомненное гротескное нагромождение многократных положительных и отрицательных обратных связей создаёт такие чудеса, которые с целью получить невозможно.

Случайность! Именно случайность, но как составляющая синтеза информации, ограниченная условиями (а не как независимые случайности игры в кости!), гарантирует совершенство взаимодействий метаболизма, экологии и разума живых существ во всех его формах, начиная от первичного зарождения жизни.

Страница 94 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен - Философия как наука