информация, энергия и энтропия
Добавлено: 23 ноя 2003, 09:46
Уважаемый Виктор Сергеевич!
Хочу выразить свое восхищение Вашей работой, посвященной синергетике.
Как я понял рассмотрение проблемы целостности одна из сторон Вашей творческой деятельности.
Поэтому хотелось бы рассмотреть эту проблему с позиций информации, энергии и энтропии. Как мне кажется, обсуждение этих вопросов будет не безынтересно участникам форума. Хотелось бы творческой дискуссии с Вашей стороны.
Искренне Ваш Шифрин Александр Григорьевич, к.м.н. Scorrion@a-teleport.com
Наш взгляд на конструкцию биологических систем
Процессы, обеспечивающие целостность биологического обьекта, направлены на сборку компонентов клетки. Тех компонентов клетки, которые должны "родиться" или подвергнуться замене.
Все остальные процессы, которые обьединяют понятием "жизнедеятельность", являются энтропийными. К ним можно отнести работу мышц, работу системы кровообращения, работу по поддержанию ионных и электрохимических градиентов и т.д.
В 1947 г. И. Пригожин доказал теорему о минимуме производства энтропии в стационарном неравновесном состоянии. Общим признаком стабильности открытой неравновесной системы является отношение, выраженное формулой dP/dt<=0, где Р - энтропия, t - время. Мы покажем, что одной из систем обеспечивающей уменьшение «производства энтропии» является управление.
Ценность, или другими словами, важность информации определяется возможностью сохранять целостность за счет реализации адаптационно-поведенческих алгоритмов.
Три кита информации
В настоящее время информацию рассматривают как меру:
1 - оценки величины сообщения и пропускной способности системы связи.
2 - уменьшения незнания.
3 - длины программ, позволяющих преобразовывать одно, заранее определенное
множество, в другое.
Примеры, подтверждающие наличие информационно-энергетического
взаимодействия
-У высших животных при дефиците пищи возникает чувство голода. При этом снижается порог возбудимости нервной системы и обостряются зрение, обоняние и слух.
Если охота была удачной - у животного снижается двигательная активность, а некоторые животные даже впадают в спячку.
- При некоторых заболеваниях нервной системы на выполнение обычных действий затрачивается больше времени и усилий.
- При нарушениях обмена веществ часто изменяется возбудимость центральной нервной системы, как это можно наблюдать у больных тиреотоксикозом или ожирением.
- Учение о конституциональных типах человека, заложенное в глубокой древности Гиппократом делит людей по особенностям высшей нервной деятельности и обмена веществ.
- Энерготраты при выполнении одного и того же задания у менее опытных спортсменов выше.
- Результаты лечения пострадавших, имеющих одну и ту же степень неврологического дефицита, вследствии тяжелой черепно-мозговой травмы, лучше, если травма не сопровождается снижением энерготрат.
Моделирование информационно-энергетического
взаимодействия
В современной математике широко применяется принцип "минимальной сложности", используемый для изображения прежде не выясненных взаимо-
связей. Попытаемся использовать этот принцип и выполнить простейшее моделирование информационно-энергетического взаимодействия.
Предположим, из пункта А в пункт Б с постоянной скоростью летит муха. В точке С, не лежащей на линии, соединяющей А и Б находится ласточка, которая отслеживает положения мухи каждую 0,1 секунды, т.е. ласточка воспринимает информацию со скоростью 10 бит/с.
Ласточка взлетает, ее скорость постоянна и в два раза больше скорости мухи. Через время t1 ласточка настигает муху, затратив на ее поимку энергию равную Е1. ( График движения ласточки представляет собой синусоиду с уменьшающейся амплитудой).
Во втором случае ласточка, после бурно проведенной ночи, отмечает положения мухи каждые 0,2 секунды, т.е. воспринимает информацию со скоростью 5 бит/с. Скорость ее движения та же и ее начальное положение - в точке С. Время и энергия затраченные на поимку мухи во втором случае больше, чем в первом: t2 > t1, и Е2 > Е1.
Если энергодефицит ласточки перед охотой был Е3 то после поимки мухи он будет равен Е3+Е1 в первом случае, и Е3+Е2 во втором.
Предположим, что муха был крупной и ее энергоемкость Е4 > = Е3+Е2, тогда
I1 х ( Е1+Е3) = k х I2 х (Е2 +Е3), где I1 и I2 - скорость обработки информации нервной системой ласточки в первом и втором случаях, Е1+Е3 и Е2+Е3 энергодефициты ласточки при достижении цели в первом и втором случаях, k - коэфициент пропорциональности.
Если энергоемкость мухи равна Е4=Е3+Е1, тогда поймав муху, ласточка восполнит энергодефицит в первом случае и, не восполнит во втором.
Для того, чтобы целостность структур ласточки не была нарушена, т.е. для того, чтобы не произошло снижение ее клеточной массы, ласточке необходимо продолжить охоту. Охота будет продолжаться пока количество пойманных мух - n, не покроит энергодефицит равный: Е3 + nЕ2.
Все, о чем речь шла ранее, было сказано для того, чтобы показать:
1. активность информационных каналов и системы управления в открытой нестабильной системе сопряжена с энтропией системы, и
2. для открытой саморегулирующейся системы любое сообщение, не зависимо от степени вероятности его наступления, является «информативным», если изменяет энтропию системы.
В представляемой работе мы пытались доказать, что существует не только взаимосвязь между термодинамическими координатами организма и состоянием его нервной системы, но и обосновать закон сохранения информационно-энергетического баланса. Т.е. при повреждении в «информационном звене» открытой системы ее целостность обеспечивает более высокая активность процессов, обеспечивающих условия для нормального течения реакций синтеза; и наоборот, при угнетении процессов репарации целостность может поддерживаться за счет оптимизации управления. Или: И1 х Т1 = k х И2 х Т2, где
И1 х Т1 – произведение информационного статуса и термодинамических координат процесса репарации до воздействия и И2 х Т2 – после, k – передаточный коэфициент, величина которого зависит от свойств уровня системы управления.
Методы оценки систем управления метаболическими
процессами
В настоящее время медицина располагает большим арсеналом методов, позволяющих определить структурные повреждения ЦНС: компьютерная томография, магнитно-ядернорезонансная томография, электроэнцефалография, клинические методы исследования нарушений функций мышц и др.
Методов, позволяющих произвести интегративную оценку функционально-
го состояния регуляторных систем немного, – это бальные шкалы ком (одна из них – шкала Глазго), методы исследования изменчивости периодических процессов в кровообращении (один из них - вариабельности сердечного пульса); исследование поля Кирлиан.
Шкалы ком позволяют определить степень повреждения систем управления, а оценка вариабельности сердечного ритма позволяет оценить характер регуляции (гуморальный, симпатический, парасимпатический), стрессовую устойчивость и риск фатальных состояний. Конец 80-х годов дал осознание прямой зависимости наступления смерти от падения вариабельности сердечного ритма.
Методы определения термодинамических координат
пациента
1. Определение общих энерготрат
1а. Прямая калориметрия
1б. Непрямая калориметрия ( произведение потребления кислорода и
«дыхательного коэфициента»)
2. Определение «энтропийных» потерь:
2а. определение теплопотери
2б. работы правого и левого сердца
2в. работы дыхания
2г. работы по поддержанию электрохимического потенциала
2д. мышечной работы
2е. перикисного окисления липидов
Общие потери представляют собой сумму «энтропийных» потерь.
3. Определение «негэнтропийных» затрат:
Прямого метода определения термодинамических координат процессов репарации в настоящее время нет.
3а. определение «энергетического заряда»:
(АТФ + 0,5 х АДФ) / (АТФ + АДФ + АМФ)
3б. определение “негэнтропии” как разницы общих энерготрат и “энтропийных потерь”
Практика хатха-йоги как способ уменьшения энтропии.
Увеличение способов, посредством которых человек может осуществлять творческую коммуникацию с природой, социумом, эго, ментальными конструкциями, внутренними органами возможно при наличии некоторого уровня здоровья. Это означает, что организм функционирует в сбалансированном режиме взаимного сосуществования энтропии и негэнтропии.
Доступные объективные критерии, которые могут подтвердить, что такая коммуникация на уровне организма имеет место: 1. увеличение вариабельности сердечного ритма, 2. усиление свечения по данным кирлианографии, 3. Произвольное изменение кожно-гальванического потенциала, и/или температуры участков кожи.
Ментальные конструкции каналов, по которым «циркулирует энергия» в настоящее время, хотя и не зафиксированы аппаратными способами, не вступают в противоречие с современными взглядами, согласно которым наблюдатель (исследователь) не безразличен объекту наблюдения. Вероятно, создание более чувствительных приборов газоразрядной визуализации позволит решить эту проблему.
Исходя из сегодняшнего понимания хатха йоги, можно предположить, что способ увеличения негэнтропии заключается в расширении адаптивных возможностей нервной системы, за счет приобретения новых способов получения информации и возможностей управления гомеостазом в «искусственных» условиях, обеспечивающихся выполнением пранаям и асан.
Литература.
1. Норберт Винер. Кибернетика, или управление и связь в животном и
машине. - М.: Советское радио, 1968
2. Норберт Винер. Творец и будущее. – М., 2003.
3. R.V.L.Hartley. Transmission of Information. BSTJ, 7,3. P. 535-563
(1928). [В книге "Теория информации и ее приложения".
М., 1959. Сб. пер. под ред. А.А.Харкевича, с. 5-35].
4. К.Шеннон. Работы по теории информации и кибернетике.– М.:Изд. ин. лит., 1963.
5. А.Н. Колмогоров. Три подхода к определению понятия количества
информации.//Проблемы передачи информации.1965.Вып.1. Т.1, С. 3.
6. Energery metabolic rate and cardiovascular function incritically ill
neurosurgical patients /T. Danelia, N. Lebanidze,G Tsanava et all.// 10 – th
World Congress of Anaesthesiologists.- Hague, 1992,- P. 784.
7. П.Гленсдорф, И.Пригожин. Термодинамическая теория структуры,
устойчивость и флуктуации. М.: Мир, 1973.
8. Jennett B. Severe head injury: prediction of outcome as a basis for
management dicisions.- Int. Anesthesiol. Clin., 1979, vol. 17, N2. P. 133-152.
9. Меерсон Ф.З. Защитные эффекты адаптации и некоторые
перспективы развития адаптационной медицины // Успехи физиологии.-1991.-N2. - С. 52 – 89.
10. Heart rate variability. Task force of the European society of cardiology and the North American society of pacing and electrophysiology. Eur. Heart J. vol.17.P.354-381.
11. Яблучанский Н.И., Мартыненко А.В., Исаева А.С. Основы практического применения неинвазивной техноглогии исследования регуляторных систем человека. Харків.Основа. 2000. 87 с.
12. Atkinson D. E. The energy charge of the adenylate pool as a regulatory parameter. Interaction with feedback modifiers. Biochemistry.1968. vol. 7. P. 4030
13. Hutchinson PJ, al-Rawi PG, O'Connell MT, Gupta AK, Maskell LB, Hutchinson DB, Pickard JD, Kirkpatrick PJ. On-line monitoring of substrate delivery and brain metabolism in head injury. Acta Neurochir Suppl 2000;76:431-5
14. Коротков К.Г. Оценка психофизиологического состояния человека в норме и патологии методом газоразрядной визуализации. Информационные технологии в здравоохранении № 8-9 (10-11), 2001. с. 6-7.
Хочу выразить свое восхищение Вашей работой, посвященной синергетике.
Как я понял рассмотрение проблемы целостности одна из сторон Вашей творческой деятельности.
Поэтому хотелось бы рассмотреть эту проблему с позиций информации, энергии и энтропии. Как мне кажется, обсуждение этих вопросов будет не безынтересно участникам форума. Хотелось бы творческой дискуссии с Вашей стороны.
Искренне Ваш Шифрин Александр Григорьевич, к.м.н. Scorrion@a-teleport.com
Наш взгляд на конструкцию биологических систем
Процессы, обеспечивающие целостность биологического обьекта, направлены на сборку компонентов клетки. Тех компонентов клетки, которые должны "родиться" или подвергнуться замене.
Все остальные процессы, которые обьединяют понятием "жизнедеятельность", являются энтропийными. К ним можно отнести работу мышц, работу системы кровообращения, работу по поддержанию ионных и электрохимических градиентов и т.д.
В 1947 г. И. Пригожин доказал теорему о минимуме производства энтропии в стационарном неравновесном состоянии. Общим признаком стабильности открытой неравновесной системы является отношение, выраженное формулой dP/dt<=0, где Р - энтропия, t - время. Мы покажем, что одной из систем обеспечивающей уменьшение «производства энтропии» является управление.
Ценность, или другими словами, важность информации определяется возможностью сохранять целостность за счет реализации адаптационно-поведенческих алгоритмов.
Три кита информации
В настоящее время информацию рассматривают как меру:
1 - оценки величины сообщения и пропускной способности системы связи.
2 - уменьшения незнания.
3 - длины программ, позволяющих преобразовывать одно, заранее определенное
множество, в другое.
Примеры, подтверждающие наличие информационно-энергетического
взаимодействия
-У высших животных при дефиците пищи возникает чувство голода. При этом снижается порог возбудимости нервной системы и обостряются зрение, обоняние и слух.
Если охота была удачной - у животного снижается двигательная активность, а некоторые животные даже впадают в спячку.
- При некоторых заболеваниях нервной системы на выполнение обычных действий затрачивается больше времени и усилий.
- При нарушениях обмена веществ часто изменяется возбудимость центральной нервной системы, как это можно наблюдать у больных тиреотоксикозом или ожирением.
- Учение о конституциональных типах человека, заложенное в глубокой древности Гиппократом делит людей по особенностям высшей нервной деятельности и обмена веществ.
- Энерготраты при выполнении одного и того же задания у менее опытных спортсменов выше.
- Результаты лечения пострадавших, имеющих одну и ту же степень неврологического дефицита, вследствии тяжелой черепно-мозговой травмы, лучше, если травма не сопровождается снижением энерготрат.
Моделирование информационно-энергетического
взаимодействия
В современной математике широко применяется принцип "минимальной сложности", используемый для изображения прежде не выясненных взаимо-
связей. Попытаемся использовать этот принцип и выполнить простейшее моделирование информационно-энергетического взаимодействия.
Предположим, из пункта А в пункт Б с постоянной скоростью летит муха. В точке С, не лежащей на линии, соединяющей А и Б находится ласточка, которая отслеживает положения мухи каждую 0,1 секунды, т.е. ласточка воспринимает информацию со скоростью 10 бит/с.
Ласточка взлетает, ее скорость постоянна и в два раза больше скорости мухи. Через время t1 ласточка настигает муху, затратив на ее поимку энергию равную Е1. ( График движения ласточки представляет собой синусоиду с уменьшающейся амплитудой).
Во втором случае ласточка, после бурно проведенной ночи, отмечает положения мухи каждые 0,2 секунды, т.е. воспринимает информацию со скоростью 5 бит/с. Скорость ее движения та же и ее начальное положение - в точке С. Время и энергия затраченные на поимку мухи во втором случае больше, чем в первом: t2 > t1, и Е2 > Е1.
Если энергодефицит ласточки перед охотой был Е3 то после поимки мухи он будет равен Е3+Е1 в первом случае, и Е3+Е2 во втором.
Предположим, что муха был крупной и ее энергоемкость Е4 > = Е3+Е2, тогда
I1 х ( Е1+Е3) = k х I2 х (Е2 +Е3), где I1 и I2 - скорость обработки информации нервной системой ласточки в первом и втором случаях, Е1+Е3 и Е2+Е3 энергодефициты ласточки при достижении цели в первом и втором случаях, k - коэфициент пропорциональности.
Если энергоемкость мухи равна Е4=Е3+Е1, тогда поймав муху, ласточка восполнит энергодефицит в первом случае и, не восполнит во втором.
Для того, чтобы целостность структур ласточки не была нарушена, т.е. для того, чтобы не произошло снижение ее клеточной массы, ласточке необходимо продолжить охоту. Охота будет продолжаться пока количество пойманных мух - n, не покроит энергодефицит равный: Е3 + nЕ2.
Все, о чем речь шла ранее, было сказано для того, чтобы показать:
1. активность информационных каналов и системы управления в открытой нестабильной системе сопряжена с энтропией системы, и
2. для открытой саморегулирующейся системы любое сообщение, не зависимо от степени вероятности его наступления, является «информативным», если изменяет энтропию системы.
В представляемой работе мы пытались доказать, что существует не только взаимосвязь между термодинамическими координатами организма и состоянием его нервной системы, но и обосновать закон сохранения информационно-энергетического баланса. Т.е. при повреждении в «информационном звене» открытой системы ее целостность обеспечивает более высокая активность процессов, обеспечивающих условия для нормального течения реакций синтеза; и наоборот, при угнетении процессов репарации целостность может поддерживаться за счет оптимизации управления. Или: И1 х Т1 = k х И2 х Т2, где
И1 х Т1 – произведение информационного статуса и термодинамических координат процесса репарации до воздействия и И2 х Т2 – после, k – передаточный коэфициент, величина которого зависит от свойств уровня системы управления.
Методы оценки систем управления метаболическими
процессами
В настоящее время медицина располагает большим арсеналом методов, позволяющих определить структурные повреждения ЦНС: компьютерная томография, магнитно-ядернорезонансная томография, электроэнцефалография, клинические методы исследования нарушений функций мышц и др.
Методов, позволяющих произвести интегративную оценку функционально-
го состояния регуляторных систем немного, – это бальные шкалы ком (одна из них – шкала Глазго), методы исследования изменчивости периодических процессов в кровообращении (один из них - вариабельности сердечного пульса); исследование поля Кирлиан.
Шкалы ком позволяют определить степень повреждения систем управления, а оценка вариабельности сердечного ритма позволяет оценить характер регуляции (гуморальный, симпатический, парасимпатический), стрессовую устойчивость и риск фатальных состояний. Конец 80-х годов дал осознание прямой зависимости наступления смерти от падения вариабельности сердечного ритма.
Методы определения термодинамических координат
пациента
1. Определение общих энерготрат
1а. Прямая калориметрия
1б. Непрямая калориметрия ( произведение потребления кислорода и
«дыхательного коэфициента»)
2. Определение «энтропийных» потерь:
2а. определение теплопотери
2б. работы правого и левого сердца
2в. работы дыхания
2г. работы по поддержанию электрохимического потенциала
2д. мышечной работы
2е. перикисного окисления липидов
Общие потери представляют собой сумму «энтропийных» потерь.
3. Определение «негэнтропийных» затрат:
Прямого метода определения термодинамических координат процессов репарации в настоящее время нет.
3а. определение «энергетического заряда»:
(АТФ + 0,5 х АДФ) / (АТФ + АДФ + АМФ)
3б. определение “негэнтропии” как разницы общих энерготрат и “энтропийных потерь”
Практика хатха-йоги как способ уменьшения энтропии.
Увеличение способов, посредством которых человек может осуществлять творческую коммуникацию с природой, социумом, эго, ментальными конструкциями, внутренними органами возможно при наличии некоторого уровня здоровья. Это означает, что организм функционирует в сбалансированном режиме взаимного сосуществования энтропии и негэнтропии.
Доступные объективные критерии, которые могут подтвердить, что такая коммуникация на уровне организма имеет место: 1. увеличение вариабельности сердечного ритма, 2. усиление свечения по данным кирлианографии, 3. Произвольное изменение кожно-гальванического потенциала, и/или температуры участков кожи.
Ментальные конструкции каналов, по которым «циркулирует энергия» в настоящее время, хотя и не зафиксированы аппаратными способами, не вступают в противоречие с современными взглядами, согласно которым наблюдатель (исследователь) не безразличен объекту наблюдения. Вероятно, создание более чувствительных приборов газоразрядной визуализации позволит решить эту проблему.
Исходя из сегодняшнего понимания хатха йоги, можно предположить, что способ увеличения негэнтропии заключается в расширении адаптивных возможностей нервной системы, за счет приобретения новых способов получения информации и возможностей управления гомеостазом в «искусственных» условиях, обеспечивающихся выполнением пранаям и асан.
Литература.
1. Норберт Винер. Кибернетика, или управление и связь в животном и
машине. - М.: Советское радио, 1968
2. Норберт Винер. Творец и будущее. – М., 2003.
3. R.V.L.Hartley. Transmission of Information. BSTJ, 7,3. P. 535-563
(1928). [В книге "Теория информации и ее приложения".
М., 1959. Сб. пер. под ред. А.А.Харкевича, с. 5-35].
4. К.Шеннон. Работы по теории информации и кибернетике.– М.:Изд. ин. лит., 1963.
5. А.Н. Колмогоров. Три подхода к определению понятия количества
информации.//Проблемы передачи информации.1965.Вып.1. Т.1, С. 3.
6. Energery metabolic rate and cardiovascular function incritically ill
neurosurgical patients /T. Danelia, N. Lebanidze,G Tsanava et all.// 10 – th
World Congress of Anaesthesiologists.- Hague, 1992,- P. 784.
7. П.Гленсдорф, И.Пригожин. Термодинамическая теория структуры,
устойчивость и флуктуации. М.: Мир, 1973.
8. Jennett B. Severe head injury: prediction of outcome as a basis for
management dicisions.- Int. Anesthesiol. Clin., 1979, vol. 17, N2. P. 133-152.
9. Меерсон Ф.З. Защитные эффекты адаптации и некоторые
перспективы развития адаптационной медицины // Успехи физиологии.-1991.-N2. - С. 52 – 89.
10. Heart rate variability. Task force of the European society of cardiology and the North American society of pacing and electrophysiology. Eur. Heart J. vol.17.P.354-381.
11. Яблучанский Н.И., Мартыненко А.В., Исаева А.С. Основы практического применения неинвазивной техноглогии исследования регуляторных систем человека. Харків.Основа. 2000. 87 с.
12. Atkinson D. E. The energy charge of the adenylate pool as a regulatory parameter. Interaction with feedback modifiers. Biochemistry.1968. vol. 7. P. 4030
13. Hutchinson PJ, al-Rawi PG, O'Connell MT, Gupta AK, Maskell LB, Hutchinson DB, Pickard JD, Kirkpatrick PJ. On-line monitoring of substrate delivery and brain metabolism in head injury. Acta Neurochir Suppl 2000;76:431-5
14. Коротков К.Г. Оценка психофизиологического состояния человека в норме и патологии методом газоразрядной визуализации. Информационные технологии в здравоохранении № 8-9 (10-11), 2001. с. 6-7.