Формирование системы гомеостаза в процессе филогенеза
Актуальная версия Beast Инструкция по работе с Beast
При моделировании системы гомеостаза искусственных живых существ важно не только понимать принципы проектировании таких систем, но и то, почему они должны быть именно такие, если мы хотим получить систему аналогичную природной реализации. Опираться здесь нужно в первую очередь на рассмотрение системы гомеостаза реальных живых существ в процессе филогенеза, то есть с учетом ее биологической эволюции, а не просто как готового механизма. Тогда станет понятно, почему она устроена именно так, а не иначе, ведь все неудачное отсеивалось естественным отбором. И только после этого можно будет делать попытки улучшить систему, с учетом возможностей НТП, которых не было у природы.
Жизненно важные параметры гомеостаза
Основа любой системы гомеостаза – это Жизненно важные параметры (далее ЖВП), отображающие состояние какой-либо системы жизнеобеспечения, имеющей две зоны значений параметра: критическую, нахождение в которой означает ухудшение работы до фатальности системы, и комфортную, в которой система работает нормальным образом. Самый простой пример такого ЖВП, который однозначно присутствует при любых модификациях живых существ – энергобаланс. Нужно следить за уровнем энергии, так как при достижении критически низкого уровня возникнет критическая нехватка энергии и, если ничего не делать и позволить уровню энергии опускаться ниже, в конечном итоге система гомеостаза станет не способной поддерживать жизнеобеспечения существа, оно погибнет.
Жизненно важный параметр – параметр живой системы, который необходимо поддерживать в норме, а при критическом отклонении восстанавливать норму.
Более сложный вариант ЖВП – температура. Если в примере с энергией мы имели одно критическое значение (Порог), ниже которого значения становились критическими, то в случае с температурой их два, так как очевидно речь идет о диапазоне значений, за пределом которого одинаково плохи как слишком низкие, так и слишком высокие температуры. Оптимум, в котором система работает наилучшим образом и нужно поддерживать. Однако в действительности, тут мы имеем все те же однопороговые ЖВП, только совмещенные.
Порог – критическое значение ЖВП, пересечение которого в критическую зону сигнализирует отклонение от оптимального состояния работы системы.
Но почему бы просто не сделать ЖВП с двумя, тремя и более Порогами, если это понадобится, зачем делать два параметра, один из которых будет следить за понижением температуры, а другой за повышением? Если обратиться к природной реализации, то можно выделить две причины, почему так получилось:
- Предположим, в процессе эволюции сформировались параметры с одним Порогом, как более простые, и все дальнейшие усложнения строились на базе существующих. Это основной принцип филогенеза – ничто не возникает «вдруг», на пустом месте, всегда есть основа.
- Само по себе введение датчика критического значения (Порога) не имеет смысла, если его срабатывание ничего не меняет, а просто сигналит о возникшей проблеме. Другое дело, если это запускает специально подобранное Корректирующее действие, возвращающее значение параметра в комфортную зону. И вот тут возникает нюанс: очевидно, что проще и естественнее в процессе эволюции будет возникновение связи, когда к каждому ЖВП привязано свое уникальное действие, активирующееся при пересечении критического порогового значения. В случае с температурой это означает, что для понижения температуры ниже критического минимума нужно одно действие, а при повышении совершенно другое. И это реально так и есть – все многопороговые ЖВП подразумевают определенные действия, запускаемые строго по своим условиям. Чтобы не делать систему определения, какое действие, какому Порогу соответствует, можно просто выделить несколько ЖВП и к каждому привязать свое уникальное действие. Тогда и не потребуется ничего определять: сработал пороговый датчик – запустилось Корректирующее действие. Это - естественный путь усложнения корректирующих реакций.
На схеме показан варианта ЖВП Энергобаланс, где критическая зона это область значений ниже Порога, а комфортная – выше. Поэтому если ЖВП < ПР, то запускается Корректирующее действие. На схеме это показано через кнопку Старт. Иначе, если ЖВП < = ПР, то Корректирующее действие блокируется. На схеме это показано через кнопку Стоп. Постоянное сканирование текущего значения уровня ЖВП означает, что происходит ритмичное сканирование (опрос) его значений с фиксированным временным шагом.
Корректирующие действия – адаптивные механизмы, стремящиеся возвратить ЖВП в зону его оптимальных для функционирования значений.
Компонуя искусственную систему гомеостаза нужно учитывать, что количество вводимых в систему ЖВП параметров зависит от числа решаемых задач адаптивности, и чем они сложнее, тем больше должно быть параметров. При этом необходимо в первую очередь выделять как более значимые те параметры, выход из нормы которых делает невозможным функционирование системы гомеостаза и при отсутствии корректирующих действий приближает ее к прекращению функционирования, например Энергобаланс, Давление, Температура, Повреждения, Самосохранение и т. п. Кроме того, для обеспечения специфических стилей адаптивного поведения, могут быть выделены ЖВП, дестабилизирующие систему в важных для занимаемой ниши условиях существования, например Любопытство, Общение, Обучение. Некоторые жизненные параметры зависимы от других, например Стресс и Самосохранение напрямую зависят от Энергобаланса.
Жизненные параметры не равнозначны по значимости, что определяет очередность их стабилизации, поэтому каждому ЖВП должна быть присвоена своя значимость. Кроме того, чтобы учитывать совокупность всех ЖВП, более эффективной будет схема, где Корректирующие действия привязываются к нескольким Жизненным параметрам. Однако при этом возможна ситуация, когда активируется несколько Корректирующих действий, что может вызвать между ними конфликт. Рассмотрим это на примере системы гомеостаза с тремя ЖВП и двумя Корректирующими действиями.
Активация и остановка Корректирующих действий показана через кнопки Старт и Стоп соответственно. Видно, что Корректирующее действие 1 запускается и блокируется от ЖВП1 и ЖВП2, а Корректирующее действие 2 от ЖВП2 и ЖВП3. То есть ЖВП2 участвует в активации и блокировке двух ЖВП. Если все три Жизненных параметра гомеостаза выйдут из нормального состояния, активируются оба Корректирующих действия, что может привести к конфликту.
Чтобы уменьшить вероятность одновременной активации разных Корректирующих действий, систему гомеостаза можно развить, добавив два новых механизма:
- Общий порог системы гомеостаза – суммарные значения со знаком пороговых значений каждого ЖВП
- Тормозные связи между Корректирующими действиями – они подбираются для каждой системы индивидуально, не позволяя активироваться действиям антагонистам. В живой природе такие связи формировались в процессе эволюции естественным отбором.
Кроме тормозных связей возможны и активирующие, так как один или несколько ЖВП могут активировать несколько Корректирующих действий одновременно, что в некоторых случаях более выгодно, чем выполнять одно действие.
Общий порог системы гомеостаза удобно считать как процентное отклонение от порогового значения со знаком:
- если отклонение было в область критических значений, то знак +
- если отклонение было в область комфортных значений, то знак –
Схема усложнилась путем добавления суммирования уровней ЖВП и сравнении его с Общим пороговым значением, при превышении которого запускаются специфические Корректирующие действия. Так же добавилось активирующие и тормозные связи между Корректирующими действиями, которые установлены таким образом, чтобы исключить одновременную активацию действий-антагонистов.
Но такая система гомеостаза реагирует только на изменения критических значений ЖВП без учета, чем они были вызваны. Эти изменения могут быть спровоцированы как внутренними функциональными воздействиями, так и внешними стимулами. Более эффективной будет система, способная по-разному реагировать на внешний и внутренний стимул, даже если они вызвали одинаковые критические изменения значений ЖВП. Но так как развитие живых систем в процессе филогенеза не отменяет предыдущие наработки эволюции, то так же, как и ранее, усовершенствование системы гомеостаза строится за счет добавления нового уровня реагирования, не отменяя старого, но развивая, уточняя его. При этом старый уровень становится контекстом для нового, в котором оно отрабатывается. В связи с этим, Корректирующие действия 1 и 2 из предыдущих схем в новой, модифицированной схеме, становятся Корректирующими стилями реагирования 1 и 2 соответственно.
Уточняющие стиль реагирования новые Корректирующие действия 1_1, 1_2, 2_1, 2_2 в новой схеме запускаются по двум условиям: должен быть активирован соответствующий Стиль реагирования и должен быть уникальный Внешний стимул для данного действия.
Добавление Внешних пусковых стимулов сделало активацию Корректирующих действий возможным только при условии, что одновременно было изменение критических значений ЖВП и внешнее воздействие. При этом Корректирующее действие выполняется в контексте Корректирующего стиля. Фактически это означает, что Корректирующий стиль – это более примитивное, не специфическое реагирование, а Корректирующее действие – более точное. То есть теперь: Корректирующий стиль – выброс гормонов, нейромедиаторов на внутренний стимул, Корректирующее действие – рефлекторное действие на внешний стимул.
Если проанализировать итоговую схему, то можно выделить следующие пусковые триггеры для активации/выключения реагирования системы гомеостаза:
- Превышение суммарного значения уровней ЖВП со знаком общего порогового значения системы – активирует Корректирующий стиль реагирования
- Внешний стимул совместно с активным Корректирующим стилем – активирует Корректирующее действие
Так как Корректирующее действие возможно теперь только в контексте Корректирующего стиля, то их пусковые триггеры можно представить в виде дерева, где родительским узлом будут триггеры запуска/выключения Корректирующего стиля, а дочерним – триггеры запуска/блокировки Корректирующего действия. При этом запуск/выключение Корректирующего стиля можно назвать активацией двух Базовых состояний (далее БС) системы гомеостаза, которые и будут теперь считаться первыми узлами дерева пусковых стимулов системы:
- Плохо – произошло включение Корректирующего стиля реагирования, как признак необходимости коррекции состояния системы
- Хорошо – произошло выключение Корректирующего стиля реагирования, как признак успешности состояния системы
При этом активация БС Хорошо должно через некоторое время перейти в третье БС Норма, как признак стабилизации системы, не требующей никаких Корректирующих действий. В итоге получаем следующее дерево пусковых стимулов системы гомеостаза, или просто Дерево рефлексов:
Переключение БС при успешной адаптации происходит по схеме: Плохо – Хорошо – Норма.
Добавим в схему системы гомеостаза БС и дерево пусковых стимулов:
В итоге получилась система гомеостаза, характерная для рефлекторной модели реагирования, развитие которой возможно только путем естественного отбора удачных мутаций, образующих активные/тормозные связи в схеме. Поэтому такая система гомеостаза может развиваться только в процессе эволюции в течении жизни многих поколений, что накладывает на нее существенные ограничения в развитие адаптации как в скорости, так и в качестве: Корректирующие действия случайными мутациями подбираются таким образом, чтобы сразу же возвращать уровни Жизненных параметров в комфортную зону, иначе они будут признаны не эффективными и будут отбракованы.
Чтобы получить возможность развития механизмов адаптации в течение жизни одной особи, необходимо сравнивать БС до и после выполнения Корректирующего действия. Еще более точная оценка будет если сравнивать изменение величин уровней ЖВП до и после выполнения КД, так как в этом случае даже находясь в критической зоне значений ЖВП, но приблизившись к Пороговому значению в результате Корректирующего действия, можно констатировать, что произошло улучшение ситуации. Поэтому, дальнейшим развитием системы гомеостаза будут новые, дополнительные маркеры оценки успешности Корректирующих действий: Стало лучше/Стало хуже в условных единицах. В нижеприведенной схеме сравниваются суммарные уровни значений ЖВП со знаком до и после реакции, как более точное определение изменения БС.
Новое в схеме – механизм запоминания значения % суммарного отклонения от Общего порогового значения до и после выполнения Корректирующего действия. При следующем шаге адаптации запомненное значение будет сравнено с текущим % суммарного отклонения, и если при Базовом состоянии Плохо оно стало больше, что означает еще большее удаление от Порога в критическую зону, то активируется оценка Стало хуже, если наоборот – активируется Стало лучше. При базовом состоянии Хорошо оценка становится инверсной потому, что Хорошо означает, что перешагнули Порог в направлении зоны комфорта, и теперь удаление от Порога будет означать дальнейшее улучшение состояния, а приближение к нему ухудшение.
Однако возможен и другой механизм определения изменения оценки результата выполненного действия, который предположительно мог возникнуть в процессе эволюции суммарной оценки % отклонения уровней всех ЖВП с учетом их значимости. Дело в том, что учет значимости ЖВП означает их конкуренцию, в которой очевидно побеждает наиболее значимый параметр. Так как его тормозное влияние пропорционально возрастает с уменьшением тормозного влияния конкурентов при их торможении, это приводит к тому, что в определенный момент происходит скачкообразный рост влияния доминирующего параметра и полное гашение конкурентов. В итоге остается один, наиболее влиятельный по значимости ЖВП который и определяет оценку улучшения или ухудшения ситуации по отношению к себе, после выполнения действия.
Более наглядно этот процесс можно наблюдать на модели латерального торможения. Если выбрать в списке «Загрузить рисунок» какой-нибудь примитив и начать затем двигать ползунок «Вес всех тормозных связей», то при определенных значения уровня торможения можно увидеть эти резкие скачки на графике справа, когда взаимное торможение выделяет (контрастирует) наиболее значимые (весомые) элементы одновременно полностью затормаживая менее значимые. Таким образом могла происходить эволюция схемы контрастирования ЖВП, путем подбора таких значений весов торможения, чтобы сразу выделять наиболее значимые в системе гомеостаза и определять оценку выполненных действий по ним.
Ниже на рисунке показан принцип определения % отклонения от зоны комфорта для получения оценки Стало лучше/Стало хуже.
Признаки адаптивной компенсации жизненных параметров определяются следующим образом:
Добавление возможности развития адаптации в течении жизни одной особи означает и возникновения нового типа Корректирующих действий – автоматизма.
Автоматизм – реакция, выполняемая подобно рефлексу без осмысления, но в отличие от него способная модифицироваться (блокироваться, усиливаться, ослабляться) в зависимости от оценки изменения текущего Базового состояния после его выполнения: Стало лучше или Стало хуже. При улучшении Базового состояния после реагирования, автоматизм закрепляется, при ухудшении блокируется.
Автоматизмы активируются по тому же дереву, что и рефлексы по принципу: если есть автоматизм на такой же интегральный стимул как у рефлекса – он тормозит рефлекс. Если автоматизм заблокируется, рефлекс станет опять доступным для активации.
Формирование системы гомеостаза в процессе филогенеза От безусловных рефлексов к условным От рефлексов к автоматизмам От бездумного к осознанному