§1. Сложность систем

Необходимо уточнить понятие сложности системы. Выше мы видели, что нарастание сложности систем происходило в основном за счёт нарастания сложности блока управления. Сложность элементов исполнения при этом могла быть самой примитивной, несмотря на то, что блок управления при этом мог быть очень сложным. Система могла содержать только один тип СФЕ и даже всего одну СФЕ, т.е., быть монофункциональной. Но при этом она могла очень точно выполнять свои функции, с учётом внешней ситуации и даже с учётом возможности появления новых ситуаций, если у неё был достаточно сложный блок управления.

Когда анализируют сложность системы с позиций кибернетики, теории связи, информодинамики и т.д., обсуждают сложность именно блока управления, а не сложность системы. Отметим, что независимо от степени сложности системы в ней существует два потока активности – поток информации и поток целевых действий системы. Поток информации проходит через блок управления, а поток целевых действий – через элементы исполнения. Термодинамика рассматривает поток целевых действий, а кибернетика и информодинамика рассматривают только особенности потоков информации, проходящих через блоки управления. В данной книге мы не будем дополнительно рассматривать все вопросы кибернетики и информодинамики, потому что часть этих вопросов мы уже рассмотрели, а остальная часть не имеет отношения к нашей теме. Интересующихся отправим к первоисточникам [20, 24].

Тем не менее, понятие сложности может также касаться и потоков целевых действий систем. Существуют моно- и многофункциональные системы. Нет многоцелевых, а есть только и моноцелевые системы, хотя понятие «многоцелевая система» и используется. Например, говорят, что этот истребитель-бомбардировщик является многоцелевым, потому что он может и бомбить, и другие самолёты сбивать. Но всё равно у этого самолёта есть только одна генеральная цель – уничтожать объекты противника. Только у данного истребителя-бомбардировщика возможностей больше, чем у просто истребителя или просто бомбардировщика. Следовательно, понятие сложности касается только числа и качества действий системы, которые определяются числом уровней её иерархии (см. ниже), но не числа её элементов. Динозавры были гораздо больше млекопитающихся (имели больше элементов), но были гораздо проще устроены.

Простейшей системой является СФЕ. Она очень грубо выполняет свои функции, поскольку срабатывает закон «всё или ничего» и её действия наиболее примитивные.

Любая СФЕ является простейшей неполноценной системой и её неполноценность проявляется в том, что такая система может обеспечить только определённое качество результата действия, но не может обеспечить оптимальное его количество. Различные СФЕ могут различаться по результатам своих действий (разнотипные СФЕ), могут и не различаться (однотипные СФЕ). Но все они работают по закону «всё, или ничего». Т.е., результат её действия не имеет градаций, он либо нулевой (не активная фаза), либо максимальный (активная фаза). СФЕ либо максимально реагирует на внешнее воздействие (результат действия максимальный – всё), либо ожидает внешнее воздействие (результат действия нулевой – ничего) и нет градаций результата действия. Каждый результат действия СФЕ является квантом (неделимой порцией) действия.

Саркомер, лиганда гемоглобина, нефрон почек, ФЕВ системы внешнего газообмена – примеры простейших систем.

Монофункциональные системы обладают только одним видом результата действия, который определяется типом их СФЕ. Они могут содержать любое количество СФЕ, от одного до максимального, но в любом случае это должны быть однотипные СФЕ. Отличие от простейшей системы только в количестве результата действия (отличие количественное). Монофункциональная система уже может выполнять свои функции более точно, поскольку её действия имеют ступеньки градации функций. Точность выполнения функции зависит, величины действия одиночной СФЕ, от глубины ООС и от типа её блока управления, а мощность – от числа СФЕ. Чем «мельче» СФЕ, тем больше возможная точность. Чем больше число СФЕ, тем больше мощность.

Таким образом, если состав исполнительных элементов системы (состав СФЕ) однотипный, то она монофункциональна и является простой системой. Но при этом её блок управления может быть, например, сложным. В этом случае система является простой со сложным блоком управления.

Например, каждый саркомер миоцита – это мышечная СФЕ. Он срабатывает по принципу «всё или ничего», но его результат действия мизерный. В мышце есть много сотен тысяч саркомеров. Соответственно мышца намного сильнее одиночного саркомера и у неё очень много ступенек градаций, настолько много, что практически невозможно заметить эти ступеньки градаций силы сокращения. Но мышца как сократительный элемент является монофункциональной системой, поскольку её основная функция – только сокращение.

Многофункциональная система – это система, которая содержит больше одного типа монофункциональных систем. Она обладает многими видами результата действия и может выполнять несколько различных функций (много функций). Любую сложную систему можно разложить на несколько простых систем, которые мы уже рассмотрели выше. Отличие многофункциональной системы от монофункциональной в том, что монофункциональная система состоит из самой себя и включает в себя однотипные СФЕ, а сложная – из нескольких монофункциональных систем с другими типами СФЕ. Причём этими несколькими простыми системами управляет один общий для них блок управления любой степени сложности.

Например, многофункциональная система обмена метаболических газов (СОМГ) содержит одну монофункциональную подсистему внешнего газообмена (содержит только один тип СФЕ – функциональные единицы вентиляции, ФЕВ) и одну многофункциональную систему кровообращения (содержит несколько типов СФЕ – саркомеры, функциональные единицы перфузии, гемоглобин, бикарбонаты).

При этом, хотя мы и говорим, что СВГ – это монофункциональная система, но по сути она также является многофункциональной, потому что включает в себя множество различных сервисных подсистем, которые обслуживают её основную функцию. Для нормальной вентиляции ФЕВ (лёгких) необходимо очистить и согреть вдыхаемый воздух (привести его в необходимую кондицию), распределить его по соответствующим ФЕВ и т.д. Но без ФЕВ для самой СОМГ все эти сервисные подсистемы не нужны. Именно ФЕВ определяют основную функцию СВГ, в этом смысле СВГ является монофункциональной системой.

Система кровообращения содержит несколько монофункциональных подсистем, каждая из которых содержит свои однотипные СФЕ. Т.е., сложная многофункциональная система всегда состоит из нескольких простых моно-функциональных подсистем, содержащих свои однотипные СФЕ.

Следовательно, есть простейшие, монофункциональные и много-функциональные системы. Отличие между ними в количестве и качестве СФЕ.

Чтобы не путать сложность систем со сложностью их блока управления, проще принять, что есть монофункциональные (простые) и много-функциональные (сложные) системы. В этом случае понятие сложности системы касается только блока управления. У монофункциональной системы блок управления управляет набором собственных СФЕ, независимо от степени его сложности. У многофункциональной системы блок управления любой сложности, управляет несколькими монофункциональными подсистемами, каждая из которых имеет свои СФЕ со своими блоками управления.

Именно сложность блока управления определяет сложность системы, причём не только тип системы, но и саму принадлежность данного объекта к разряду систем. Есть соответствующий блок управления, есть система. Нет (любого) блока управления – нет системы. У систем могут быть блоки управления не ниже, чем простой. Простейший блок управления не может быть у полноценной системы, но есть у СФЕ.

Таким образом, система – это объект определённой степени сложности, который может подстраивать свои функции под нагрузку (под внешнее воздействие). Если в её состав входит более чем одна СФЕ, результат её действия имеет число градаций, равное числу её СФЕ, или, что то же самое, числу квантов действия. Число функций системы определяетсмя числом разнотипных монофункциональных систем, которые входят в состав данной системы.

Отдельные СФЕ можно группировать, получая при этом другие системы, которые могут отличаться от отдельных СФЕ либо по количеству, либо по качеству результата действия. Если вновь полученные системы отличаются от их собственных СФЕ по количеству результата действия, это равносильно появлению новых монофункциональных систем с градуированным результатом действия (см. выше). Это есть развитие систем по горизонтали.

Когда-то развитие жизни шло по пути укрупнения тела животных, что давало какую-то гарантию в биологической конкуренции (количественная конкуренция, различные монстры в эпоху динозавров). Но выйгрыш оказался сомнительным, достоинств оказалось меньше, чем недостатков, поэтому монстры вымерли.

Если они отличаются по качеству, это равносильно появлению новых многофункциональных систем или СФЕ, только на более высоком уровне, и этот процесс мы также рассматривали. Такое построение новых систем есть развитие систем по вертикали.

Примером этому служит усложнение живых организмов по мере эволюции, от простейших одноклеточных к многоклеточным и к человеку. То, что может человек, не может делать рептилия. Но то, что может рептилия, не может делать инфузория (насекомое, медуза, амёба и т.д.). Усложнение живых организмов происходило только с одной кардинальной целью – выжить в любых условиях (видовая конкуренция). Поскольку условия проживания разнообразны, живой организм как система должен быть много-функциональным.

Характеристика новых систем определяется составом элементов исполнения и особенностями блока управления. Если требуется повысить амплитуду или мощность срабатывания системы, то состав элементов исполнения должен быть одинаковым. Для повышения амплитуды действия системы все СФЕ выстраиваются в последовательный ряд, для повышения мощности – в параллельный ряд (рис. 27), в зависимости от требуемого количества результата действия (амплитуды или мощности в данный конкретный момент).

Рис. 27. Последовательный (А) и параллельный (В) ряды соединения СФЕ.

Последовательное соединение СФЕ (шары) повышает амплитуду результата действия. Параллельное соединение СФЕ повышает мощность результата действия.

Разнотипные СФЕ имеют разные цели и поэтому у них разные функции. В различии СФЕ заключается их специализация, когда каждая из них имеет присущую ей специальную функцию. Если в состав какой-либо системы входят разнотипные СФЕ, то такая система будет дифференцированной, имеющей элементы с разной специализацией. В системах с однотипными СФЕ все элементы имеют одинаковую специализацию. Поэтому в такой системе нет дифференциации. Таким образом, понятие специализации характеризует отдельный элемент, а понятие дифференциации – группу элементов.

Число СФЕ в реальных системах всегда конечно, поэтому и возможности реальных систем конечны и ограничены. Ресурсы любой системы зависят от числа СФЕ, которые входят в её состав в качестве элементов исполнения. Сколько патронов есть в пистолете, столько выстрелов он может сделать, не больше. Чем меньше СФЕ есть у системы, тем меньший диапазон изменений внешнего воздействия может привести к исчерпанию её ресурсов, тем хуже она противостоит воздействию внешней среды.

Собирая различные СФЕ во всё более и более сложные системы можно построить системы с любыми заданными свойствами (качества результата действия) и мощности (количества квантов результата действия). При этом элементы систем сами являются системами, хотя и более низкого порядка (подсистемами) для этих систем. А сама данная система также может быть элементом для системы более высокого порядка. В этом заключается суть иерархии систем.

Например, миокард должен развивать достаточно большие усилия, чтобы поддерживать необходимое артериальное давление, и иметь достаточно большую амплитуду сокращения, чтобы обеспечить необходимую величину ударного выброса желудочков.

Саркомер – это СФЕ сократительной системы миокарда (рис. 28). Каждый отдельный саркомер очень слаб по силе сокращения и амплитуда его сокращения очень мала. Если соединить много отдельных саркомеров в последовательный ряд, то суммарная амплитуда сокращения всей цепочки саркомеров будет кратна числу саркомеров в ряду, но мощность сокращения остаётся низкой и равной мощности сокращения одного саркомера (рис. 28В).

Рис. 28. Одиночный саркомер (А), и виды различных соединий саркомеров (В, C и D) .

Один саркомер может сократиться, например, на 0.001 мм, и развить усилие, например, в 0.001 гр (минимум длины и силы сокращения, А). Последовательное соединение саркомеров увеличивает амплитуду сокращения, но сила сокращения не меняется (больше амплитуда, но минимум силы сокращения, В). Параллельное соединение саркомеров не меняет амлитуды сокращения, но увеличивает её силу (больше сила, но минимум амплитуды сокращения, С). Последовательно-параллельное соединение саркомеров увеличивает и амплитуду и силу сокращения миокарда (для сокращения на 1 мм усилием в 1 гр необходимо 1 000 000 саркомеров, D). Все цифры взяты произвольно, с целью демонстрации влияния различных типов соединения саркомеров на их суммарную характеристику.

Последовательно-параллельное соединение саркомеров увеличивает и амплитуду и мощность сокращения. Для нормального выполнения своих функций, т.е., для нормальной амплитуды и силы сокращения в миокарде должно быть соответствующее число саркомеров, соединённых в последовательно-параллельные цепочки (рис. 28D).