Паутина жизни. Новое научное понимание живых систем

Первое подробное обсуждение петель обратной связи появилось в статье Норберта Винера, Джулиана Бигелоу и Артуро Розенблюта, опубликованной в 1943 г. и озаглавленной «Поведение, цель и телеология». В этой новаторской работе авторы не только представили идею круговой причинности как логического паттерна, лежащего в основе технической концепции обратной связи, но также впервые применили ее к модели поведения живых организмов. Занимая строгую бихевиористскую позицию, они утверждали, что поведение любой машины или организма, характеризующееся саморегулированием через обратную связь, может быть названо «целенаправленным», поскольку такое поведение преследует некую цель. Они иллюстрировали свою модель целенаправленного поведения многочисленными примерами — кошка ловит мышь; собака берет след; человек берет стакан со стола и т. д. — и проанализировали эти примеры на языке заложенных в них круговых паттернов обратной связи.

Винер и его коллеги считали обратную связь существенным механизмом гомеостаза — саморегулирования, которое позволяет живым организмам поддерживать себя в состоянии динамического равновесия. Когда Уолтер Кэннон десятилетием раньше в известной книге «Мудрость тела»]4 ввел понятие гомеостаза, он дал также подробное описание многих саморегулирующихся метаболических процессов, но так и не определил в явном виде замкнутые причинные петли, содержащиеся в них. Таким образом, концепция обратной связи, введенная кибернетиками, привела к новому пониманию многих присущих жизни саморегулирующихся процессов. Сегодня мы понимаем, что петли обратной связи повсеместно встречаются в живом мире, поскольку они являются неотъемлемой частью нелинейных сетей, характерных для живых систем.

Кибернетики различают два типа обратной связи — уравновешивающую (или отрицательную) и усиливающую (или положительную) обратную связь. Примерами последней служат хорошо известные режимы, или порочные круги, когда машина идет «вразнос», так как изначальное воздействие постоянно усиливается с каждым новым прохождением по петле.

Поскольку специальные значения «отрицательного» и «положительного» в этом контексте могут легко ввести в заблуждение, нам, видимо, следует объяснить их более подробно15. Причинное влияние в направлении от А к Б определяется как положительное, если изменение в А приводит к изменению того же направления в Б: увеличение А влечет за собой увеличение Б, а уменьшение А приводит к уменьшению Б. Причинное звено определяется как отрицательное, если изменение Б происходит в противоположном направлении, т. е. Б уменьшается, когда А увеличивается, и увеличивается, когда А уменьшается.

Например, в петле обратной связи, представляющей управление лодкой (петля повторно воспроизведена на рис. 4-3), связь между «оценкой отклонения» и «противодействием» является положительной: чем значительнее отклонение от установленного курса, тем интенсивнее «противодействие».

Рис. 4-3. Положительные и отрицательные причинные звенья

Следующая связь, однако, уже отрицательная: чем интенсивнее противоусилие, тем стремительнее уменьшается отклонение. И, наконец, последняя связь опять положительна. Поскольку отклонение уменьшается, по новой оценке его значение снизится по сравнению с предыдущей оценкой. Следует помнить, что значки «+» и «-» означают не увеличение или уменьшение, а относительное направление изменения связанных элементов: «+» означает одинаковое направление, а «-» противоположное.

Рис. 4-4. Центробежный регулятор

Причина, по которой значки «+» и «-» оказались столь удобными, заключается в том, что они дают очень простое правило определения общего характера петли обратной связи. Она будет самобалансирующейся (отрицательной), если содержит нечетное количество отрицательных связей16. В нашем примере есть лишь одна отрицательная связь, значит, вся петля имеет отрицательный, т. е. самобалансирующийся характер. Часто петли обратной связи состоят как из положительных, так и отрицательных причинных связей, и тогда их общий характер легко определяется простым подсчетом количества отрицательных звеньев в петле.

Примеры управления лодкой и велосипедом идеально подходят для иллюстрации понятия обратной связи, поскольку они относятся к хорошо освоенному человеком опыту и их понимают сразу. Для иллюстрации таких же принципов в механических устройствах для саморегулирования Винер и его коллеги часто использовали один из самых ранних и простейших примеров обратной связи в технике — центробежный регулятор парового двигателя (рис. 4-4).