A kibernetika alapfogalmai és az élő rendszerek

Az élő szervezetek sajátos kibernetikai rendszerek, amelyek működésében az infor-máció kitüntetett szerepet játszik. Néhány fontos jellemzőjüket az alábbiakban foglaljuk össze:

– Nyílt, hármas elvű rendszerek – Vezérelt és szabályozott rendszerek – Lágy automaták (lásd később)

– Negentrópikus és disszipatív rendszerek (lásd a fogalmak szótárában) – Önfenntartó és önreprodukáló rendszerek

– Változékonyságra és fejlődésre alkalmas rendszerek

Ahhoz, hogy ezeket a rendszertulajdonságokat értelmezni tudjuk, szükségünk van ar-ra, hogy megismerkedjünk a kibernetika néhány alapfogalmával. A kibernetika tudomá-nya szolgáltatja azt a fogalomrendszert és azokat a modelleket, amelyek lehetővé teszik az élő rendszereknek és a bonyolult műszaki berendezéseknek az egységes tárgyalását.

Ennek kettős haszna van: egyrészt jobban megérthetjük az élő rendszerek működését, másrészt – az élőlényektől ellesett megoldások felhasználásával – tökéletesíthetjük a gépi rendszerek működését.

A kibernetika a második világháború alatt folytatott katonai célú kutatásokból nőtt ki.

Születése – az információelmélethez hasonlatosan – egy olyan könyv megjelenéséhez kapcsolódik, amely a tudományág alapkövének számít. A könyv címe körvonalazza a tudományterület vizsgálódásának tárgyát, és megjelöli a további kutatások programját is:

Kibernetika, avagy kommunikációs és szabályozási folyamatok az állatoknál és a gépek-nél (Cybernetics or Control and Communication in the Animal and the Machine).⁴¹ Nor-bert Wiener, az 1948-ban kiadott könyv szerzője a következőképpen határolta körül az új tudomány tartalmát:

„Elhatároztuk, hogy az önműködő vezérlésnek, illetve a hírközlés elméletének az egész területét, akár gépről, akár emberről van szó, a kibernetika névvel fogjuk jelölni, amelyet a görög kibernétész, vagyis kormányos szóból képeztünk.⁴² E kifejezés választá-sával azt is szeretnénk elismerni, hogy a visszacsatolási mechanizmusról szóló első je-lentős tanulmány az a dolgozat, amelyet Clark Maxvell 1868-ban publikált, az eredeti angol címben szereplő governor kifejezés tulajdonképpen a kibernétész szónak egy lati-nosított módozata. Szeretnénk utalni arra a tényre is, hogy a hajó kormányszerkezete

41 Wiener, Norbert: Cybernetics; or, Control and Communication in the Animal and the Machine. New York, John Wiley, 1948.

42 A kibernetika kifejezés egyébként már egy évszázaddal korábban is megjelent, a francia André Marie Ampé-re 1843-ban kiadott, a tudományokat Ampé-rendszeAmpé-rező művében. „Felismertem egy tudományterületet, amelyet kibernetikának nevezek. A görög kifejezést először szűkebb értelemben egy hajó kormányzásának a megjelö-lésére használták, később maguk a görögök is általában a kormányozás művészetére terjesztették ki.”

valóban a visszacsatolási mechanizmusok egyik legkoraibb és legjobban kifejlesztett formája.”

Tarján Rezső fizikus-kibernetikus, Wiener írásainak magyar nyelvre fordítója a kö-vetkezőképpen határozta meg az új tudomány tartalmát: „…a kibernetika a tudományok történetében az első tudatos kísérlet azoknak az organizációs elveknek a műszaki konst-rukciós gyakorlati alkalmazására, amelyek a legmagasabban szervezett rendszerekben, ti. az élő szervezetekben megfigyelhetők.” Ebből a definícióból látható, hogy az a szemlé-letmód, amely itt megnyilvánul, az élő szervezetek és az összetett műszaki rendszerek azonos szerveződési elveire figyel, elsősorban az információfeldolgozás hasonlóságaira alapozva. A kibernetika tárgyát tehát a különböző rendszerek közös sajátosságai képezik.

Ebből a szempontból a kibernetika a rendszerek kutatásával foglalkozó tudományok közé tartozik, és az általános rendszerelmélettel rokon. Közel áll hozzá még az a tudo-mány is, amelynek az egyik megalapítója Neumann János. Ez az automaták általános és logikai elmélete nevet viseli. Ezekre a tudományokra jellemző az, hogy interdiszcipliná-risak és több tudomány határterületén alakultak ki. A kibernetika a rendszereket abból a szempontból vizsgálja, hogy azok hogyan használják fel az információkat saját belső stabilitásuk fenntartására, illetve környezetükre vonatkozó célfeladatok optimális végre-hajtására.

Norbert Wiener annak a mérnökcsoportnak volt az egyik tagja, amelynek az volt a feladata, hogy oldja meg a légvédelmi ágyúk radarral történő tűzvezérlésének problémá-it. Olyan komplex rendszer elemeinek összehangolt és eredményes működését kellett biztosítani, amelybe beletartoztak a légvédelmi lövegek, a radarok, a hírközlő rendszerek és az ezeket kezelő emberek is.⁴³ A feladat az egyes elemek közötti információs kapcso-latok optimatizálása volt, tehát valójában információkezelési és -feldolgozási, kommuni-kációs problémáról volt szó. A feladvány megoldása során kristályosodtak ki a kiberne-tika olyan alapfogalmai, mint pl. a rendszer, a vezérlés, a szabályozás, a szabályozókö-rök és a visszacsatolás. Nézzük meg ezeket egy kicsit részletesebben!

A rendszer a kibernetika talán legáltalánosabb és legátfogóbb alapfogalma. A rend-szerek csoportosítása többféleképpen lehetséges. Az egyik szempont az, hogy milyen a kapcsolat a rendszer és környezete között. Háromféle kölcsönhatás vizsgálatáról van szó:

a rendszer és környezete közötti energia-, anyag- és információcsere. Abban az esetben, ha a rendszer környezetével semmilyen kapcsolatban nem áll, elszigetelt rendszerről beszélünk. Ha a rendszer a környezettel csak energiacsere-kapcsolatban áll, akkor zárt rendszerről van szó. Ha a rendszer anyag- és energiacserét is folytat környezetével, ak-kor nyílt rendszer. Ha olyan összetett rendszerről van szó, amely belső szervezettségének fenntartásához a környezettel való információcsere is elengedhetetlen, akkor hármaselvű rendszerekről beszélünk. Ilyen rendszerek az élő szervezetek.

43A rendszer független változója az ellenséges repülőgép volt.

ELSZIGETELT RENDSZER

ZÁRT RENDSZER

NYÍLT RENDSZER

ENERGIA

ENERGIA

ANYAG

ÉLŐ RENDSZER

ENERGIA ANYAG INFORMÁCIÓ

3. ábra: Rendszerek

Ahhoz, hogy a szabályozás fogalmát megértsük, a vezérlésből, illetve a vezérelt rendszer fogalmából kell kiindulni. Vezérelt rendszer esetében az információátvitel egy-irányú. A rendszer egyik végpontján van egy vezérlő, adó, amelyikben megfogalmazó-dik a vezérlés tárgyát képező részrendszerre vonatkozó utasítás, amelynek az a célja, hogy a részrendszer állapotát megváltoztassa. Annak visszajelzésére, hogy az utasítás elérte-e a célját, ebben az esetben nincs lehetőség. Ha tehát a rendszer középponti egysé-gében megterveződik egy környezeti hatás és kimegy az utasítás, akkor nincs már mód a korrekcióra. Az utasítás hatása egyirányú, lineáris.

A szabályozott rendszer esetében a központ visszajelzést kap arról, hogy mi történt a periférián, tehát az output korrigálható. Az ilyen rendszer esetében lehetőség van a meg-tervezett, elérni szándékozott állapotváltozás és a ténylegesen bekövetkezett változás mértékének összehasonlítására. A „van” és a „kell” értékek folyamatos összevetése – és a kimenő utasítás megfelelő módosítása – megy végbe egészen addig, amíg a periférián be nem következik a kívánt mértékű változás. Az ilyen rendszer folyamatosan képes változtatni működését. Ilyenkor cirkuláris vagy dinamikus kauzalitásról beszélünk. A szabályozás esetében sokkal finomabb és rugalmasabb a környezethez történő illeszke-dés.

Az önszabályozó, környezetükhöz illeszkedő automaták működése ezen az elven alapszik. Azok a rendszerek, amelyek ezt a működésmódot tökéletességre fejlesztették, az élő szervezetek. Jó példa erre az élőlények belső környezetének állandósága, a ho-meosztázis. A belső környezet (milieu interieur) fogalmát egy francia orvos-biológus, Claude Bernard vezette be a 19. században. A szervezet belső folyadéktereit, a testned-veket és a vért jelölte ezzel a kifejezéssel, amelyekre jellemző, hogy az összetételük meglepő állandóságot mutat. A belső környezet paramétereinek állandó szinten, illetve nagyon kicsi intervallumon belül tartása kimenetek és bemenetek összehangolt szabá-lyozását igényli. Ezt a folyamatot nevezte el az amerikai Walter B. Cannon

homeosztá-zisnak. Az ember vérében például – a külső környezettől nagymértékben függetlenül – nagyfokú állandóságot mutat az ionösszetétel (izoionia), a hidrogénion-koncentráció, azaz pH (izohidria), a vérben oldott anyagok koncentrációja (izoozmózis), a vér térfoga-ta (izovolémia), a vér hőmérséklete (izotermia). A külső környezethez történő alkalmaz-kodást ma már műszaki berendezéseink egy része is képes produkálni. Ilyen például a célra programozott robotrepülőgép, amely haladásának irányát, sebességét a földfelszín, illetve légköri viszonyoknak megfelelően képes korrigálni. Erre az teszi képessé, hogy szabályozó körei segítségével állandóan méri a céltól való eltérést, és végrehajtja a szük-séges korrekciókat. Közismert példa a termosztát, amely egy adott környezet hőmérsék-letét tartja állandó értéken. Érzékelő szerve egy hőmérő, amely kapcsolatban áll egy energiatermelő rendszerrel. A szükségesnél (kell érték) alacsonyabb hőmérséklet műkö-désbe hozza, míg a magasabb leállítja az energiatermelő folyamatot.

Az élő rendszerek az eddig ismert legbonyolultabb és legtökéletesebb kibernetikai rendszerek. Működésükben középponti, kitüntetett szerepe van az információnak, az információcserének és az információk értékelésének, feldolgozásának. Innen ered az az általánosan elterjedt felfogás, miszerint az információ csak az élő rendszerekben meg-nyilvánuló, biológiai entitás, az élő anyag egyedülálló „attribútuma”. Amikor tehát az informatika, illetve az információtudomány középponti fogalmával, az információval foglalkozunk, az élő rendszerek tanulmányozása hasznunkra lehet az információ fogal-mának jobb megértéséhez.