Кибернетика в биологии

Кибернетика в биологии

Применение методов и средств кибернетики
для изучения живых организмов, 
моделирования их функций, 
а также для создания устройств, 
поддерживающих нормальную работу организма. 

Живое под "микроскопом" чисел

Разговор о применении кибернетики в биологии начнем с признания, сделанного известным кибернетиком и физиологом У. Р. Эшби: "...достоинство кибернетики состоит в том, что она предлагает метод научного исследования систем, сложность которых слишком велика и существенна, чтобы ее можно было игнорировать. Мы хорошо знаем, что такие системы даже слишком обычны в биологическом мире!"

Чтобы не ходить далеко за подтверждениями сложности систем биологического мира, возьмем головной мозг человека. Совсем недавно считалось, что он состоит примерно из 12-14 миллиардов нейронов, соединенных самым причудливым образом между собой и связанных нервными волокнами с. органами и тканями тела. Сложная система, ничего не скажешь! Но, оказывается, эта фантастическая сложность не так сложна по сравнению с новейшими данными! Только один мозжечок - "диспетчерская" центральной нервной системы - насчитывает около 100 миллиардов клеток.

А сама клетка? Опять-таки это не простая "ячейка жизни". Это целое "многоотраслевое предприятие" с различными "цехами", "рабочими участками", со своей "энергетической базой", "службой времени", "транспортными средствами"...

Сложность биологического мира признана всеми. Но на эту сложность накладывается еще огромная изменчивость биологических явлений. Посмотрите на листья деревьев на одном каком-нибудь дереве. Разве вы увидите два совершенно одинаковых по форме и размеру? А ученый, когда берет для опыта мышь или лягушку, разве он надеется найти одинаковое состояние внутренних органов, даже если возраст и вес животных совершенно одинаковы?

Или еще пример. Рост человека считается относительно простым признаком. Но как он изменчив! Наименьший известный рост взрослого человека равен 38 см, а самый большой - 283 см!

Поднимемся еще на одну ступеньку трудности в биологическом мире: к сложности и изменчивости добавим динамику - постоянное движение, постоянную работу.

В живом организме непрерывно координируется работа отдельных органов, собираются сведения о состоянии системы, об условиях внешней среды, поддерживается постоянная температура, давление.

Сложность, изменчивость, динамика - вот самые большие трудности при изучении организма. Биологи и не скрывают, что с завистью смотрят на диаграммы физиков, химиков, инженеров: точки, полученные во время опытов, ложатся на этих диаграммах последовательно, и глаз специалиста сразу схватывает закономерность явления.

Сложность живого - как трудно ее охватить, описать, зафиксировать четкими точками на диаграмме! И вот в этот "нелегкий", "запутанный" мир входит кибернетика. Она входит в биологию через две "главные двери", делится на два основных направления: теоретическое и прикладное.

Уже само подразделение как бы очерчивает сферы деятельности кибернетики в биологии: цель теоретических исследований - разработка проблем, связанных с изучением и описанием различных управляющих функций, управляющих "движений" в организме. Это своего рода "внутренняя" кибернетика. Она старается разобраться, как внутри организма действуют различные управляющие и управляемые системы, по каким каналам связи идут сигналы о том или ином действии.

Живую клетку можно уподобить многоотраслевому предприятию

Огромиое внимание уделяют ученые исследованию саморегуляции в организме, работе обратных связей. Роль их видна из слов одного биолога, который утверждает, что где возникла первая обратная связь и первый процесс регулирования, там возникла и первая жизнь: недаром саморегуляция признана всеобщим законом организма.

Кибернетика приходит здесь на помощь, вооружая биологов бесценным в данном случае методом математического моделирования. В Институте биофизики АН СССР и в Институте кибернетики АН УССР с помощью этого метода изучают роль обратной связи в биохимических процессах на молекулярном уровне. А латвийским ученым захотелось заглянуть внутрь "белкового комбината", исследовать все тайны его "автоматики". Например, узнать, как происходит сложнейший биологический процесс - синтез белка внутри клетки. Для этого ученые построили несколько программ, а затем ввели их в машину и "просчитали" клетку "вдоль и поперек". Иными словами, ученые построили электронную модель клетки. Такой подход к делу очень помог в исследовании: ученые сумели ответить и на поставленные вопросы, и, кроме того, они попытались "увидеть в машине", как клетка отвечает на взаимодействие с ней вируса, как отзывается на всякие лекарственные "атаки".

Кибернетики завели даже целый "электронный зверинец". В нем обитают и "черепахи", и "мыши", и "собаки". И все это для того, чтобы можно было "приблизиться к, натуре", увидеть механизмы рефлексов животного: как они возникают, как закрепляются.

Способность организма человека поддерживать постоянную температуру тела - результат сложных процессов регулирования

Познакомимся со старожилами необычного "зверинца".

Вот знаменитые "черепахи" английского инженера и психиатра Грея Уолтера. Их клички Кора, Эльмер и Эльси. Цель их появления на свет сформулирована жестко: создать условную неживую модель одного из основных свойств живого существа - способности осуществлять обмен энергией с внешней средой и изменять этот обмен в зависимости от изменений, происходящих во внешнем мире.

Наглядный пример обратных связей в организме - вестибулярный аппарат

Что же умеют делать "черепахи"? Они умеют осязать и обходить препятствие. Встречаться друг с другом. Расходиться в стороны. Даже танцевать.

А на каком принципе они работают?

"Идея "электронной черепахи" изящна и остроумна, - говорит исследователь. - Представим себе фотоэлемент, вырабатывающий электрический ток, которым заряжается небольшой аккумулятор. Если перед фотоэлементом достаточно долго горит лампа, наступает момент, когда дальнейшая зарядка приведет к порче системы. Возникает необходимость что-то выключить - лампу или фотоэлемент. Это естественное свойство системы, условие его исправного существования.

Изберем другой путь: поставим систему на колеса, снабдим ее двигателем и органом автоматического управления, которые, работая вместе и пользуясь энергией аккумулятора, уведут в нужный момент систему от света. И наоборот: когда в аккумуляторе останется мало запаса энергии, пусть орган управления заставит систему вернуться к источнику света и тем даст возможность восстановить энергетические запасы.

Принципиальный интерес заключается в том, что такая система не нуждается в управлении со стороны и все ее действия вытекают только из ее внутреннего состояния".

Соперницами "черепах", бесспорно, являются "мыши", построенные американским ученым Клодом Шенноном.

...Разъемный алюминиевый лабиринт. 25 квадратов - по 5 в каждом ряду. В камере приманки - "сало" в виде металлического столбика. Модель приводится в действие, и "мышь" начинает двигаться по лабиринту в поисках "сала". Перед глазами похожая на предыдущую картина: "мышь" блуждает по лабиринту, заходит в тупики, натыкается на перегородки. Ударяясь о стенки лабиринта, она меняет направление, неизменно приближаясь к "салу", которого не может отведать, которым не может насладиться. Наконец "мышь" заходит в камеру приманки - цель достигнута.

Электронный 'зверинец' позволяет нащупать методы изучения организмов с помощью моделей

Потом "мышь" пускают по лабиринту вторично. На этот раз она не блуждает, не натыкается на стенки, а легко и свободно, лучше,

чем живая, пробегает по кратчайшему пути в другой конец лабиринта.

Когда "мышь" помещают в ту часть лабиринта, где она еще не была, снова начинается разведка маршрута, толчки о стенки. Но вот "знакомая" дорога, старый путь найден, и "мышь" беспрепятственно идет к цели.

Релейная управляющая система, расположенная под лабиринтом, направляет движение "мыши", обеспечивает предписанные повороты. "Мышь" своими усиками-контактами при соприкосновении со стенками лабиринта отмечает в запоминающем устройстве коридоры, пройденные однажды, и закрывает вход в двукратно пройденные коридоры. Те же усики при соприкосновении с "салом" останавливают автоматы, когда цель достигнута.

В релейной "памяти" откладывается "пунктирная линия", с помощью которой "мышь" во второй раз уверенно приходит по лабиринту к "салу".

Ясно, что алгоритм действия автомата столь же отличен от алгоритма выработки условного рефлекса у животного, сколь отличны движения лапок живой мыши от движения колесиков, с помощью которых кусок металла перемещается по лабиринту.

Оригинальное устройство "мышь в лабиринте" создано и у нас. На крышке черного чемодана плексигласовые пластинки образуют причудливый рисунок ветвей дерева без листьев. Такой рисунок можно увидеть на панели светящегося табло автоблокировки перед глазами диспетчера.

Полоски плексигласа - "пути", а разделяющие их лампочки - "станции". Их 25. Выключатель соединен с каждой из них. Стоит его повернуть, как загорается одна из "станций".

Вот загорелась тринадцатая. Нажимаем кнопку, и полоски - "пути" - вспыхивают одна за другой. Это световой сигнал, обегая тупички, стремится к станции назначения.

Попробуйте второй раз нажать кнопку. Все на крышке гаснет, а затем луч, оставляя в стороне ненужные теперь тупички и закоулки, устремляется по наикратчайшему пути прямо к тринадцатой станции.

В левом углу крышки мерцает красный глазок- это индикатор памяти. Он отмеряет время, в течение которого аппарат запоминает маршрут.

Вот еще один представитель этого необычного "зверинца" - электронная "белка". Она поставлена на тележку с моторчиком и снабжена двумя чувствительными фотоэлементами, фильтром, который может различать постоянный и переменный ток, и другими приспособлениями.

У "белки" две лапки. Сдвигаясь, они образуют чашечку. Внутри чашечки помещен язычок. За "белкой" по полу волочится металлический хвостик.

Вот как работает этот "зверек". В большой комнате горят электрические лампы. По полу разбросаны белые шарики. В углу лежит металлический лист, освещенный лампой дневного света, - здесь "гнездо" "белки". Ее приносят и ставят на пол. "Белка" начинает блуждать по комнате, пока ей "на глаза" - в поле зрения фотоэлемента - не попадет белый шарик. "Белка" сразу же направляется к нему, раздвигая лапки. Останавливается, сдвигает лапки и захватывает ими шарик, пробует его язычком и начинает искать "гнездо". Электрический фильтр позволяет ей взять направление на лампу дневного света.

Как только "белка" заползет на металлический лист, ее хвост замыкает контакт, лапки раздвигаются, и шарик падает на лист - "гнездо". "Белка" свободна и снова отправляется на поиски шариков.

Правда, и "черепахи", и "мыши", и "белки", и другие их "собратья" - пока лишь грубые модели выработки рефлекса. Но они заслуживают внимания: с их помощью человек подошел к новому этапу в изучении природы - изучению организма методом моделей.

В биологии моделируют не только организмы, но и различные процессы. Моделируя биологические процессы, мы можем проверять как бы на практике правильность наших теоретических построений, выдвигать гипотезы для их экспериментальной проверки.

Представьте себе, что какая-то колония живых организмов обитает в благоприятных условиях. В зависимости от рождаемости и смертности число этих организмов будет меняться. А как? По какому закону? Ведь на рождаемость влияет и недостаток пищи, и притеснение со стороны другого биологического вида, и продолжительность жизни, и многие другие факторы. Ученые построили так называемые абстрактные модели и с их помощью установили точные закономерности развития организмов и при неограниченных ресурсах питания и места, в условиях, когда отсутствуют вредные виды, и при условиях голода, недостатка места для жилья и при истреблении со стороны врагов.

Такая модель помогла, например, выращивать грибки пенициллина. Их неограниченно подкармливали, следили, чтобы им не было тесно, оберегали от вредных видов. А будущий урожай совершенно точно предсказывали по специальной формуле.

Интересна модель стабилизации численности двух видов, один из которых по отношению к другому является хищником, - модель "жертва - хищник". Забегая вперед, скажем, что это не что иное, как математическое доказательство пользы от хищников.

Допустим, мы решили начисто истребить волков, чтобы увеличилась численность жертвы - травоядных животных. Модель показала: истребление хищников может привести к кратковременному бурному росту численности жертвы, но затем последует резкое сокращение и почти полное ее исчезновение. Действительно, биологи заметили: в тех местах, где волки были истреблены, ухудшились стада травоядных.

Среди них чаще появлялись больные, мельчало потомство. Оказывается, волки выполняли своеобразную санитарную работу, уничтожая неполноценных особей.

Как видите, моделирование биологических процессов помогает разбираться в сложной системе связей между видами, помогает ученым предвидеть последствия вмешательства человека в дела природы.

Все, о чем рассказано выше, - явления в биологии в некоторой степени непривычные. Сегодня рядом со словом "биология" основательно стали слова "кибернетика", "математика", "вычислительная машина". Одна из старейших наук - биология, зародившаяся как наука описательная и экспериментальная, смело взяла на вооружение самое современное из арсенала научных средств: методы абстрактного анализа, отвлеченных, умозрительных рассуждений, точный расчет. Биология теперь даже не боится громоздких математических выкладок.

Можно сказать, что мы присутствуем при возникновении новой биологии. Она стремительно развивается благодаря многообещающим открытиям в молекулярной биологии, в биохимии, в биофизике, в цитологии, в генетике; благодаря возникновению в ней новых, неожиданных направлений - биостатистики, биоматематики, теории систем.

Помимо теоретических исследований, кибернетика в биологии занимается непосредственно практическими работами. Это ее другая ветвь - прикладная, которая непосредственно соприкасается с кибернетикой в медицине.

Естественно, все области прикладной кибернетики в биологии, охватить трудно, поэтому выделим главные цели "кибернетического удара", основные направления "атаки".

Вернемся снова к математическому моделированию. С помощью специальных уравнений можно описать, как протекает фотосинтез растений - процесс поглощения организмом солнечной энергии. Ученые разрабатывают математические модели процессов видообразования, кровообращения в организме и т. п.

Но подойдем к математическому моделированию с другой стороны. Найдя Для "биологического объекта" нужную, удачную, удобную модель, можно эксперимент, который часто приводит к гибели животного или связан с риском для здоровья человека, заменить расчетом на электронной' вычислительной машине. Надо ли перечислять преимущества такого подхода? Они ясны всем. А результат? Результата можно ожидать великолепного: математические модели в течение нескольких минут покажут, как будет развиваться болезнь у больного, как подействует на организм то или другое лекарство.

Мы уже знаем, что основой кибернетики служат сбор и переработка информации. Поэтому немаловажную роль в биологии играет создание электронных приборов для сбора информации о процессах, происходящих в организме. Для этого изобретены удивительные сверхчувствительные, сверхтонкие, всюду проникающие приборы. Достаточно назвать электрокардиографы, изучающие деятельность сердца; электроэнцефалографы, проникающие в тайны деятельности мозга; электромиографы, записывающие работу мышц; крохотные "пилюли"-радиозонды для обследования желудка и кишечника; электронные микроскопы; телевизионные микроскопы; цветное телевидение в медицине и т. д.

Хирургическая операция под надзором электронных машин

Какая же лавина данных, цифр, характеристик сваливается на экспериментатора во время опыта! Иногда ученые с горечью признаются, что основные трудности - отнюдь не опыт, а последующее осмысливание тех сведений, полученных от многочисленных приборов, которыми так богаты современная биология и медицина. Вот здесь-то и необходимы переработка и автоматический анализ собранной информации.

Очень интересные исследования в этом направлении ведет лаборатория кибернетики Института хирургии имени А. В. Вишневского. Руководители лаборатории академик А. И. Вишневский и профессор М. Быховский рассказывают, что они убедились на опыте лаборатории, с какими невероятными трудностями сталкивается врач, когда остается один на один с результатами, предоставленными ему приборами. Как судить о ходе болезни, если состояние больного осмысливается несколькими сотнями признаков! Как их оценить, когда их трудно даже охватить все разом!

Здесь-то и помогает врачу машина, способная "диагностически мыслить" на основе переработки потока полученной информации.

Посмотрите, каким великолепным "диагностом" стала электронно-вычислительная машина "Урал". Мало того, что за год она составляет до 20Q диагнозов врожденных пороков сердца, машина иногда оказывается... более точной в диагнозе: не раз мнения "Урала" и врачей расходились, но на операции подтверждалась правильность машинного диагноза.

Разработаны теории и построены медицинские диагностические системы, с помощью которых в клиниках врачи ставят диагноз не только пороков сердца, но и заболеваний печени, желудка, некоторых инфекционных болезней, различных опухолей, в том числе и опухолей мозга.

Большую пользу принесет медицине и информационная система - такая система, которая накапливала бы сведения, математически обрабатывала материал, быстро отыскивала аналогичные случаи болезни.

Это была бы огромная, обширная медицинская "память", где хранился бы опыт не одной, не десятка клиник, а опыт клиник всей страны и даже нескольких стран. Любой врач в любой стране мог бы консультироваться у единой медицинской "памяти".

Кибернетика теперь проникла и в хирургическую операционную. Она непосредственно участвует в операции, управляет жизненными функциями организма: следит за работой сердца, регулирует артериальное давление крови, контролирует глубину наркоза.

Кибернетика уверенно входит в биологию и медицину. Со временем поступь ее станет еще тверже, шаги все шире, успехи все значительнее. Как тут не вспомнить слова знаменитого нашего физиолога, академика И. П. Павлова: "Придет время - пусть отдаленное, когда математический анализ, опираясь ца естественнонаучный, осветит величественными формулами уравнений все эти уравновешивания" (жизнь от простейших до сложнейших механизмов. - В. П.).

Теперь это время пришло.

Живое под 'микроскопом' чисел